阳澄西湖围堰施工中悬浮物输移扩散数值模拟

汪静娴，孟玉生,逄 勇，徐博文,吴 为

(1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098;2.河海大学环境学院，江苏 南京 210098; 3.甘肃省酒泉市水利科学研究院，甘肃 酒泉 735000;4.江苏汇智工程技术有限公司，江苏 南京 210000)

随着我国经济的迅速发展和城市化建设脚步的加快，涉水工程项目日渐增加，同时带来了很多环境问题，局部水域悬浮物浓度升高就是其中之一[1]。从20世纪50年代起，一些学者对涉水工程造成的悬浮物对水生态环境的影响进行了研究，发现悬浮物会造成水中溶解氧降低、水体浑浊，对水生动物的生长、繁殖及行为等产生负面影响[2-3]，严重时致死[4]。

近年来，应用数学模型方法研究涉水工程引起的悬浮物及其他水体污染已逐渐成为关注的焦点，如计红等[5]以概率统计法为基础建立悬浮物输移扩散模型模拟河道多点疏浚工程产生的悬浮物对水环境的时空影响；辛小康等[6]采用泥沙模型预测河道疏浚施工对水体悬浮物质量浓度影响；贾怡然等[7]建立了近海悬浮物二维输移扩散数值模型，预测模拟港池疏浚过程中悬浮物的输移扩散对海域环境的影响；赵迎春等[8]采用平面二维数值模型MIKE21FM,预测港口建设工程产生的悬浮泥沙输移扩散对海洋环境的影响；崔雷等[9]利用物质输运数值模型和二维浅水水动力的耦合模型模拟了填海工程产生的悬浮物输移扩散海域环境的影响。上述研究主要集中在海洋或河道工程上，目前对于湖泊水体的研究尚不多见。由于湖泊水体平面形态相对闭合，水流缓慢，易受风浪影响[10]，并受四周陆地生态环境和社会经济条件制约，因而与更新期短且稀释自净能力强的河流和受潮汐作用、洋流涌动影响的海洋相比，湖泊的动力过程、化学过程及生物过程均具有明显的个性和地区性的特点[11]，湖泊生态系统对环境干扰特别敏感，故以上研究结论并不适用。我国对工程建设跨越生态敏感区域、水源保护区的研究较少，多侧重于水利水电工程建设方面的环保研究，如三峡工程、南水北调项目、引江济太等[12]。科学回答工程建设对生态敏感水域的影响程度，才能最大程度地避免环境事故，减少环境风险。本文通过建立二维湖泊水动力模型对阳澄西湖隧道工程建设前后湖体的水文动力变化及围堰施工产生的悬浮泥沙输移扩散进行模拟，预测施工过程中悬浮物对阳澄西湖水环境的影响，旨在为围堰施工引起的悬浮物水污染控制研究和管理提供参考。

1 研究区概况

阳澄湖位于苏州相城区、工业园区和昆山市交界处(31°21′N～31°30′N，120°39′E～120°51′E)，是苏州及周边区域的第二水源地，也是水生生物苗种放养、大闸蟹繁殖、湿地及物种资源库的区域，水域功能显著[13]。该地区春夏季多东南风，秋冬季多西北风。阳澄湖属于输入型污染湖泊，受内源污染和外源污染的共同影响，处于轻度富营养化状态[14]。阳澄湖形不规则，湖中有两条带状圩埂纵贯南北，将湖分割为东湖、中湖、西湖3部分，合计总面积118.93 km2[15]，其中阳澄西湖面积32.30 km2。阳澄湖底地形略有起伏，西湖湖底倾斜较大，实测水深在5m左右，平均水深2.65 m。

阳澄湖隧道工程在支线、主线段以路基、桥梁和隧道形式穿越阳澄湖(相城区)重要湿地二级管控区，穿越里程共计4 210 m，最近距离阳澄湖(相城区)重要湿地一级管控区3.6 km，所在区域水网众多，水系发达，水生生物资源丰富，水产养殖业发达。工程拟分两期进行施工，一期围堰为湖域北段钢板桩围堰，总长度1 710 m，二期围堰位于湖域南段和北段盾构井位置，总长度1 828 m(部分与一期重叠)，施工位置见图1。

图1 阳澄西湖隧道工程位置

2 研究方法

浅水湖泊流场主要是由风场作用引起的[16-17]，故确定模型计算条件并确定悬浮物设计水文条件、风况及设计情景[18]。本研究在水动力模拟验证正确的基础上，建立阳澄湖悬浮物模型，对悬浮物产生位置、范围及浓度、扩散路径等进行模拟预测，并评价阳澄西湖水域围堰施工所产生的悬浮物的影响。

2.1 阳澄湖二维水动力模型的构建

将整个阳澄湖水域作为模拟区域，采用非结构网格(三角形)对模拟区域进行剖分。由于本研究重点关注围堰施工区及其所在的阳澄西湖西南部，因此围堰施工区所在的阳澄西湖网格分辨率约为 100 m，其余水域网格分辨率约为350 m。按照此划分原则，将全湖剖分为2 153个计算网格，湖底地形及网格剖分如图2所示。

图2 阳澄湖湖底地形及网格剖分

利用2016年1—6月阳澄湖湘城水文站实测逐日平均水位资料采用试错法进行率定[19]，同时使用2016年7—12月的水位资料进行验证。根据率定得到阳澄湖水域糙率系数为0.02～0.03，风拖曳系数为0.001～0.001 5。率定点水位的计算值与实测值对比见图3(a)，模型计算结果的水位相对误差最大为5.8%，误差基本满足水位要求。

而通过对湘城站水位的验证，水位验证结果如图3(b)所示。计算水位值与实测值吻合较好，误差基本满足要求。上述率定验证结论说明水动力模块参数设置合理，模型稳定性好，能够模拟阳澄湖的水流特性。

2.2 阳澄湖悬浮物模型的构建

2.2.1模型参数选取

根据收集的阳澄湖相关资料及参考其他二维湖泊模型，对建立的水环境数学模型参数进行调试，悬浮物模型的基本参数取值如下：悬浮物沉降速度为0.021 m/s，临街淤积切应力和侵蚀剪切力分别为0.02 Pa和0.06 Pa，河床密度为180 kg/m3，床面糙率为0.02 m，水平扩散系数为1 m2/s。本文主要研究施工引起的湖区悬浮物浓度变化，因此悬浮物浓度的本底值取0。考虑各种条件以及围堰工程对阳澄西湖悬浮物的影响，模拟不同风向和5 m/s风速时，不同施工工况下阳澄西湖悬浮物的浓度变化情况。

2.2.2情景设计

围堰施工期的主要影响为围堰拆除、抽排水时扰动水体造成的悬浮物浓度增高。隧道施工围堰拆除时，因挖泥机施工对泥土、水体的搅动与混合所产生的悬浮物源强在围堰最后拆除钢板时瞬间释放，水体中悬浮物浓度增加，污水量为围堰内全部水量，悬浮物质量浓度为2.8 kg/m3。围堰抽排水时则由于泵的抽吸对围堰内底部淤泥的扰动，按底泥被全部搅起产生悬浮物的情况计算，悬浮物的质量浓度为3 kg/m3。

(a) 率定结果

气象情景考虑模拟4种风向(东北风、东南风、西北风和西南风)和多年平均风速5 m/s，根据施工情况设计了两种情景：①情景a，一期围堰建成后，围堰正在进行抽排水作业；②情景b，一期围堰拆除，二期围堰进行建设作业。

3 结果与讨论

3.1 不同风向的流场分布

一二期围堰施工对流场影响区别不大，对施工前和一期围堰施工后的流场进行分析，模拟结果见图4。由图4可以看出：①围堰施工前后，在东北风和东南风的条件下，流场在围堰施工所在流域内北侧有一较大的逆时针环流，南侧为顺时针环流；西北风和西南风时，北侧环流则为顺时针方向，南侧为逆时针方向；②受阳澄西湖南湾的岸线影响，流域边界位置流速较大，流域中心流速相对较小，且东北风和西南风时的流速整体大于东南风和西北风时的流速，这主要是因为东南风和西北风时风生流场受南湾岸线限制影响；③围堰施工后，围堰对水流的阻挡作用会使围堰东西两侧局部流速有所增大，但隧道围堰施工前后阳澄西湖南湾的流场分布情况变化不明显。模拟结果表明，隧道围堰建成对阳澄西湖南湾整体的流场影响不大，围堰附近流场的流速略微增大。

(a) 东北风(施工前)

3.2 不同风向的悬浮物质量浓度

图5和图6分别为两种施工情景下连续2 d的悬浮物不同风向的质量浓度增量场。由图5可知，情景a中东北风时悬浮物自产生起从围堰南侧主要向西南角扩散，16 h时质量浓度大于60 mg/L的面积为0.03 km2，中心区域质量浓度逐渐消散，且48 h时质量浓度已降至20 mg/L以下；东南风时悬浮物从围堰南侧向东北扩散并在围堰右侧形成堆积，16 h时质量浓度大于60 mg/L的面积为0.03 km2，随着时间推移悬浮物逐渐消散，至48 h时质量浓度降至20 mg/L以下；西南风时悬浮物主要向西南扩散并在西南角堆积，16 h时质量浓度大于 60 mg/L 的面积为0.05 km2，随着时间推移悬浮物逐渐消散，至48 h时质量浓度已降至 20 mg/L 以下；西北风时悬浮物向西北扩散，至围堰左侧后又逐渐按环流方向朝西南角扩散，16 h时质量浓度大于60 mg/L的面积为0.07 km2，随着时间推移悬浮物逐渐消散，至48 h时悬浮物质量浓度降至 30 mg/L 以下。由上可知悬浮物的消散速度从大到小顺序为东北风、东南风、西南风、西北风，其中东北风与东南风时中心区域悬浮物质量浓度较低且大于60 mg/L的面积较小，西北风时中心区域悬浮物质量浓度最高，且大于60 mg/L的面积最大。

由图6可知，情景b中东北风时悬浮物从围堰北侧主要向东北角扩散，8 h时质量浓度大于 60 mg/L 的面积为0.02 km2，之后中心区域悬浮物逐渐消散且28 h时悬浮物已全部沉降；东南风时悬浮物向北扩散并在北侧的盾构井附近堆积，8 h时悬浮物质量浓度大于60 mg/L的面积为0.1 km2，之后悬浮物逐渐消散，但28 h时中心区域悬浮物质量浓度仍达到60 mg/L；西南风时悬浮物先向西北扩散再分别向西南和东北扩散，8 h时悬浮物质量浓度大于60 mg/L的面积为0.04 km2，随着时间推移悬浮物逐渐消散，至28 h时悬浮物质量浓度已降至 20 mg/L 以下；西北风时悬浮物向西南扩散至堆积围堰右侧后继续扩散，8 h时悬浮物质量浓度大于60 mg/L的面积为0.05 km2，随着时间推移悬浮物逐渐消散，至28 h时悬浮物质量浓度已降至 20 mg/L 以下。可见，悬浮物的消散速度从大到小顺序为东北风、西北风、西南风、东南风，其中东北风时中心区域悬浮物质量浓度较低且大于60 mg/L的面积较小，东南风时中心区域悬浮物质量浓度最高且大于60 mg/L的面积最大。

由图5与图6对比可知，情景a产生的悬浮物所需要的消散时间长于情景b，且情景a的悬浮物质量浓度和污染面积大于情景b。

模拟结果表明，围堰抽排水引起的悬浮物影响大于围堰拆除所引起的悬浮物影响。另外，东北风为最有利条件，抽排水和围堰拆除扰动水体所造成的悬浮物质量浓度最低，扩散范围最小，且悬浮物消散速度最快。抽排水和围堰拆除的最不利风向分别是西北风和东南风，这主要是因为东北风时流速较大且情景a中悬浮物产生处流向为西南向，情景b为东北向，悬浮物随流场扩散，路径不受岸线影响，故悬浮物消散速度快且不易堆积。而西北风下抽排水时，悬浮物产生处有一逆时针环流且流速较小，故悬浮物易在围堰附近堆积，中心点处质量浓度较高且大于 60 mg/L 的面积较大，消散速度也较慢；东南风下围堰拆除时，悬浮物产生处流向为西北向且流速较小，悬浮物受北侧盾构井的阻挡而堆积，故中心区域悬浮物质量浓度高且消散速度慢。当悬浮物质量浓度高于60 mg/L时(60 mg/L为浮游动物的半致死质量浓度[20])，会增加浮游动物的死亡率，对阳澄西湖水环境造成不利影响。由于阳澄西湖所在地区春夏季多东南风，秋冬季多西北风，根据上述模拟结果，情景a建议在春夏季施工，情景b建议在秋冬季施工，以减少工程产生的悬浮物对阳澄西湖南湾水环境的影响。

(a) 东北风(16 h)

(a) 东北风(8 h)

本文模拟得到阳澄西湖围堰施工所产生的悬浮物质量浓度增量为10～180 mg/L，大于60 mg/L的影响范围最大为0.1 km2。与同类其他围堰工程所产生的悬浮物质量浓度增量和最大影响范围的研究成果对比，蒋红等[21]通过二维非稳态水动力模型对湛江港围堰施工产生的悬浮物进行研究，预测悬浮物质量浓度增量为10～400 mg/L，大于10 mg/L的影响范围为0.353 km2；崔雷等[9]通过耦合二维浅水动力模型对唐山海域抛石围堰施工产生的悬浮物进行研究，预测悬浮物质量浓度增量为10～150 mg/L，大于 50 mg/L 的影响范围为0.263 km2，模拟成果与本文结果虽略有差别，但基本上是一致的。

4 结 论

a. 围堰抽排水引起的悬浮物影响时间明显长于围堰施工及拆除所引起的悬浮物影响，围堰抽排水引起的悬浮物消散时间达48 h，围堰施工及拆除引起的悬浮物消散时间约为28 h。

b. 不同风向条件下，受流场影响，悬浮物质量浓度面积和消散时间不同。抽排水和围堰拆建时的最有利风向为东北风，悬浮物高质量浓度面积分别 0.03 km2和0.02 km2，消散时间分别为40 h和16 h；最不利风向则是西北风和东南风，西北风条件下抽排水时的悬浮物高质量浓度面积为0.07 km2且消散时间超过48 h，东南风条件下围堰拆除时的悬浮物高质量浓度面积为0.1 km2且消散时间超过28 h。

c. 在施工期间内，一期围堰抽排水建议在春夏季施工，围堰拆除建议在秋冬季施工，以减少对阳澄西湖南湾环境的不利影响。