望虞河引水工程对贡湖湾水质及主要取水口总磷的影响

杨 显

(河海大学力学与材料学院，江苏南京 211100)

太湖蓝藻水华现象频发，水体富营养化问题长期存在，与其水体中含有的氮、磷等营养盐密切相关。研究表明，总磷(TP)是导致太湖富营养化加剧并最终引起蓝藻暴发的关键环境因子[1]。太湖北部存在三大湖湾，从西往东依次为竺山湖、梅梁湖、贡湖。当前，这些湖湾均因水体交换不畅而成为太湖污染较为严重的地区[2]。根据梅梁湖和贡湖2013年-2017年逐月的TP监测资料，总体上梅梁湾的TP浓度要高于贡湖湾，水质比贡湖差。

梅梁湖TP高于贡湖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始终高于贡湖。10月-12月，太湖地区常刮冬季风，风向以偏北风居多[3]。北风作用下，受环流[4]的影响(图1)，梅梁湖的水体流入贡湖，导致贡湖TP升高，贡湖内重要取水口(图2)水质恶化。

图1 北风流场Fig.1 Flow Field of North Wind

图2 主要研究位置Fig.2 Main Research Location

为了解决贡湖湾的水质问题，本文采取数值模拟的方法，通过建立二维的水动力-水质模型，对太湖的流场、TP浓度的时空分布进行模拟。通过望虞河不同的引排水方案，对比其对贡湖湾TP分布的影响，分析引水活动对贡湖湾及湾内重要取水口处水质的积极作用。本文可为太湖引调水工程在改善水质方面提供理论依据和参考方案。

1 研究区域与研究方法

将太湖分为5 943个网格，研究区域为东北方位的贡湖，并通过环太湖的主干河流之一——望虞河，对其进行引水。模型为水平二维水动力-水质数值计算模型，适用于浅水水体的水流及水质模拟。模型应用守恒的二维非恒定流浅水方程组描述水流流动，并用二维对流-扩散方程描述污染物的输运扩散，应用有限体积法及黎曼近似解对耦合方程组进行数值求解，从而模拟水体的水流过程和相应的污染物输运扩散过程。

具体而言，首先，根据计算区域的天然地形，用无结构网格使计算区域离散化。然后，逐时段地用有限体积法对每一单元建立水量、动量和物质守恒，确保其守恒性，用黎曼近似解计算跨单元的水量、动量和浓度的法向数值通量，保证计算精度。设计Osher、通量向量分裂(FVS)和通量差分裂(FDS)等不同黎曼近似解。模型通过有限体积法的积分离散，并利用通量的坐标旋转不变性，把二维问题转化为一系列局部的一维问题。最后，通过计算机编程进行求解[5]。

2 二维水动力-水质模型

2.1 控制方程

守恒型二维浅水方程与对流扩散方程耦合的矢量表达如式(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向的垂线平均匀流速分量,m/s；

v——y向的垂线平均匀流速分量,m/s；

g——重力加速度,m/s2；

Ci——溶质垂线平均浓度,mg/L；

b(q)为源汇项，矢量表达如式(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，摩阻坡度由曼宁公式估算；

s0y——y向的河底坡度；

sfy——y向的摩阻坡度，摩阻坡度由曼宁公式估算；

Di——扩散系数,m2/s；

μi——溶质降阶系数,s-1；

Si——溶质源汇项,mg·m/(L·s)-1。

此外，这里略去了已在模型中考虑的风力、柯氏力、涡旋等外力[6]。

二维上的对流扩散方程如式(6)。

(6)

其中：h——水深，m；

ux——x方向上的垂线平均流速,m/s；

uy——y方向上的垂线平均流速,m/s；

Dx——x方向上的扩散系数,m2/s；

Dy——y方向上的扩散系数,m2/s；

(7)

TOP的源汇项如式(8)。

(8)

其中：DP1——植物死亡系数,d-1；

apc——磷碳比值；

fop——植物死亡时的有机磷分数；

k83——有机磷的矿化率(20 ℃时),d-1；

θ83——有机磷矿化的温度系数；

T——温度,℃；

KmPc——磷循环中浮游植物的半饱和系数,mg/L；

GP1——植物生长系数,d-1；

vs3——有机物沉降速率,m/d；

fD8——溶解的有机磷分数；

h——水深,m。

表1 WASP 模型水质参数值Tab.1 Parameters of Water Quality Analysis Simulation Program (WASP) Model

2.2 边界条件

边界条件分为两种：水流边界和水质边界。

2.2.1 水流边界

模型中的水流边界分为两种：(1)陆地边界；(2)湿地支流边界。

陆地边界也称作闭边界。如果两单元之间的公共边没有水流通过，则该边称为陆地边界。这类边界设定：uR=-uL，hR=hL。太湖的沿岸除了设置的一些河道出入口外，湖体与陆地的交界均为这种边界，太湖中大大小小的岛屿与湖体之间也是这种边界。

湿地支流边界指模拟区内的湿地或支流入流可以设置在某一单元边上，通常设置为流量或水位。本模型中，贡湖湾东北角与望虞河相连的位置即设为这种边界条件。当模拟通过望虞河进行引调水时，即可自行设定望虞河引水或排水的流量大小。

2.2.2 水质边界

2.3 初始条件

水流初始条件的水位设为h=h0，全湖各处水位相等；流速设为0，即初始时刻为静水条件。

水质初始条件C1～C8每种溶质均需单独设置，以全太湖的平均值为各处溶质的初始浓度。

2.4 求解过程及模型率定

确定基本积分方程及定解条件后，利用散度定理得到离散形式的有限体积法基本方程，最终将问题归结为确定法向通量。法向数值通量可以由解局部一维黎曼问题求得，最后利用离散方程计算各水力变量和浓度。具体计算过程参考文献[5-7]。

用实测资料对模型进行调节和验证。根据2014年1月对贡湖内设置的15个检测点的氮、磷盐的检测数据[8](检测位置如图3所示)，用本模型对贡湖湾内的TP浓度分布进行计算模拟，引水的流量和TP浓度均使用该月实际引水时的实测值，流量为104 m3/s，TP为0.2 mg/L。15个检测点的数值模拟结果如表2所示。

图3 水质检测位置Fig.3 Detection Location of Water Quality

表2 TP率定结果对比Tab.2 Comparison of TP Calibration Results

根据实测值和计算值的对比，湾心轴线的模拟结果较为理想，误差均在15%以内；两岸靠近望虞河入湖口处的模拟结果误差相对较大，为30%～35%。整体而言，贡湖内约90%的水域其TP浓度的模拟结果与真实值的误差控制在20%以内，可以认为此模型能够反映真实情况，具有一定的实用意义。

3 具体方案设计

为了使结论具有实际意义，计算模型的设定基本使用实测数据作为依据。模拟10月-12月的太湖环境，风场选取该时段盛行的北风，风速为3 m/s；计算时段为30 d(720 h)；太湖初始水位为3.1 m；贡湖初始TP平均值为0.073 4 mg/L；梅梁湖初始TP设为高于贡湖，取0.291 mg/L。

依据望虞河的进出流量不同，共设计3种调水方案进行计算。

方案一：闭闸。10月-12月，对望虞河实行过闭闸处理。设计流量为0 m3/s。此方案为对照组。

方案二：排水。2016年10月，对望虞河实施过开闸排水，使水体通过望虞河排出贡湖。设计流量取该月的平均值，为-116.98 m3/s。此方案为对照组。

方案三：引水。设计流量参考冬季望虞河引水活动时的常用流量。设计流量为80 m3/s；设计TP为0.08 mg/L。此方案组为试验组。

引水方案可行性及优越性分析如下。

(1)10月-12月，望虞河水质较好，TP浓度为0.07～0.09 mg/L，最低时可达0.04 mg/L，引水有利于直接降低贡湖湾内TP浓度。

(2)10月-12月，全太湖的水位处于年周期内的下降阶段，适度引水有利于将太湖水位维持在一个稳定的区间。

(3)除2016年外，其余年份在10月-12月均实施过望虞河引水活动，该时段的引水从而更具有历史实践依据。

4 计算结果分析

由于北风的影响，梅梁湾的水体随环流流入贡湖。水体中浓度较高的TP首先会影响贡湖西岸。在方案一中，望虞河入湖口处于闭闸状态，贡湖湾内水体流态为顺时针方向环流，来自梅梁湾的高浓度TP首先会影响贡湖西岸，随后会流经望虞河口并蔓延至东岸(图4)；在方案二中，望虞河的排水作用加快了贡湖西岸水体自西南向东北的流动，使得高浓度TP在西岸附近迅速蔓延(图5)；而方案三中，望虞河的引水作用反向阻碍了高浓度TP沿西岸的蔓延，同时望虞河内的低浓度TP水体也对西岸TP的增长起到一定的抑制作用(图6)。

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

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

贡湖西岸有两处重要的取水口，分别是锡东水厂取水口和贡湖水厂取水口。在3种不同的工况下，两处取水口在30 d内的TP变化情况如图7所示。

锡东水厂取水口距离梅梁湖较远，受到其高浓度TP的影响较小。由图7可知，引水30 d后，锡东水厂的TP由排水时的0.108 mg/L降为0.078 6 mg/L，浓度值下降27.2%，水质维持在Ⅳ类水水平。

贡湖水厂取水口距离梅梁湖较近，受到其高浓度TP的影响较大。若通过望虞河正常排水，则30 d后，贡湖取水口的TP达到0.143 mg/L，为Ⅴ类水。而引水后可使TP变为Ⅳ类水标准的0.086 2 mg/L，下降39.7%。引水期间，降低TP效果最好时，能使TP下降58.7%，有效改善了取水口附近的水质。

图7 取水口TP变化Fig.7 Changes of TP in Water Intakes

5 总结

通过望虞河引水，改善贡湖湾及西岸取水口TP水质的方案具有一定的适用条件。当梅梁湖TP浓度过高，处于劣Ⅴ类标准且盛行偏北风时，贡湖两处取水口的TP问题才有实际意义。当望虞河水质较好且TP浓度较低时，解决方案才实际可行。

望虞河引水活动可以改善贡湖西岸取水口附近的水质，降低TP浓度。引水流量为80 m3/s时，可达到理想的效果，可使取水口处TP由Ⅴ类水变为并维持在Ⅳ类水标准。