基于人工导流的太湖调水清污新思路

陈凯麒，祁昌军，李巍，陶洁

1.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012 2.国家环境保护环境影响评价数值模拟重点实验室，北京 100012 3.水电环境研究院，北京 100012 4.上海勘测设计研究院，上海 200434 5.中国水利水电科学研究院，北京 100038

太湖是长江下游著名的淡水湖，是下游流域水调节和水生态系统的中心，不仅担负着上海、无锡、湖州等大中型城市的城乡供水，还有向下游地区供水并改善河网水质的作用。随着经济社会的迅速发展和人口猛增，太湖流域废污水排放量逐年增加，日益突出的水环境问题导致流域蓝藻水华事件频繁暴发，使生态系统和生物多样性的破坏进程加快[1]。太湖水环境的严重恶化引起了政府和社会各界人士的广泛关注，2001年国务院批复实施了《太湖水污染防治“十五”计划》，2008年又批复了《太湖流域水环境综合治理总体方案》。笔者通过分析总结太湖生态治理措施，提出一种新思路，在太湖内结合清淤、航道疏浚及景观美化工程建设导流堤，以阻隔太湖在风力作用下形成无效的“死”循环系统，有组织地引导、控制水体流动，从而促进湖体的有序水循环，以期大幅度、高效地改善太湖调水清污效果。

1 太湖水质治理回顾

1.1 生态清淤工程

太湖湖区平面分布如图1所示。太湖底泥污染严重，氮、磷、有机碳等呈释放状态，是导致其水质恶化、水体富营养化，湖湾蓝藻爆发、湖泛生成的重要内源。根据2007年《太湖污染底泥疏浚规划》的批复，国家组织相关专家经过大量调查、分析与试验模拟，提出了太湖生态清淤工程初步方案，并于2008年底全面启动该项工程。

图1 太湖湖区平面分布示意Fig.1 Diagram of area distribution in the Taihu Lake

清淤工程实施范围为太湖底泥污染严重、水草分布较少、水生生物多样性不足、蓝藻水华多发的竺山湖，及西部沿岸区、梅梁湖、贡湖和东太湖区，预计总清淤面积122.85 km2，工程量3 597.33万m3。至2012年底，已累计完成清淤面积约106 km2，清淤土方量3 200万m3[2]。目前通过对生态清淤工程的跟踪调研，发现清淤区水环境状况逐步改善，主要污染物浓度呈不同程度的降低，但由于工程复杂、规模巨大，其对水生植物、底栖生物等造成的生态负面影响，不明确的环境经济综合效益，转移底泥的二次污染等问题也一直备受争议[3-9]。

1.2 调水引流工程

调水引流工程主要历经2个过程：1)2002年起实施的引江济太调水实践，即从常熟枢纽抽引长江水经望虞河，再由望亭水利枢纽直接补给太湖；2)2007年的应急调水，即因太湖蓝藻暴发、无锡供水危机等状况，加大引江济太调水量的同时(常熟水利枢纽调水流量从160 m3/s提高到240 m3/s，望亭立交水利枢纽入湖流量从100 m3/s提高到200 m3/s)，启动梅梁湖泵站(设计流量50 m3/s)，抽调太湖水入京杭大运河。通过后续的调水实践，太湖调水逐步形成了“长江—望虞河—贡湖—东太湖—太浦河”和“长江—望虞河—贡湖—梅梁湖”2个由望虞河入湖至梅梁湖泵站(2010年完工的大渲河泵站配套工程，设计流量为50 m3/s)和太浦闸出湖的主要环流格局。

2 太湖典型风况下的流场特性

太湖湖面开阔，水动力学条件以风生流为主，不同风向的风场形成流场差异较大。研究利用数值模拟方法，假设恒定风速为4.0 m/s，不考虑入流和出流，选取东南(SE)、西南(SW)、东北(NE)、西北(NW)4种风况，初步模拟各风况下的太湖流场和流线特性。限于篇幅仅以东南风、东北风风况下的流场和流线图为例(图2)。

图2 不同风况下的流场与流线Fig.2 Flow field and streamline under different wind conditions

由图2可知：1)不同风况下，大致形成西太湖环流系统和湖心区环流系统2个较大环流系统，其范围有所不同。在东南、西南风持续作用下，西太湖环流为顺时针方向，湖心区环流为逆时针方向；竺山湖、梅梁湖、贡湖和东太湖湖湾亦形成局部环流。在东北、西北风持续作用下，湖区和湖湾环流分布大小基本与东南、西南风一致，但流向相反。2)4种风况下，太湖水体在环流边界处速度较大，内部较小，但整体流速均不高，平均流速为0.01～0.02 m/s。

3 太湖调水清淤新思路

3.1 思路的提出

基于人工导流，减少太湖无效闭合环流系统，提高太湖水体交换率的思路，考虑在太湖湖区内结合清淤及航道疏浚工程建设导流堤，阻隔太湖在风力作用下形成大的环流系统，有组织引导、控制水体流动，从而促进湖体的有序水流动循环，以期大幅度、高效地改善太湖调水清污效果。

3.2 导流堤设置原则

根据对不同风向下的太湖流场、流线形态，初步考虑导流堤设置原则为：1)尽量减少对水流交换无效的风生环流；2)尽量引导水流带动流动性差的湖湾水体；3)在主控风向条件下，尽量加强引水与湖水的置换率。

根据现阶段研究成果，初步设想了方案的有效性判据：1)相同时间内，湖内污染物的置换率；2)西太湖环流系统和湖心区环流系统形成时间和范围；3)不同湖区内各污染因子的达标率；4)各湖湾水体交换时间。

随着研究的深入，将继续优化导流堤设置原则，选取最优的有效性判据组合方案。

3.3 方案设置

提出了太湖治污新思路的数值模型试验，为简化工况，突出重点，计算所采用的风况、水质等要素均为假设条件。在该假设条件下，模拟不同导流堤方案对太湖流场和污染物置换率的影响，计算结果不代表对太湖水质的实际改善效果。

太湖调水清污工程效果与风况、水文条件、引水水质、引水流量以及文中提出的工程导流措施有关。

(1) 风况

根据对历年气象资料的统计，可以认为在太湖富营养化的高发期(5—7月)，太湖主导风向为东南风，平均风速为3.5～5.0 m/s[10-14]。选取太湖常年恒定风向东南风和年内变化风向2种风况，风速假定为4.0 m/s。

(2) 初始水位

选取太湖多年平均水位3.11 m为模型试验的初始水位。

(3) 降雨、蒸发

该次模拟不考虑太湖区域的降雨、蒸发。

(4) 引水、供水

太湖主要环湖河道有219条，模型试验主要考虑从长江通过望虞河引水入太湖，从东太湖的太浦河向下游出流，平均调水流量为20～240 m3/s[15]；假定望虞河引流入湖及太浦河出流流量均为200 m3/s，不考虑其他支流汇入。

(5) 水质

假设污染物A在湖区的初始浓度为100 mg/L，且均匀分布；从望虞河引水入太湖的污染物A浓度为0；不考虑其他支流和周边该污染物的汇入。通过数值模拟，计算不同时刻出流带出污染物A的累计量，并与初始状态下湖内污染物A的总量相比，得出不同方案相同时间内污染物A的置换率，分析太湖调水清污效果。

(6) 导流堤方案

初步设计5种导流堤方案，各导流堤方案见表1。通过数值模型试验，研究每种导流堤对太湖引水清污的作用。

表1 导流堤布置方案

注：图中粗实线表示导流堤。

(7) 计算方案

考虑2种风况，风况1为全年恒定风向东南风，风速为4.0 m/s；风况2为按季节变化风向(东南风+东北风+西北风)，风速为4.0 m/s。污染物A在湖区的初始浓度为100 mg/L，计算5种导流堤方案下太湖污染物的置换情况，计算时间为1 a。

3.4 模拟结果

3.4.1 污染物置换率

在水动力模型计算的基础上，构建对流扩散模型，计算污染物A在引水流量为200 m3/s条件下的污染物置换率。模型计算时间为1 a，不考虑污染物的衰减作用。对污染物置换率定义为：

式中，a为污染物置换率，%；Wi为某时段内出流带出污染物A的量，t；W为初始状态下湖内污染物A的总量，t；t为计算时长，h。

太湖导流堤工程对湖内污染物置换率的改善效果见表2和表3。

表2 污染物置换效果(风况1)

注：风况为全年恒定风向东南风，风速为4.0 m/s。

表3 污染物置换效果(风况2)

注：风况为按季节变化风向(东南风+东北风+西北风)，风速为4.0 m/s。

由表2可知，在全年恒定风向东南风作用下，引水流量为200 m3/s时，太湖污染物置换率为75.83%。在湖区设置导流堤后，各导流堤方案对太湖污染物置换率均有一定影响，其中导流堤方案五对太湖污染物置换率的改善相对最明显，污染物置换率提高2.20个百分点，每年可增加污染物交换量约10 437 t。

由表3可知，在季节变化风向(东南风+东北风+西北风)作用下，引水流量为200 m3/s时，太湖污染物置换率为73.90%，比全年恒定东南风下污染物置换率下降1.93个百分点。可见，风作用对太湖水质扩散、输移影响较为突出。在湖区设置导流堤后，相比较于全年恒定风向东南风的计算结果，各导流堤方案对太湖污染物置换率改善效果不理想，除方案五使污染物置换率增加0.71个百分点，年增加污染物交换量约3 374 t外，其余各导流堤方案对太湖污染物置换率都弱于无导流堤方案。

由模型试验可知，方案五在风况1条件下的污染物置换效果相对较好，以下重点对风况1下方案五和方案一全湖及各分湖区污染物剩余率(某时间段内湖内剩余污染物总量与初始状态时湖内污染物总量的比)变化进行对比分析。结果见图3(恒定风向东南风)。

注：风向东南风。图3 湖内污染物剩余率随时间的变化Fig.3 The curve of contaminants remaining in the lake changes with time

由图3可知，从全湖看，导流堤方案五总体污染物置换率大于无导流堤方案；在恒定东南风向条件下，导流堤方案五污染物剩余量曲线低于无导流堤方案，污染物置换率也较之快些。从各湖区来看，梅梁湖和贡湖导流堤方案五污染物置换率高于无导流堤方案；竺山湖在计算时间前130 d内导流堤方案五污染物置换率低于无导流堤方案，130 d后导流堤方案五污染物置换率高于无导流堤方案；由于模型计算出口位于东太湖，为水质交换路径末端，相比于导流堤方案五，无导流堤方案污染物置换率要高些。总体上，导流堤方案五对太湖污染物置换率有所改善，对各湖区的改善效果受风作用和导流堤位置影响明显。

3.4.2 流场变化

由于数值试验的方案较多，限于篇幅只给出对太湖污染物置换率的改善相对最明显的导流堤方案五的流场变化(图4)。由图4可以看出，导流堤方案五对太湖环流系统影响明显，西太湖环流系统和湖心区环流系统在导流堤的作用下，环流系统范围变小；在风向西北风下，湖心区的大环流变为数个小环流；不同风况下，西太湖靠岸环流系统范围仍然较大，说明导流堤方案还需进一步优化、调整。

图4 导流堤方案五流场图、流线图Fig.4 Figures of flow field and streamline under dike scheme 5

4 结语

提出了太湖污染治理的新思路，即在太湖内结合清淤、航道疏浚及景观美化工程建设导流堤，以阻隔太湖在风力作用下形成无效的“死”循环系统，有组织地引导、控制水体流动，从而促进湖体的有序水循环，大幅度、高效地改善太湖调水清污效果。

研究表明：1)风是太湖环流运动的主要驱动力，环流作用对太湖水质输移和空间分布起到关键作用；2)在太湖配合引水工程建导流堤，对促进太湖污染物置换有较大的改善作用，导流堤方案五对太湖污染物置换率的改善相对最明显，污染物置换率有明显提高；3)从目前设置的导流堤方案效果来看，虽然每年能增加的污染物交换量相对有限，但其显示的结果是积极的、值得进一步探讨的，不失为一种治理太湖水环境的新思路。

作为一种太湖调水清污的研究思路，在假设条件下，利用数值模拟手段对导流堤的布置及效果进行了探讨，对导流堤的分布形式、位置、长度等还需要结合太湖多年实测风况、水质等资料进行进一步的优化比选研究。从社会、经济和环保效益上考虑，下一步应结合太湖清淤、航运、防洪、景观生态和旅游等需求，以及工程造价和安全性等方面开展综合研究、统筹考虑，优化导流堤方案设计，使之适应于不同风况条件并满足工程设计要求。

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