望虞河引水工程對貢湖灣水質及主要取水口總磷的影響

楊 顯

(河海大學力學與材料學院，江蘇南京 211100)

太湖藍藻水華現象頻發，水體富營養化問題長期存在，與其水體中含有的氮、磷等營養鹽密切相關。研究表明，總磷(TP)是導致太湖富營養化加劇并最終引起藍藻暴發的關鍵環境因子[1]。太湖北部存在三大湖灣，從西往東依次為竺山湖、梅梁湖、貢湖。當前，這些湖灣均因水體交換不暢而成為太湖污染較為嚴重的地區[2]。根據梅梁湖和貢湖2013年-2017年逐月的TP監測資料，總體上梅梁灣的TP濃度要高于貢湖灣，水質比貢湖差。

梅梁湖TP高于貢湖TP的月份主要集中于6月-12月。2014年起，在10月、11月、12月，梅梁湖TP始終高于貢湖。10月-12月，太湖地區常刮冬季風，風向以偏北風居多[3]。北風作用下，受環流[4]的影響(圖1)，梅梁湖的水體流入貢湖，導致貢湖TP升高，貢湖內重要取水口(圖2)水質惡化。

圖1 北風流場Fig.1 Flow Field of North Wind

圖2 主要研究位置Fig.2 Main Research Location

為了解決貢湖灣的水質問題，本文采取數值模擬的方法，通過建立二維的水動力-水質模型，對太湖的流場、TP濃度的時空分布進行模擬。通過望虞河不同的引排水方案，對比其對貢湖灣TP分布的影響，分析引水活動對貢湖灣及灣內重要取水口處水質的積極作用。本文可為太湖引調水工程在改善水質方面提供理論依據和參考方案。

1 研究區域與研究方法

將太湖分為5 943個網格，研究區域為東北方位的貢湖，并通過環太湖的主干河流之一——望虞河，對其進行引水。模型為水平二維水動力-水質數值計算模型，適用于淺水水體的水流及水質模擬。模型應用守恒的二維非恒定流淺水方程組描述水流流動，并用二維對流-擴散方程描述污染物的輸運擴散，應用有限體積法及黎曼近似解對耦合方程組進行數值求解，從而模擬水體的水流過程和相應的污染物輸運擴散過程。

具體而言，首先，根據計算區域的天然地形，用無結構網格使計算區域離散化。然后，逐時段地用有限體積法對每一單元建立水量、動量和物質守恒，確保其守恒性，用黎曼近似解計算跨單元的水量、動量和濃度的法向數值通量，保證計算精度。設計Osher、通量向量分裂(FVS)和通量差分裂(FDS)等不同黎曼近似解。模型通過有限體積法的積分離散，并利用通量的坐標旋轉不變性，把二維問題轉化為一系列局部的一維問題。最后，通過計算機編程進行求解[5]。

2 二維水動力-水質模型

2.1 控制方程

守恒型二維淺水方程與對流擴散方程耦合的矢量表達如式(1)～式(4)。

(1)

q=[h,hu,hv,hCi]T

(2)

f(q)=[hu,hu2+gh2/2,huv,huCi]T

(3)

g(q)=[hv,huv,hv2+gh2/2,hvCi]T

(4)

其中：q——守恒物理向量；

f(q)——x向的通量向量；

g(q)——y向的通量向量；

h——水深,m；

u——x向的垂線平均勻流速分量,m/s；

v——y向的垂線平均勻流速分量,m/s；

g——重力加速度,m/s2；

Ci——溶質垂線平均濃度,mg/L；

b(q)為源匯項，矢量表達如式(5)。

b(q)=[0,gh(s0x-sfx),
gh(s0y-sfy),
(Di(hCi))-μihCi+Si]T

(5)

其中：s0x——x向的河底坡度；

sfx——x向的摩阻坡度，摩阻坡度由曼寧公式估算；

s0y——y向的河底坡度；

sfy——y向的摩阻坡度，摩阻坡度由曼寧公式估算；

Di——擴散系數,m2/s；

μi——溶質降階系數,s-1；

Si——溶質源匯項,mg·m/(L·s)-1。

此外，這里略去了已在模型中考慮的風力、柯氏力、渦旋等外力[6]。

二維上的對流擴散方程如式(6)。

(6)

其中：h——水深，m；

ux——x方向上的垂線平均流速,m/s；

uy——y方向上的垂線平均流速,m/s；

Dx——x方向上的擴散系數,m2/s；

Dy——y方向上的擴散系數,m2/s；

(7)

TOP的源匯項如式(8)。

(8)

其中：DP1——植物死亡系數,d-1；

apc——磷碳比值；

fop——植物死亡時的有機磷分數；

k83——有機磷的礦化率(20 ℃時),d-1；

θ83——有機磷礦化的溫度系數；

T——溫度,℃；

KmPc——磷循環中浮游植物的半飽和系數,mg/L；

GP1——植物生長系數,d-1；

vs3——有機物沉降速率,m/d；

fD8——溶解的有機磷分數；

h——水深,m。

表1 WASP 模型水質參數值Tab.1 Parameters of Water Quality Analysis Simulation Program (WASP) Model

2.2 邊界條件

邊界條件分為兩種：水流邊界和水質邊界。

2.2.1 水流邊界

模型中的水流邊界分為兩種：(1)陸地邊界；(2)濕地支流邊界。

陸地邊界也稱作閉邊界。如果兩單元之間的公共邊沒有水流通過，則該邊稱為陸地邊界。這類邊界設定：uR=-uL，hR=hL。太湖的沿岸除了設置的一些河道出入口外，湖體與陸地的交界均為這種邊界，太湖中大大小小的島嶼與湖體之間也是這種邊界。

濕地支流邊界指模擬區內的濕地或支流入流可以設置在某一單元邊上，通常設置為流量或水位。本模型中，貢湖灣東北角與望虞河相連的位置即設為這種邊界條件。當模擬通過望虞河進行引調水時，即可自行設定望虞河引水或排水的流量大小。

2.2.2 水質邊界

2.3 初始條件

水流初始條件的水位設為h=h0，全湖各處水位相等；流速設為0，即初始時刻為靜水條件。

水質初始條件C1～C8每種溶質均需單獨設置，以全太湖的平均值為各處溶質的初始濃度。

2.4 求解過程及模型率定

確定基本積分方程及定解條件后，利用散度定理得到離散形式的有限體積法基本方程，最終將問題歸結為確定法向通量。法向數值通量可以由解局部一維黎曼問題求得，最后利用離散方程計算各水力變量和濃度。具體計算過程參考文獻[5-7]。

用實測資料對模型進行調節和驗證。根據2014年1月對貢湖內設置的15個檢測點的氮、磷鹽的檢測數據[8](檢測位置如圖3所示)，用本模型對貢湖灣內的TP濃度分布進行計算模擬，引水的流量和TP濃度均使用該月實際引水時的實測值，流量為104 m3/s，TP為0.2 mg/L。15個檢測點的數值模擬結果如表2所示。

圖3 水質檢測位置Fig.3 Detection Location of Water Quality

表2 TP率定結果對比Tab.2 Comparison of TP Calibration Results

根據實測值和計算值的對比，灣心軸線的模擬結果較為理想，誤差均在15%以內；兩岸靠近望虞河入湖口處的模擬結果誤差相對較大，為30%～35%。整體而言，貢湖內約90%的水域其TP濃度的模擬結果與真實值的誤差控制在20%以內，可以認為此模型能夠反映真實情況，具有一定的實用意義。

3 具體方案設計

為了使結論具有實際意義，計算模型的設定基本使用實測數據作為依據。模擬10月-12月的太湖環境，風場選取該時段盛行的北風，風速為3 m/s；計算時段為30 d(720 h)；太湖初始水位為3.1 m；貢湖初始TP平均值為0.073 4 mg/L；梅梁湖初始TP設為高于貢湖，取0.291 mg/L。

依據望虞河的進出流量不同，共設計3種調水方案進行計算。

方案一：閉閘。10月-12月，對望虞河實行過閉閘處理。設計流量為0 m3/s。此方案為對照組。

方案二：排水。2016年10月，對望虞河實施過開閘排水，使水體通過望虞河排出貢湖。設計流量取該月的平均值，為-116.98 m3/s。此方案為對照組。

方案三：引水。設計流量參考冬季望虞河引水活動時的常用流量。設計流量為80 m3/s；設計TP為0.08 mg/L。此方案組為試驗組。

引水方案可行性及優越性分析如下。

(1)10月-12月，望虞河水質較好，TP濃度為0.07～0.09 mg/L，最低時可達0.04 mg/L，引水有利于直接降低貢湖灣內TP濃度。

(2)10月-12月，全太湖的水位處于年周期內的下降階段，適度引水有利于將太湖水位維持在一個穩定的區間。

(3)除2016年外，其余年份在10月-12月均實施過望虞河引水活動，該時段的引水從而更具有歷史實踐依據。

4 計算結果分析

由于北風的影響，梅梁灣的水體隨環流流入貢湖。水體中濃度較高的TP首先會影響貢湖西岸。在方案一中，望虞河入湖口處于閉閘狀態，貢湖灣內水體流態為順時針方向環流，來自梅梁灣的高濃度TP首先會影響貢湖西岸，隨后會流經望虞河口并蔓延至東岸(圖4)；在方案二中，望虞河的排水作用加快了貢湖西岸水體自西南向東北的流動，使得高濃度TP在西岸附近迅速蔓延(圖5)；而方案三中，望虞河的引水作用反向阻礙了高濃度TP沿西岸的蔓延，同時望虞河內的低濃度TP水體也對西岸TP的增長起到一定的抑制作用(圖6)。

圖4 方案一第30 d TPFig.4 Program I, TP after 30 Days

圖6 方案三第30 d TPFig.6 Program Ⅲ, TP after 30 Days

貢湖西岸有兩處重要的取水口，分別是錫東水廠取水口和貢湖水廠取水口。在3種不同的工況下，兩處取水口在30 d內的TP變化情況如圖7所示。

錫東水廠取水口距離梅梁湖較遠，受到其高濃度TP的影響較小。由圖7可知，引水30 d后，錫東水廠的TP由排水時的0.108 mg/L降為0.078 6 mg/L，濃度值下降27.2%，水質維持在Ⅳ類水水平。

貢湖水廠取水口距離梅梁湖較近，受到其高濃度TP的影響較大。若通過望虞河正常排水，則30 d后，貢湖取水口的TP達到0.143 mg/L，為Ⅴ類水。而引水后可使TP變為Ⅳ類水標準的0.086 2 mg/L，下降39.7%。引水期間，降低TP效果最好時，能使TP下降58.7%，有效改善了取水口附近的水質。

圖7 取水口TP變化Fig.7 Changes of TP in Water Intakes

5 總結

通過望虞河引水，改善貢湖灣及西岸取水口TP水質的方案具有一定的適用條件。當梅梁湖TP濃度過高，處于劣Ⅴ類標準且盛行偏北風時，貢湖兩處取水口的TP問題才有實際意義。當望虞河水質較好且TP濃度較低時，解決方案才實際可行。

望虞河引水活動可以改善貢湖西岸取水口附近的水質，降低TP濃度。引水流量為80 m3/s時，可達到理想的效果，可使取水口處TP由Ⅴ類水變為并維持在Ⅳ類水標準。