風生流和吞吐流共同作用對湖泊環流的影響及污染帶特征

倘佳舟，李翠梅，肖昭文，張紹廣，秦高峰，金國裕

（1.蘇州科技大學環境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009； 2.中建八局 第三建設有限公司，江蘇 南京 210046； 3.中水科水利環境研究院（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215300；4.昆山市水務集團有限公司，江蘇 蘇州 215347）

湖泊環流是影響區域內水流結構和水質狀況的重要因素。 湖泊環流按其成因可分為風對水面的切應力引起的風生流［1］、湖水與河流水體交換引起的吞吐流［2］、水面溫度差引起的密度流［3］3 種。 風生流在太湖分布較廣泛，平均流速量級為10-2m／s，普遍存在于太湖各區域；受汛期和地形影響，吞吐流在太湖南部與西部分布較廣，平均流速量級為10-3m／s；密度流一般在海洋及深水河湖中分布較廣，而太湖為典型的淺水湖泊，密度流的影響可忽略不計。 因此太湖環流主要為風生流和吞吐流［4-6］。

近年來，眾多學者對太湖水動力流場及各流場影響下的水質狀況進行了研究，取得了許多成果。 舒葉華等［7］發現，在定常風影響下，太湖北部湖灣區存在數個小尺度環流，為污染物的聚集創造了條件。 胥瑞晨等［8］提出影響水體交換的主要因素為流量，不同風向下太湖水體交換區域存在空間差異。 施媛媛等［9］研究發現，湖灣區沉積物中的溶解態磷更容易受風浪擾動而釋放。 林怡雯等［10］研究指出，生物活性降低和動植物殘體的分解是導致冬季枯水期金墅港、漁洋山營養鹽濃度偏高的原因。 太湖流域望虞河西岸在2017—2019年存在污染負荷波動的情況［11-13］，“引江濟太”工程近年來是否仍然對太湖地區水質改善起到明顯效果目前尚無定論。 匡翠萍等［14］研究表明，在3 m／s東南風條件下，望虞河輸入流量越大，污染物應急去除效果越好。

本文以太湖風生流和吞吐流兩種流態共同存在的典型區域貢湖灣為例，基于MIKE21 水動力模型，根據實際水位、地形和風場數據以及實測水質情況，構建太湖貢湖灣二維水動力-水質耦合模型，綜合考慮風場和調水引流工程對貢湖灣環流的影響，對貢湖灣湖區的污染帶分布特征進行分析，以期為“引江濟太”工程的管理與調度提供科學依據。

1 研究區域及方法

1.1 研究區域概況

貢湖灣位于太湖東北部，地處蘇州與無錫交界處，長約19 km，寬約8 km，面積約163.8 km2，常水位下水深1.89 m。 貢湖灣位于亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫為 16 ℃，年降水量 1 100～1 150 mm。 4—8月，受熱帶海洋氣團影響，湖區溫和多雨，以東南風為主；10月至次年2月，受北方高壓氣團控制，湖區寒冷干燥，以東北風或西北風為主［15］。

隨著太湖“引江濟太”工程實施，流域水資源供需矛盾得到一定程度緩解，2007—2014年望虞河起到了很好的入湖水位調蓄、水質改善作用，但近年來水質存在波動［16］，而每年“引江濟太”時間段不固定，因此存在太湖流域污染負荷增大的可能性。

1.2 模型構建及率定驗證

（1）模型構建。 MIKE21 模型由丹麥水利研究所研發，采用二維有限元法劃分非結構性網格，在空間上采用中心有限體積法對控制方程進行離散，在時間上采用顯式積分求解，被廣泛應用于河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙、環境的模擬研究，能夠動態模擬二維水動力環流與污染物擴散情況。 筆者將MIKE21 模型應用于貢湖灣水動力-水質數值模擬。 以貢湖灣湖岸線為閉合邊界，貢湖灣與太湖湖心主水體交界處為開邊界，共劃分非結構化三角形網格7 770 個，節點 4 052 個，內角 10°～130°，相鄰有限元面積比0.5 ～2.0，任意兩個網格單元最大坡度小于10%，見圖1。

圖1 貢湖灣區域概化

入湖邊界為東部沿岸的4 條河流（蠡河、大溪港、望虞河、金墅港），出湖邊界與開邊界相同。 蠡河、大溪港、金墅港3 條支流流量變化不大，2018年平均流速分別為 0.5、0.3、0.8 m／s，作為常值輸入；望虞河流量變化較大，分為50、100 m3／s 兩種典型引水流量輸入貢湖灣（數據來源于水利部太湖流域管理局網站http：／／www.tba.gov.cn／）。 初始水位為 2018年太湖實測平均水位（3.14 m）。 由于湖區內存在漲落潮現象，流速隨時間、空間變化較大，因此初始流速設定為0。模擬時間與“引江濟太”時間一致，為2018年10月23日至 12月 3 日，共 42 d，時間步長取 80 s。 風向與風速取模擬時間段內盛行風向（北東）和最高頻率風速（5 m／s）。

選取貢湖灣主要污染因子總氮、總磷、氨氮［17-18］作為污染物指標進行水質分析，污染物初始質量濃度見表1，貢湖灣湖區及各支流污染物質量濃度采用2018年實測數據的平均值。

表1 研究區污染物初始質量濃度 mg／L

（2）模型率定與驗證。 風應力拖曳系數為1.8×10-6，河床底部拖曳系數為32，收斂條件判斷數（CFL 數）為0.75，渦黏系數為0.28，干水深、淹沒水深、濕水深分別為0.006、0.050、0.120 m。 污染物水平擴散系數為 2 m2／s，總氮、總磷、氨氮降解系數分別取 0.01、0.02、0.04。

模型水動力參數選取2018年10月至12月的平均水位及流速數據進行驗證，見圖2。 水位、流速模擬值與實測值吻合程度較高，平均相對誤差分別為0.34%、3.1%，能較好反映研究區實際情況。 選取貢湖灣6 個監測點（WQ1 ～WQ6）作為水質驗證點，見圖1（b）。 模擬時長共 42 d，取前 10 d 的實測總氮、總磷、氨氮質量濃度代入模型進行驗證，模型水質驗證結果見圖3。 10 d 內6 個采樣點的模擬值與實測值平均相對誤差約為12%，在模型可以接受范圍內。

圖2 模型水動力驗證（2018年）

圖3 模型水質驗證

（3）計算方案。 為確定風生流和吞吐流共同作用對貢湖灣環流的影響，共設計3 種工況進行計算，其中工況1 僅有風生流作用，工況2、工況3 為風生流和吞吐流共同作用，望虞河引水流量分別為50、100 m3／s，見表2。

表2 模型計算方案

2 結果與討論

2.1 水動力結果討論

將不同工況引水流量代入模型進行計算，得到的不同條件下貢湖灣二維流場見圖4。 由圖4（a）可知，在僅有北東風場的風生流作用下（工況1），貢湖灣流場北部為逆時針環流、南部為順時針環流，這與姜加虎［19］的研究結果相符。 風浪受地形阻擋引起波浪反射與疊加效應［6，19］，岸邊形成沿岸流，流速（0.036～0.050 m／s）明顯高于湖區其他部位的（0.008～0.012 m／s），這與李一平等［20］的研究結果一致。 由圖 4（b）、圖 4（c）可知，在風生流和吞吐流共同作用下，貢湖灣流場呈現與工況1 類似的環流，3 個流場的環流方向、數量、位置沒有發生改變，工況2、工況3 岸邊與湖心的平均流速沒有發生顯著變化（岸邊 0.03 ～ 0.05 m／s，湖心 0.01 ～ 0.02 m／s），說明影響貢湖灣流場分布的主要因素是風的驅動，主導貢湖灣流場整體分布的是風生流，這與周杰源等［4，21］的研究結果一致。

圖4 貢湖灣流場分布

望虞河入湖口處，工況2、工況3 風生流和吞吐流共同作用下的流速（0.130、0.200 m／s）遠大于僅有風生流作用下的流速（0.012 m／s）。 姜恒志等［22］研究表明，太湖吞吐流對其水流結構的影響不大，但在一定程度上影響出入口處局部區域流態。 “引江濟太”工程望虞河引水流量為 50 ～ 100 m3／s， 秋冬季北東風作用下，貢湖灣吞吐流對流場的改變是有限的，影響區域主要集中在北部望虞河入湖口區域。

2.2 水質結果討論

工況2、工況3 條件下貢湖灣總氮、總磷、氨氮質量濃度分布見圖5，可以看出，TN、TP、NH3-N 污染帶分布規律相似。 為方便水質分析，根據污染物質量濃度分布，分區討論研究區水質狀況，見圖6。 由圖5 可以看出，A 區污染物質量濃度整體低于B1、B2 區的，沿岸污染帶D2、D3 區污染物質量濃度明顯高于貢湖灣其他區域的，其中D2 區最高。 入湖口處流速較大，望虞河引水入貢湖灣后主要受南部順時針環流影響，而沿岸流的流速大于湖區其他區域的，污染物順東部至南部沿岸向下游輸移擴散。 總體而言，貢湖灣北部區域的污染情況較南部區域輕微，污染物質量濃度較高區域出現在東部至南部沿岸一帶（D2、D3 區）。

圖5 工況2、工況3 貢湖灣污染物質量濃度（單位：mg／L）

圖6 貢湖灣水質模型結果分區

在南北環流間隙存在兩個污染物滯留帶（C1 區、C2 區），C1、C2 區污染物質量濃度較其周圍 A、B1、B2區的更高。 根據逄勇等［23］太湖風生流輻散區與輻合區理論，以及貢湖灣北部逆時針環流、南部順時針環流的水動力特征，中間地帶污染物在沿環流邊界擴散過程中，受南、北兩大環流擠壓作用，以及大貢山、小貢山的地形阻擋，出現污染物堆積、滯留。

工況2 和工況3 條件下，貢湖灣所有區域TN 質量濃度均超出地表水Ⅲ類水限值（1.0 mg／L），表明秋冬季在風場和引水影響下，貢湖灣存在嚴重TN 污染。同時，25%以上區域TP 質量濃度超出地表水Ⅲ類水限值（0.05 mg／L），其中 C1、C2、D1、D2、D3 區最為明顯，表明此時貢湖灣存在較為嚴重的TP 污染，部分區域（D2）約為地表水Ⅲ類水限值（0.05 mg／L）的 2 倍。 湖區NH3-N 質量濃度較低，所有區域NH3-N 質量濃度均在地表水Ⅲ類水限值（1.0 mg／L）以內。

在工況2 條件下，A 區TN 質量濃度由外環1.654 mg／L分梯度降至內環1.201 mg／L，B1 區TN 質量濃度由外環 1.815 mg／L 分梯度降至內環 1.615 mg／L，B2 區 TN質量濃度由外環 1. 855 mg／L 分梯度降至內環1.632 mg／L。 工況3 條件下各污染物質量濃度分布呈現類似規律。 朱偉等［24］對 2014—2016年“引江濟太”調水典型過程中貢湖灣TP 質量濃度分析表明，TP 質量濃度整體由望虞河入湖口向太湖湖心下降，即貢湖灣南、北兩大污染帶由外環至內環污染物質量濃度呈減小趨勢。

隨著引水流量由 50 m3／s 增大至 100 m3／s，貢湖灣北部A 區污染帶TN≤1.35 mg／L 面積由1 574.35 hm2降至651.77 hm2，在 A 區的面積占比由 26.20%下降至11.06%，其他污染物在A 區也有類似規律。 結合圖7（圖中“*”表示流量100 m3／s，其他為流量50 m3／s）不同質量濃度污染物面積占比情況，整體上高濃度區域面積增大，低濃度區域面積減小。 B1 區 TN 質量濃度1.50～1.65 mg／L占比由 16.46%減小至 4.90%，1.65 ～1.80 mg／L占比由39.79%減小至29.62%，1.80～1.95 mg／L占比由43.75%減少至32.80%，新增了面積為336.61 hm2的 1.95 ～ 2.10 mg／L質量濃度帶和面積為 7.98 hm2的2.10～2.25 mg／L 質量濃度帶；D2 區 TN 質量濃度 2.70 ～2.85 mg／L占比由21.49%增大至33.52%，2.85～3.00 mg／L占比由7.47%增大至10.49%。 TP、NH3-N 也存在類似現象。 可見，在風生流和吞吐流共同作用下，吞吐流量增大導致污染物質量濃度較大區域比例增大，質量濃度較小區域比例減小。 2018年秋冬季望虞河水質劣于貢湖灣的，在引水流量增大的同時，入湖污染物通量也增大，部分區域污染物質量濃度相應增大，這與姚俊等［25］的研究結果一致。

圖7 各區域不同質量濃度污染物面積比例

3 結 論

風生流和吞吐流是形成貢湖灣湖泊流場的主要形式。 基于MIKE21 建立了貢湖灣二維水動力-水質耦合模型，研究了風生流、吞吐流共同作用下貢湖灣的水動力環流規律及流速分布情況，并在此基礎上分區定量分析了污染物分布特征。 結果表明：風生流主要影響湖區整體水動力流場特征，吞吐流主要影響湖區污染物濃度分布，對水動力場的影響僅局限于望虞河入湖口區域。 秋冬季在風生流和吞吐流共同作用下，貢湖灣呈現北部逆時針環流、南部順時針環流的水動力特征，且沿岸流的形成使岸邊流速更快。 在風生流和吞吐流共同作用下，貢湖灣污染物質量濃度呈現南部高、北部低的特征，不同區域污染物質量濃度分布存在空間差異。 秋冬季節形成的環流是影響其東部至南部沿岸濃度高于其他區域的重要因素，并且受大貢山、小貢山地形阻擋的協同影響，環流間隙出現兩個污染物滯留帶。 秋冬季節貢湖灣污染物以TN 和TP 為主，且大部分區域超過地表水Ⅲ類水限值，應予以關注。秋冬季節水質相對較好的貢湖灣接受水質相對較差的望虞河水，隨著引水流量的增大，污染物高質量濃度區域面積增大，低質量濃度區域面積減小，湖區水質變差。 因此需要調整“引江濟太”時段，避免引入污染負荷較高的河水，造成湖區污染物質量濃度局部升高。