基于環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型的蠡湖補(bǔ)水方案數(shù)值模擬

鄢碧鵬 柳自強(qiáng) 王 磊 貝超其

(揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000)

蠡湖屬于典型的城市淺水湖泊，是無(wú)錫市的重要旅游景點(diǎn)，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，圍湖造田、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及污水排入等因素造成蠡湖水生態(tài)環(huán)境逐步惡化，一度成為太湖地區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化最嚴(yán)重的區(qū)域[1]。近年來(lái)，無(wú)錫市采取了截污、清淤、退漁還湖、景觀改造等一系列措施[2]，使得蠡湖的水質(zhì)和景觀環(huán)境有了相當(dāng)程度的改善，2015—2017年水質(zhì)逐月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，蠡湖水質(zhì)總體以Ⅲ類、Ⅳ類為主(基于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)評(píng)價(jià))，水體富營(yíng)養(yǎng)化得到了基本控制，但蠡湖的透明度(SD)和懸浮物(SS)濃度等感官指標(biāo)沒(méi)有顯著改善[3]，秋季水體的平均SD小于0.3 m，嚴(yán)重影響其觀賞功能，原因可能是蠡湖湖底沉積了大量死亡藻體、動(dòng)植物殘?bào)w以及黏土礦物等形成的高有機(jī)質(zhì)污泥，這種污泥極易在風(fēng)浪、魚類、游船等因素的擾動(dòng)下發(fā)生再懸浮，使湖水渾濁，導(dǎo)致SD降低。

生態(tài)補(bǔ)水是改善景觀湖泊水環(huán)境的重要措施，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、河海大學(xué)等研究了通過(guò)梅梁湖泵站向蠡湖補(bǔ)水和抽貢湖水經(jīng)長(zhǎng)廣溪向蠡湖補(bǔ)水兩種方案，但梅梁湖、貢湖和蠡湖水質(zhì)相比差異不大，需要大流量、長(zhǎng)時(shí)間補(bǔ)水才能達(dá)到較好效果。由于蠡湖附近沒(méi)有清潔水源，因此擬將太湖水體中的藍(lán)藻和泥沙消除后再引入蠡湖進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，補(bǔ)水方案擬采用“一進(jìn)兩出”的運(yùn)行模式，即經(jīng)長(zhǎng)廣溪濕地向蠡湖補(bǔ)水，由梅梁湖和曹王涇泵站排出。蠡湖生態(tài)補(bǔ)水的主要目的是提高水體SD，同時(shí)兼顧其他水質(zhì)指標(biāo)改善。張運(yùn)林等[4]通過(guò)對(duì)蠡湖SD主要影響因子進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，蠡湖水體SD主要受SS的影響，與葉綠素等的相關(guān)性不大，因此SS濃度是評(píng)價(jià)蠡湖補(bǔ)水效果的重要指標(biāo)。通過(guò)建立蠡湖SS濃度和SD的關(guān)系，模擬不同補(bǔ)水工況下蠡湖SS濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以預(yù)測(cè)生態(tài)補(bǔ)水對(duì)SD改善效果。

國(guó)內(nèi)很多學(xué)者利用數(shù)值模擬方法對(duì)補(bǔ)水工程進(jìn)行了研究。黎育紅等[5]通過(guò)建立湖泊群二維水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，模擬了不同調(diào)水方案對(duì)武漢東湖水質(zhì)改善效果；華祖林等[6]采用二維水質(zhì)水量模型對(duì)玄武湖不同的引水規(guī)模、引水方式、引水口和出水口流量分配的引調(diào)水方案進(jìn)行模擬計(jì)算，綜合分析得出相對(duì)最優(yōu)的引調(diào)水方案；潘泓哲等[7]通過(guò)構(gòu)建太湖流域走馬塘東南片平原河網(wǎng)區(qū)一維水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，研究不同引調(diào)水方案對(duì)區(qū)域水環(huán)境改善效果，從多個(gè)目標(biāo)層面優(yōu)選引調(diào)水方案，實(shí)現(xiàn)水量水質(zhì)綜合優(yōu)化調(diào)控。

本研究以擬建的蠡湖生態(tài)補(bǔ)水工程為研究對(duì)象，利用環(huán)境流體力學(xué)(EFDC)模型建立三維數(shù)值模型，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，研究不同補(bǔ)水方案對(duì)蠡湖水體SD的改善效果，明確最佳補(bǔ)水規(guī)模和工程運(yùn)行方式。研究結(jié)果為確定工程建設(shè)規(guī)模和運(yùn)行方式提供了依據(jù)。

1 蠡湖SD模擬模型

1.1 研究區(qū)域概況

蠡湖位于江蘇省無(wú)錫市西南郊，是太湖北部的一個(gè)內(nèi)湖，屬于典型的平原淺水湖泊。湖泊東西長(zhǎng)約6 km，南北寬0.3～1.8 km，正常水位時(shí)湖體周長(zhǎng)約為21 km，面積約為8.6 km2[8]。蠡湖多年平均水位3.17 m，正常蓄水位3.30 m左右，相應(yīng)庫(kù)容約1 800萬(wàn)m3。為研究不同補(bǔ)水方案對(duì)蠡湖SD改善效果，選取整個(gè)蠡湖為研究范圍進(jìn)行建模。同時(shí)將其分為A、B、C、D 4個(gè)區(qū)域以更清晰地反映補(bǔ)水過(guò)程中不同區(qū)域的水質(zhì)變化，其中A區(qū)為退漁還湖區(qū)，B區(qū)在蠡堤至寶界橋之間，C區(qū)在寶界橋至蠡湖大橋之間，D區(qū)為蠡湖大橋以東區(qū)域。在每區(qū)設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別設(shè)在湖中和湖邊位置(見圖1)。

圖1 蠡湖研究范圍示意圖Fig.1 Schematic diagram of the research scope of Lihu Lake

1.2 蠡湖SD與SS濃度的關(guān)系

水體SD是評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化和水生態(tài)健康的重要指標(biāo)[9-10]，一般認(rèn)為水中的SS、浮游藻類和可溶性有機(jī)物是影響SD的主要因素。在進(jìn)行水質(zhì)模擬時(shí)，無(wú)法將SD作為一個(gè)模擬指標(biāo)，必須建立SD和某種物質(zhì)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于蠡湖水體SD主要受SS濃度的影響，因此對(duì)于蠡湖而言，可將SS濃度作為影響SD的唯一指標(biāo)。王書航等[11]利用水質(zhì)監(jiān)測(cè)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)蠡湖水體SD與SS濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，計(jì)算公式見式(1):

ISD=220.61ISS-0.545

(1)

式中：ISD為SD，cm；ISS為SS質(zhì)量濃度，mg/L。

在進(jìn)行湖泊斷面測(cè)量時(shí)，同步開展了水體采樣和SD現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作，共采集不同區(qū)域8個(gè)水樣，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定了SS濃度，對(duì)式(1)精度進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，SD實(shí)測(cè)值和計(jì)算值誤差較小，最大誤差為2.7%，說(shuō)明利用式(1)可將蠡湖SS濃度和SD進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過(guò)模擬蠡湖水體中SS濃度變化來(lái)表征SD變化，解決了數(shù)值模擬技術(shù)無(wú)法模擬SD的問(wèn)題。本次蠡湖補(bǔ)水工程計(jì)劃將蠡湖SD提高到1 m，根據(jù)式(1)，對(duì)應(yīng)的SS限值約為4 mg/L。

1.3 模擬模型與方法

EFDC模型由美國(guó)弗吉尼亞海洋研究所開發(fā)，主要包括水動(dòng)力模塊、溫度和傳熱模塊、物質(zhì)輸送模塊、泥沙輸送模塊、水質(zhì)與富營(yíng)養(yǎng)化模塊、有毒物質(zhì)污染與運(yùn)移模塊以及拉格朗日粒子追蹤模塊等[12]，經(jīng)過(guò)多年來(lái)的發(fā)展，該模型已成功應(yīng)用于水庫(kù)及其流域營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)預(yù)測(cè)、沉積物模擬等領(lǐng)域。本次SS濃度模擬采用EFDC模型中的染色劑模型，以難溶于水的染色劑替代SS進(jìn)行模擬，將染色劑設(shè)置為保守物質(zhì)，即在對(duì)流擴(kuò)散過(guò)程中不考慮物質(zhì)的降解、轉(zhuǎn)化和形態(tài)變化。

采用Google Earth軟件在1∶5 000的比例尺下對(duì)蠡湖二維地形測(cè)量資料進(jìn)行劣化處理，考慮計(jì)算機(jī)性能與模型尺度，采用矩形網(wǎng)格，將蠡湖平面圖劃分為35 m×35 m的矩形網(wǎng)格，共建立有效網(wǎng)格6 201個(gè)，面積為7 596 225 m2。

利用聲學(xué)多普勒流速儀(ADCP，RiverRay)開展了蠡湖不同斷面流速和水深測(cè)量工作，該儀器通過(guò)向水中發(fā)射聲波短脈沖，接受并處理回波后得到電信號(hào)，再通過(guò)轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算出斷面流速和水深[13]。采用走航式測(cè)量法由南向北共測(cè)量了50個(gè)蠡湖斷面，將測(cè)量得到的水深文件導(dǎo)入EFDC模型中，系統(tǒng)自動(dòng)生成水深分布(見圖2)。可以看出，蠡湖中心處水深，兩邊岸坡水淺，A區(qū)是湖水最深區(qū)域。

圖2 蠡湖水深Fig.2 Water depth of Lihu Lake

1.4 參數(shù)設(shè)置及模型率定

蠡湖屬于典型的寬淺型湖泊，通過(guò)截污建閘，已形成一個(gè)封閉的水體，其驅(qū)動(dòng)力主要為風(fēng)力，模擬季節(jié)為秋季，以東南風(fēng)為主導(dǎo)，依據(jù)氣象資料和前人的研究結(jié)果，確定風(fēng)應(yīng)力系數(shù)為1.63×10-3，水溫21 ℃，計(jì)算區(qū)域的粗糙率為0.02，縱向與橫向擴(kuò)展系數(shù)為4 m2/s。蠡湖水體容量為1 800萬(wàn)m3，按照補(bǔ)水規(guī)模數(shù)值模擬時(shí)長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的進(jìn)水流量為22.5、15.0、7.5 m3/s。模擬最大時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)線性方程顯式差分的CFL條件來(lái)計(jì)算，為了提高模擬的精度，將時(shí)間步長(zhǎng)確定為10 s，模擬時(shí)間序列內(nèi)每隔1 d輸出1次結(jié)果。蠡湖水質(zhì)在同一季節(jié)分布差異不大，模擬時(shí)認(rèn)為蠡湖初始水質(zhì)分布均勻，選取秋季測(cè)量時(shí)SD最小值所對(duì)應(yīng)的SS濃度作為初始值，即蠡湖SS模擬初始質(zhì)量濃度為28 mg/L，原水凈化后SS質(zhì)量濃度為3 mg/L。

影響EFDC模型中染色劑模型精度的主要因素是水動(dòng)力條件和參數(shù)，對(duì)比湖泊不同斷面實(shí)測(cè)與模擬的平均流速可以驗(yàn)證參數(shù)設(shè)置的合理性和模型的準(zhǔn)確性。2019年9月10日，根據(jù)ADCP對(duì)蠡湖斷面的測(cè)量結(jié)果，模擬邊界條件、氣象資料采用當(dāng)天實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選取其中8個(gè)典型斷面實(shí)測(cè)平均流速與模擬結(jié)果對(duì)比，最小誤差為5.2%，最大誤差為9.1%，說(shuō)明模型的精度較高，參數(shù)設(shè)置合理。

1.5 模擬方案

蠡湖是一個(gè)封閉的水體，邊界條件相對(duì)簡(jiǎn)單，根據(jù)規(guī)劃，補(bǔ)水工程流量將在7.5、15.0、22.5 m3/s中選擇，采用“一進(jìn)兩出”的運(yùn)行方式，由于依靠已建泵站抽水，其流量調(diào)節(jié)只能通過(guò)開停機(jī)實(shí)現(xiàn)，出水流量只能是單機(jī)流量的整數(shù)倍，因此在模擬小試基礎(chǔ)上，確定了湖泊左(梅梁湖泵站)右(曹王涇泵站)兩個(gè)出水點(diǎn)流量分配比例為1.0∶1.0、1.5∶1.0、2.0∶1.0，結(jié)合3種進(jìn)水流量，共獲得9個(gè)模擬方案。在模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于梅梁湖泵站的位置緊靠蠡堤，造成蠡湖A區(qū)存在大片死水區(qū)，補(bǔ)水效果差，因此提出了在A區(qū)設(shè)置兩種擋水墻方案，擋水墻布置見圖3。

圖3 兩種擋水墻方案Fig.3 Two types of water retaining wall scheme

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 不同運(yùn)行工況模擬結(jié)果

在A區(qū)不設(shè)置擋水墻的情況下，9種運(yùn)行工況下蠡湖全區(qū)平均SS隨時(shí)間的變化情況見圖4。隨著補(bǔ)水時(shí)間的延長(zhǎng)，蠡湖平均SS濃度逐漸下降，下降速率由快變慢，最后趨于平緩，在同一進(jìn)水流量下，梅梁湖泵站和曹王涇泵站出水流量分配比例為1.5∶1.0時(shí)效果最佳。以進(jìn)水流量15.0 m3/s、補(bǔ)水28 d為例，分配比例為1.0∶1.0時(shí)SS降低至5.4 mg/L，分配比例為1.5∶1.0時(shí)SS降低至4.7 mg/L，分配比例為2.0∶1.0時(shí)SS降至4.9 mg/L。

圖4 9種運(yùn)行工況下蠡湖全區(qū)平均SS變化Fig.4 Change of average SS concentration in Lihu Lake under nine operating conditions

在相同出水流量分配比例下，補(bǔ)水流量越大，蠡湖全區(qū)的平均SS濃度下降速率越快，到達(dá)相同補(bǔ)水效果耗時(shí)越短。以分配比例1.5∶1.0為例，蠡湖全區(qū)平均SS由28 mg/L降低至8 mg/L(對(duì)應(yīng)SD分別約為0.30 m和0.71 m)時(shí)，進(jìn)水流量為7.5 m3/s時(shí)需要補(bǔ)水27 d，進(jìn)水流量為15.0 m3/s時(shí)需要補(bǔ)水13 d，進(jìn)水流量為22.5 m3/s時(shí)只需要補(bǔ)水9 d。同時(shí)可以看出，小流量方案在補(bǔ)水較長(zhǎng)時(shí)間后湖泊中的平均SS濃度才趨于平衡，且離目標(biāo)值差距較大。如進(jìn)水流量為7.5 m3/s時(shí)，SS只能降至7.8 mg/L左右；而進(jìn)水流量為15.0、22.5 m3/s時(shí)，SS可以分別降低至4.7、4.2 mg/L。

2.2 蠡湖不同區(qū)域補(bǔ)水效果

模擬結(jié)果表明，雖然9種工況對(duì)蠡湖水質(zhì)凈化效果略有差異，但就分區(qū)補(bǔ)水效果來(lái)看，補(bǔ)水后湖泊中的平均SS濃度變化趨勢(shì)相同，改善效果總體表現(xiàn)為B區(qū)>C區(qū)>D區(qū)>A區(qū)，A、D兩區(qū)的水質(zhì)改善效果較差，均存在死水區(qū)域，局部換水效果不理想。特別是A區(qū)，由于梅梁湖泵站進(jìn)水口靠近蠡堤西側(cè)，補(bǔ)水水源經(jīng)過(guò)蠡堤后直接進(jìn)入泵站引水河道，使得A區(qū)存在大片的死水區(qū)，要保證A區(qū)換水效果，可以設(shè)置擋水墻，引導(dǎo)清潔水源繞行A區(qū)。

2.3 設(shè)置擋水墻后蠡湖補(bǔ)水效果

2.3.1 設(shè)置擋水墻后流場(chǎng)變化

圖5展示了在蠡湖A區(qū)設(shè)置擋水墻1前后(工程已穩(wěn)定運(yùn)行)，區(qū)域的流場(chǎng)分布。平均流速大約0.01 m/s，設(shè)置擋水墻1后A區(qū)的死水區(qū)明顯減少，補(bǔ)水效果顯著提高。

注：無(wú)箭頭處為死水區(qū)。圖5 A區(qū)設(shè)置擋水墻前后蠡湖流場(chǎng)Fig.5 Flow field of Lihu Lake before and after setting water retaining wall in zone A

2.3.2 設(shè)置擋水墻后補(bǔ)水效果

圖6展示了蠡湖A區(qū)設(shè)置擋水墻前后，出水流量分配比例為1.5∶1.0時(shí)，3個(gè)進(jìn)水流量工況下蠡湖全區(qū)的平均SS變化情況。

由圖6可以看出，在A區(qū)設(shè)置擋水墻后，兩個(gè)擋水墻方案都可以極大改善蠡湖全區(qū)換水效果。出水流量分配比例為1.5∶1.0，進(jìn)水流量為7.5 m3/s時(shí)，全湖平均SS降到4 mg/L，設(shè)置擋水墻1、2分別需要補(bǔ)水45、40 d；當(dāng)進(jìn)水流量為15.0 m3/s時(shí)，全湖平均SS降到4 mg/L，設(shè)置擋水墻1、2分別需要補(bǔ)水22、19 d；當(dāng)進(jìn)水流量為22.5 m3/s時(shí)，采用擋水墻1、2分別需要補(bǔ)水21、18 d。

圖6 設(shè)置擋水墻前后不同工況下補(bǔ)水時(shí)蠡湖全區(qū)平均SS變化Fig.6 Changes of average SS concentration of Lihu Lake under different conditions before and after setting wate retaining wall

將EFDC模型模擬得到的不同補(bǔ)水工況下蠡湖SS的變化結(jié)果，結(jié)合式(1)可以得到相應(yīng)的蠡湖SD變化情況。以進(jìn)水流量22.5 m3/s、出水流量分配比例1.5∶1.0工況為例，如圖7所示，在補(bǔ)水時(shí)間均為28 d時(shí)，隨著新鮮水源的進(jìn)入，未設(shè)擋水墻時(shí)蠡湖平均SD為1.00 m；在A區(qū)設(shè)置擋水墻1 后，蠡湖平均SD為1.17 m；在A區(qū)設(shè)置擋水墻2后，蠡湖平均SD可以達(dá)到1.23 m，遠(yuǎn)超目標(biāo)值。

圖7 設(shè)置擋水墻前后蠡湖全區(qū)平均SD變化Fig.7 Change of mean SD of Lihu Lake before and after setting water retaining wall

2.4 討 論

通過(guò)清潔水源補(bǔ)水，在對(duì)流、擴(kuò)散作用下攜帶湖泊本身難以降解的污染物出湖，可以降低湖泊SS濃度，提高水體SD。另外，補(bǔ)水工程通過(guò)加速水體流動(dòng)，利于水體富氧，改善沉水植物所需要的光照和溶解氧條件，促進(jìn)沉水植物的生長(zhǎng)，增加水體生物多樣性[14]，由此能進(jìn)一步去除水中溶解性污染物，抑制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生，提高水體的自凈能力，最終達(dá)到自凈能力與污染負(fù)荷的平衡，并維持較好的水質(zhì)狀態(tài)。本研究?jī)H從降低湖泊SS濃度角度研究了補(bǔ)水方案，實(shí)際上生態(tài)補(bǔ)水是從多方面改善湖泊水生態(tài)環(huán)境的，還需對(duì)其他水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)工程實(shí)際運(yùn)行的效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，進(jìn)一步闡明其作用機(jī)理，關(guān)于水體SD對(duì)沉水植物生長(zhǎng)的影響機(jī)理和定量關(guān)系尚需深入研究；生態(tài)補(bǔ)水降低水體中SS濃度、提高SD只是應(yīng)急措施，需要建立長(zhǎng)效機(jī)制解決底泥上浮問(wèn)題，綜合采用清淤、微生物治理、底泥固化等技術(shù)。

3 結(jié)論與建議

(1) 模擬結(jié)果表明，相同的進(jìn)水流量，左右兩個(gè)出水點(diǎn)流量分配比例為1.5∶1.0時(shí)蠡湖SD改善效果最好，在此分配比例下，進(jìn)水流量7.5、15.0、22.5 m3/s工況下SD達(dá)到0.71 m(SS降至8 mg/L)分別需要補(bǔ)水27、13、9 d。從分區(qū)補(bǔ)水效果來(lái)看，B區(qū)>C區(qū)>D區(qū)>A區(qū)，A、D兩區(qū)SD改善效果較差，主要是存在死水區(qū)域，局部換水效果不理想。

(2) 通過(guò)在A區(qū)設(shè)置擋水墻，可以提高補(bǔ)水效果。要將平均SD提高至約1 m，進(jìn)水流量為7.5 m3/s時(shí)，設(shè)置擋水墻1、2分別需要補(bǔ)水45、40 d；進(jìn)水流量為15.0 m3/s時(shí)，分別需要補(bǔ)水22、19 d；進(jìn)水流量為22.5 m3/s時(shí)，分別需要補(bǔ)水要21、18 d。

(3) 蠡湖生態(tài)補(bǔ)水工程在A區(qū)建設(shè)擋水墻后，總體上能在較短時(shí)間內(nèi)使SD提高到1 m，對(duì)于局部死水區(qū)，可以采用潛水推流的方式，強(qiáng)化與主流區(qū)的水體交換，提高補(bǔ)水效果。