风生流和吞吐流共同作用对湖泊环流的影响及污染带特征

倘佳舟，李翠梅，肖昭文，张绍广，秦高峰，金国裕

（1.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009； 2.中建八局 第三建设有限公司，江苏 南京 210046； 3.中水科水利环境研究院（苏州）有限公司，江苏 苏州 215300；4.昆山市水务集团有限公司，江苏 苏州 215347）

湖泊环流是影响区域内水流结构和水质状况的重要因素。 湖泊环流按其成因可分为风对水面的切应力引起的风生流［1］、湖水与河流水体交换引起的吞吐流［2］、水面温度差引起的密度流［3］3 种。 风生流在太湖分布较广泛，平均流速量级为10-2m／s，普遍存在于太湖各区域；受汛期和地形影响，吞吐流在太湖南部与西部分布较广，平均流速量级为10-3m／s；密度流一般在海洋及深水河湖中分布较广，而太湖为典型的浅水湖泊，密度流的影响可忽略不计。 因此太湖环流主要为风生流和吞吐流［4-6］。

近年来，众多学者对太湖水动力流场及各流场影响下的水质状况进行了研究，取得了许多成果。 舒叶华等［7］发现，在定常风影响下，太湖北部湖湾区存在数个小尺度环流，为污染物的聚集创造了条件。 胥瑞晨等［8］提出影响水体交换的主要因素为流量，不同风向下太湖水体交换区域存在空间差异。 施媛媛等［9］研究发现，湖湾区沉积物中的溶解态磷更容易受风浪扰动而释放。 林怡雯等［10］研究指出，生物活性降低和动植物残体的分解是导致冬季枯水期金墅港、渔洋山营养盐浓度偏高的原因。 太湖流域望虞河西岸在2017—2019年存在污染负荷波动的情况［11-13］，“引江济太”工程近年来是否仍然对太湖地区水质改善起到明显效果目前尚无定论。 匡翠萍等［14］研究表明，在3 m／s东南风条件下，望虞河输入流量越大，污染物应急去除效果越好。

本文以太湖风生流和吞吐流两种流态共同存在的典型区域贡湖湾为例，基于MIKE21 水动力模型，根据实际水位、地形和风场数据以及实测水质情况，构建太湖贡湖湾二维水动力-水质耦合模型，综合考虑风场和调水引流工程对贡湖湾环流的影响，对贡湖湾湖区的污染带分布特征进行分析，以期为“引江济太”工程的管理与调度提供科学依据。

1 研究区域及方法

1.1 研究区域概况

贡湖湾位于太湖东北部，地处苏州与无锡交界处，长约19 km，宽约8 km，面积约163.8 km2，常水位下水深1.89 m。 贡湖湾位于亚热带季风气候区，年平均气温为 16 ℃，年降水量 1 100～1 150 mm。 4—8月，受热带海洋气团影响，湖区温和多雨，以东南风为主；10月至次年2月，受北方高压气团控制，湖区寒冷干燥，以东北风或西北风为主［15］。

随着太湖“引江济太”工程实施，流域水资源供需矛盾得到一定程度缓解，2007—2014年望虞河起到了很好的入湖水位调蓄、水质改善作用，但近年来水质存在波动［16］，而每年“引江济太”时间段不固定，因此存在太湖流域污染负荷增大的可能性。

1.2 模型构建及率定验证

（1）模型构建。 MIKE21 模型由丹麦水利研究所研发，采用二维有限元法划分非结构性网格，在空间上采用中心有限体积法对控制方程进行离散，在时间上采用显式积分求解，被广泛应用于河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙、环境的模拟研究，能够动态模拟二维水动力环流与污染物扩散情况。 笔者将MIKE21 模型应用于贡湖湾水动力-水质数值模拟。 以贡湖湾湖岸线为闭合边界，贡湖湾与太湖湖心主水体交界处为开边界，共划分非结构化三角形网格7 770 个，节点 4 052 个，内角 10°～130°，相邻有限元面积比0.5 ～2.0，任意两个网格单元最大坡度小于10%，见图1。

图1 贡湖湾区域概化

入湖边界为东部沿岸的4 条河流（蠡河、大溪港、望虞河、金墅港），出湖边界与开边界相同。 蠡河、大溪港、金墅港3 条支流流量变化不大，2018年平均流速分别为 0.5、0.3、0.8 m／s，作为常值输入；望虞河流量变化较大，分为50、100 m3／s 两种典型引水流量输入贡湖湾（数据来源于水利部太湖流域管理局网站http：／／www.tba.gov.cn／）。 初始水位为 2018年太湖实测平均水位（3.14 m）。 由于湖区内存在涨落潮现象，流速随时间、空间变化较大，因此初始流速设定为0。模拟时间与“引江济太”时间一致，为2018年10月23日至 12月 3 日，共 42 d，时间步长取 80 s。 风向与风速取模拟时间段内盛行风向（北东）和最高频率风速（5 m／s）。

选取贡湖湾主要污染因子总氮、总磷、氨氮［17-18］作为污染物指标进行水质分析，污染物初始质量浓度见表1，贡湖湾湖区及各支流污染物质量浓度采用2018年实测数据的平均值。

表1 研究区污染物初始质量浓度 mg／L

（2）模型率定与验证。 风应力拖曳系数为1.8×10-6，河床底部拖曳系数为32，收敛条件判断数（CFL 数）为0.75，涡黏系数为0.28，干水深、淹没水深、湿水深分别为0.006、0.050、0.120 m。 污染物水平扩散系数为 2 m2／s，总氮、总磷、氨氮降解系数分别取 0.01、0.02、0.04。

模型水动力参数选取2018年10月至12月的平均水位及流速数据进行验证，见图2。 水位、流速模拟值与实测值吻合程度较高，平均相对误差分别为0.34%、3.1%，能较好反映研究区实际情况。 选取贡湖湾6 个监测点（WQ1 ～WQ6）作为水质验证点，见图1（b）。 模拟时长共 42 d，取前 10 d 的实测总氮、总磷、氨氮质量浓度代入模型进行验证，模型水质验证结果见图3。 10 d 内6 个采样点的模拟值与实测值平均相对误差约为12%，在模型可以接受范围内。

图2 模型水动力验证（2018年）

图3 模型水质验证

（3）计算方案。 为确定风生流和吞吐流共同作用对贡湖湾环流的影响，共设计3 种工况进行计算，其中工况1 仅有风生流作用，工况2、工况3 为风生流和吞吐流共同作用，望虞河引水流量分别为50、100 m3／s，见表2。

表2 模型计算方案

2 结果与讨论

2.1 水动力结果讨论

将不同工况引水流量代入模型进行计算，得到的不同条件下贡湖湾二维流场见图4。 由图4（a）可知，在仅有北东风场的风生流作用下（工况1），贡湖湾流场北部为逆时针环流、南部为顺时针环流，这与姜加虎［19］的研究结果相符。 风浪受地形阻挡引起波浪反射与叠加效应［6，19］，岸边形成沿岸流，流速（0.036～0.050 m／s）明显高于湖区其他部位的（0.008～0.012 m／s），这与李一平等［20］的研究结果一致。 由图 4（b）、图 4（c）可知，在风生流和吞吐流共同作用下，贡湖湾流场呈现与工况1 类似的环流，3 个流场的环流方向、数量、位置没有发生改变，工况2、工况3 岸边与湖心的平均流速没有发生显著变化（岸边 0.03 ～ 0.05 m／s，湖心 0.01 ～ 0.02 m／s），说明影响贡湖湾流场分布的主要因素是风的驱动，主导贡湖湾流场整体分布的是风生流，这与周杰源等［4，21］的研究结果一致。

图4 贡湖湾流场分布

望虞河入湖口处，工况2、工况3 风生流和吞吐流共同作用下的流速（0.130、0.200 m／s）远大于仅有风生流作用下的流速（0.012 m／s）。 姜恒志等［22］研究表明，太湖吞吐流对其水流结构的影响不大，但在一定程度上影响出入口处局部区域流态。 “引江济太”工程望虞河引水流量为 50 ～ 100 m3／s， 秋冬季北东风作用下，贡湖湾吞吐流对流场的改变是有限的，影响区域主要集中在北部望虞河入湖口区域。

2.2 水质结果讨论

工况2、工况3 条件下贡湖湾总氮、总磷、氨氮质量浓度分布见图5，可以看出，TN、TP、NH3-N 污染带分布规律相似。 为方便水质分析，根据污染物质量浓度分布，分区讨论研究区水质状况，见图6。 由图5 可以看出，A 区污染物质量浓度整体低于B1、B2 区的，沿岸污染带D2、D3 区污染物质量浓度明显高于贡湖湾其他区域的，其中D2 区最高。 入湖口处流速较大，望虞河引水入贡湖湾后主要受南部顺时针环流影响，而沿岸流的流速大于湖区其他区域的，污染物顺东部至南部沿岸向下游输移扩散。 总体而言，贡湖湾北部区域的污染情况较南部区域轻微，污染物质量浓度较高区域出现在东部至南部沿岸一带（D2、D3 区）。

图5 工况2、工况3 贡湖湾污染物质量浓度（单位：mg／L）

图6 贡湖湾水质模型结果分区

在南北环流间隙存在两个污染物滞留带（C1 区、C2 区），C1、C2 区污染物质量浓度较其周围 A、B1、B2区的更高。 根据逄勇等［23］太湖风生流辐散区与辐合区理论，以及贡湖湾北部逆时针环流、南部顺时针环流的水动力特征，中间地带污染物在沿环流边界扩散过程中，受南、北两大环流挤压作用，以及大贡山、小贡山的地形阻挡，出现污染物堆积、滞留。

工况2 和工况3 条件下，贡湖湾所有区域TN 质量浓度均超出地表水Ⅲ类水限值（1.0 mg／L），表明秋冬季在风场和引水影响下，贡湖湾存在严重TN 污染。同时，25%以上区域TP 质量浓度超出地表水Ⅲ类水限值（0.05 mg／L），其中 C1、C2、D1、D2、D3 区最为明显，表明此时贡湖湾存在较为严重的TP 污染，部分区域（D2）约为地表水Ⅲ类水限值（0.05 mg／L）的 2 倍。 湖区NH3-N 质量浓度较低，所有区域NH3-N 质量浓度均在地表水Ⅲ类水限值（1.0 mg／L）以内。

在工况2 条件下，A 区TN 质量浓度由外环1.654 mg／L分梯度降至内环1.201 mg／L，B1 区TN 质量浓度由外环 1.815 mg／L 分梯度降至内环 1.615 mg／L，B2 区 TN质量浓度由外环 1. 855 mg／L 分梯度降至内环1.632 mg／L。 工况3 条件下各污染物质量浓度分布呈现类似规律。 朱伟等［24］对 2014—2016年“引江济太”调水典型过程中贡湖湾TP 质量浓度分析表明，TP 质量浓度整体由望虞河入湖口向太湖湖心下降，即贡湖湾南、北两大污染带由外环至内环污染物质量浓度呈减小趋势。

随着引水流量由 50 m3／s 增大至 100 m3／s，贡湖湾北部A 区污染带TN≤1.35 mg／L 面积由1 574.35 hm2降至651.77 hm2，在 A 区的面积占比由 26.20%下降至11.06%，其他污染物在A 区也有类似规律。 结合图7（图中“*”表示流量100 m3／s，其他为流量50 m3／s）不同质量浓度污染物面积占比情况，整体上高浓度区域面积增大，低浓度区域面积减小。 B1 区 TN 质量浓度1.50～1.65 mg／L占比由 16.46%减小至 4.90%，1.65 ～1.80 mg／L占比由39.79%减小至29.62%，1.80～1.95 mg／L占比由43.75%减少至32.80%，新增了面积为336.61 hm2的 1.95 ～ 2.10 mg／L质量浓度带和面积为 7.98 hm2的2.10～2.25 mg／L 质量浓度带；D2 区 TN 质量浓度 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 也存在类似现象。 可见，在风生流和吞吐流共同作用下，吞吐流量增大导致污染物质量浓度较大区域比例增大，质量浓度较小区域比例减小。 2018年秋冬季望虞河水质劣于贡湖湾的，在引水流量增大的同时，入湖污染物通量也增大，部分区域污染物质量浓度相应增大，这与姚俊等［25］的研究结果一致。

图7 各区域不同质量浓度污染物面积比例

3 结 论

风生流和吞吐流是形成贡湖湾湖泊流场的主要形式。 基于MIKE21 建立了贡湖湾二维水动力-水质耦合模型，研究了风生流、吞吐流共同作用下贡湖湾的水动力环流规律及流速分布情况，并在此基础上分区定量分析了污染物分布特征。 结果表明：风生流主要影响湖区整体水动力流场特征，吞吐流主要影响湖区污染物浓度分布，对水动力场的影响仅局限于望虞河入湖口区域。 秋冬季在风生流和吞吐流共同作用下，贡湖湾呈现北部逆时针环流、南部顺时针环流的水动力特征，且沿岸流的形成使岸边流速更快。 在风生流和吞吐流共同作用下，贡湖湾污染物质量浓度呈现南部高、北部低的特征，不同区域污染物质量浓度分布存在空间差异。 秋冬季节形成的环流是影响其东部至南部沿岸浓度高于其他区域的重要因素，并且受大贡山、小贡山地形阻挡的协同影响，环流间隙出现两个污染物滞留带。 秋冬季节贡湖湾污染物以TN 和TP 为主，且大部分区域超过地表水Ⅲ类水限值，应予以关注。秋冬季节水质相对较好的贡湖湾接受水质相对较差的望虞河水，随着引水流量的增大，污染物高质量浓度区域面积增大，低质量浓度区域面积减小，湖区水质变差。 因此需要调整“引江济太”时段，避免引入污染负荷较高的河水，造成湖区污染物质量浓度局部升高。