劉曉東,胡功宇,周媛媛,涂琦樂(lè),鄭孝宇

(1.淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098; 3.長(zhǎng)江水利委員會(huì)荊江水文水資源勘測(cè)局,湖北 荊州 434002)

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暴雨徑流對(duì)五里湖水質(zhì)的影響

劉曉東1,2,胡功宇3,周媛媛2,涂琦樂(lè)2,鄭孝宇2

(1.淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098; 3.長(zhǎng)江水利委員會(huì)荊江水文水資源勘測(cè)局,湖北 荊州 434002)

針對(duì)五里湖曲折不規(guī)則邊界,采用四邊形網(wǎng)格擬合,構(gòu)建了基于四邊形網(wǎng)格的平面二維通量向量分裂(FVS)格式水量水質(zhì)耦合模型,并進(jìn)行了模型驗(yàn)證。利用該模型模擬了設(shè)計(jì)暴雨徑流對(duì)五里湖水質(zhì)影響的動(dòng)態(tài)過(guò)程,分析東西五里湖寶界橋斷面CODMn、NH3-N、TP和TN的交換通量。結(jié)果表明:在設(shè)計(jì)典型暴雨條件下,罵蠡港大流量的進(jìn)水對(duì)西五里湖的水質(zhì)有較大影響,設(shè)計(jì)暴雨發(fā)生3 d后,徑流污水開(kāi)始影響到西五里湖,在第4天后水質(zhì)濃度達(dá)到峰值,使部分湖區(qū)水質(zhì)由Ⅲ類(lèi)變?yōu)棰纛?lèi),但持續(xù)時(shí)間較短,此后濃度迅速減小。

暴雨徑流;五里湖;二維水流水質(zhì)耦合模型;四邊形網(wǎng)格;CODMn

五里湖位于江蘇省無(wú)錫市境內(nèi),是太湖北部的一個(gè)內(nèi)湖,為典型的平原淺水湖泊,湖泊東西長(zhǎng)約6 km,南北寬0.3～1.5 km,平均水深約1.8 m,面積約為5.4 km2,沿線(xiàn)支流眾多,主要有罵蠡港、梁塘河、梁溪河、長(zhǎng)廣溪等河道(圖1)。近年來(lái),太湖富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重,尤其是五里湖,成為太湖流域水質(zhì)最差的水域,CODMn、TP、TN等水質(zhì)指標(biāo)均為劣V類(lèi),藻類(lèi)頻繁暴發(fā)。加之五里湖水體流動(dòng)緩慢、稀釋自?xún)裟芰Σ? 湖體面積小、流程短;同時(shí)清淤后湖底地形比較平坦,五里湖流態(tài)相對(duì)單一,很容易受到進(jìn)出湖吞吐流的影響,造成五里湖水環(huán)境嚴(yán)重惡化[1]。

圖1 五里湖區(qū)域

近年來(lái),我國(guó)對(duì)五里湖和大太湖的水動(dòng)力和水質(zhì)數(shù)值模擬陸續(xù)開(kāi)展了不少研究工作。例如,中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所重點(diǎn)研究了梅梁湖泵站不同調(diào)水流量和不同出流方式下五里湖水環(huán)境的變化[2];田向榮等[3]以改善梅梁湖、五里湖水環(huán)境為目標(biāo),重點(diǎn)分析了調(diào)水的敏感影響因子對(duì)梅梁湖、五里湖水環(huán)境改善效果的影響;丁玲等[4]建立了五里湖二維水流水質(zhì)耦合模型,并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定,應(yīng)用該模型模擬五里湖在不同計(jì)算工況下的CODMn濃度,分析調(diào)貢湖水入五里湖時(shí)五里湖水質(zhì)的改善狀況。駱輝煌[5]研究了平面二維有限元水動(dòng)力學(xué)模型RMA2和RMA4在五里湖調(diào)水?dāng)?shù)值模擬中主要參數(shù)的敏感性,提出通過(guò)集中調(diào)水和維持性調(diào)水相結(jié)合的方式改善五里湖水質(zhì)的優(yōu)化調(diào)水方案。

上述研究基本上都是針對(duì)常規(guī)水文條件下五里湖的水質(zhì)狀況,未考慮暴雨等極端水文情況下的影響。本文采用基于四邊形網(wǎng)格的二維水流水質(zhì)耦合模型模擬暴雨徑流對(duì)五里湖水質(zhì)影響的動(dòng)態(tài)過(guò)程,分析了寶界橋斷面的交換通量。

1 平面二維通量向量分裂(FVS)格式水量水質(zhì)耦合模型的構(gòu)建

1.1 基本方程

二維水流水質(zhì)模型基本方程組[6-7]的守恒形式可表達(dá)為

(1)

其中,b1=0,b2=gh(S0x-Sfx),b3=bh(S0y-Sfy),

b4=·(Di(hC))-K·hC

式中:x、y、t分別為空間及時(shí)間坐標(biāo)系;h為水深;g為重力加速度;u和v分別為x和y向沿水深積分平均流速分量;C為污染物沿水深積分的垂線(xiàn)平均濃度;q為守恒物理量;f(q)為x向通量;g(q)為y向通量;b(q)為源(匯)項(xiàng);S0x和Sfx分別為x向的水底底坡和摩阻坡度;S0y和Sfy分別為y向的水底底坡和摩阻坡度;Di為水平不同方向上的混合系數(shù);K為降解系數(shù);·為L(zhǎng)aplace算子。

1.2 邊界條件

1.2.1 入流邊界

對(duì)于入流邊界Γ0,須給定水位、流速及污染物濃度隨時(shí)間的變化值:

或

1.2.2 出流邊界

采用自由出流邊界,即:

1.2.3 固壁邊界

在湖岸等固壁邊界采用不可入條件,即vη=0(η為邊界法線(xiàn)方向)。

1.3 基本方程的有限體積法離散

對(duì)于任意單元Ω,其邊界為?Ω,通過(guò)對(duì)方程(1)積分并利用散度定理可得到有限體積法的基本方程:

(2)

式中:n為單元邊界?Ω的外法向單位向量;dω和dL分別為面積分和線(xiàn)積分微元;F(q)·n為法向數(shù)值通量,F(q)=(f(q),g(q))T。

采用一階精度離散和f、q具有的旋轉(zhuǎn)不變性,得到式(2)的等價(jià)公式:

(3)

其中b*(q)=(Ab1,Ab2,Ab3,∑Di(hC)L-AKhC))

式中:T(Φ)為坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)角度Φ的變換矩陣;m為單元邊總數(shù);Lj為單元邊j的長(zhǎng)度;A為單元面積。

2 模型的檢驗(yàn)

2.1 網(wǎng)格劃分

為了更好地?cái)M合復(fù)雜的湖泊邊界,采用四邊形無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸變幅范圍約10 m×10 m～40 m×40 m,共有網(wǎng)格單元8 000多個(gè),節(jié)點(diǎn)9 000余個(gè)。計(jì)算網(wǎng)格如圖2。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格

2.2 模型驗(yàn)證

采用2003年4月資料在實(shí)際入流量和平均風(fēng)速條件下進(jìn)行模擬計(jì)算,糙率系數(shù)0.018～0.022。模擬流場(chǎng)如圖3,在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位上的流速在0.015～0.045 m/s之間,計(jì)算值與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖4,與監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合,平均誤差為15.2%。

圖3 驗(yàn)證流場(chǎng)

圖4 計(jì)算流速與實(shí)測(cè)流速對(duì)比

3 暴雨徑流影響模擬分析

3.1 設(shè)計(jì)暴雨徑流

參照2004年入湖河流的實(shí)測(cè)水文資料,設(shè)計(jì)典型暴雨徑流過(guò)程如圖5。

圖5 設(shè)計(jì)暴雨徑流過(guò)程線(xiàn)

3.2 計(jì)算條件

計(jì)算的水質(zhì)指標(biāo)為CODMn、NH3-N、TP和TN。五里湖水質(zhì)取汛期平均質(zhì)量濃度,入湖河流罵蠡港取汛期平均質(zhì)量濃度,各水質(zhì)指標(biāo)設(shè)計(jì)質(zhì)量濃度見(jiàn)表1。風(fēng)速取暴雨期間風(fēng)速12 m/s,風(fēng)向取主導(dǎo)風(fēng)向ESE。

表1 各水質(zhì)指標(biāo)的設(shè)計(jì)質(zhì)量濃度 mg/L

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

五里湖暴雨期模擬典型流場(chǎng)見(jiàn)圖6。

圖6 五里湖暴雨期模擬典型流場(chǎng)

3.3.1 CODMn擴(kuò)散過(guò)程

圖7 五里湖暴雨1～7 d后CODMn質(zhì)量濃度變化等值線(xiàn)(單位：mg/L)

在暴雨發(fā)生后1～7 d內(nèi)五里湖CODMn濃度變化等值線(xiàn)見(jiàn)圖7。進(jìn)水1 d后,進(jìn)入的污水只局限在入水口附近的較小范圍內(nèi)(圖7(a))。進(jìn)水3 d后,污水的前鋒越過(guò)寶界橋,西五里湖開(kāi)始受到影響(圖7(c))。進(jìn)水4 d后,污染物質(zhì)大規(guī)模穿過(guò)寶界橋,進(jìn)入西五里湖,部分湖區(qū)水質(zhì)由Ⅲ類(lèi)變?yōu)棰纛?lèi)。進(jìn)水5 d后,五里湖水質(zhì)濃度分布趨于穩(wěn)定。西五里湖CODMn的質(zhì)量濃度有所升高,寶界橋附近的質(zhì)量濃度升高了約0.8 mg/L(14%)

寶界橋斷面是東五里湖與西五里湖的交界斷面,CODMn動(dòng)態(tài)交換過(guò)程情況如表2。由表2可見(jiàn),隨著污染鋒面的通過(guò),寶界橋斷面上的濃度分布趨向均勻,第7天的凈進(jìn)入通量?jī)H0.018 t/d。暴雨期間的最大凈進(jìn)入通量達(dá)到1.539 t/d,大大高于西五里湖的自?xún)裟芰Α?/p>

表2 寶界橋斷面CODMn動(dòng)態(tài)交換過(guò)程情況

表3 寶界橋斷面TP、NH3-N、TN動(dòng)態(tài)交換過(guò)程情況

暴雨徑流對(duì)湖泊水質(zhì)的影響有明顯的區(qū)域性,由圖7可見(jiàn),隨著時(shí)間的推移,污染物濃度分布的范圍開(kāi)始發(fā)生變化。暴雨徑流對(duì)湖泊水質(zhì)產(chǎn)生一定影響,暴雨期間,罵蠡港進(jìn)水口附近出現(xiàn)明顯污染擴(kuò)散帶,在風(fēng)生環(huán)流與擴(kuò)散的共同作用下向湖心區(qū)遷移。 隨著污染物濃度的降低和湖泊水體的稀釋、污染物濃度的降解和擴(kuò)散,河口附近水質(zhì)開(kāi)始恢復(fù)。

3.3.2 TP、NH3-N、TN擴(kuò)散過(guò)程

NH3-N、TP、TN的質(zhì)量濃度等值線(xiàn)圖變化特性與CODMn相似,這里不再給出。寶界橋斷面TP、NH3-N、TN的動(dòng)態(tài)交換過(guò)程情況見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn),自罵蠡港等河流進(jìn)來(lái)的暴雨徑流對(duì)西五里湖水質(zhì)影響很大,污染物凈通量在第4天影響達(dá)到峰值,此后迅速減小。

4 結(jié) 論

a.構(gòu)建了基于四邊形網(wǎng)格的平面二維通量向量分裂(FVS)格式水量水質(zhì)耦合模型,較好地?cái)M合五里湖曲折不規(guī)則邊界。

b.暴雨徑流影響模擬結(jié)果表明:暴雨發(fā)生1 d后,影響只局限在入水口附近的較小范圍內(nèi),3 d后污水的前鋒越過(guò)寶界橋,西五里湖開(kāi)始受到影響,4 d后污染物質(zhì)大規(guī)模穿過(guò)寶界橋,進(jìn)入西五里湖,部分湖區(qū)水質(zhì)由Ⅲ類(lèi)變?yōu)棰纛?lèi),5 d后五里湖水質(zhì)濃度分布趨于穩(wěn)定。

c.典型暴雨條件下,寶界橋斷面污染物通量在第四天達(dá)到峰值,此后迅速減小。

[1] 柏祥,陳開(kāi)寧,黃蔚,等.五里湖水質(zhì)現(xiàn)狀與變化趨勢(shì)[J].水資源保護(hù),2010,26(5):6-10.(BAI Xiang, CHEN Kaining,HUANG Wei, et al.Current status and variation tendency of water quality in Wuli Lake, Jiangsu Province[J].Water Resources Protection,2010,26(5):6-10.(in Chinese))

[2] 秦伯強(qiáng),胡維平,陳偉民,等.太湖水環(huán)境演化過(guò)程與機(jī)理[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[3] 田向榮,馬巍,廖文根,等.調(diào)水對(duì)梅梁湖、五里湖水環(huán)境影響研究[J].人民長(zhǎng)江,2007,38(2): 69-72.(TIAN Xiangrong,MA Wei,LIAO Wengen, et al.Effect of water diversion on water environment of Meilianghu lake and Wulihu lake [J].Yangtze River,2007,38(2): 69-72.(in Chinese))

[4] 丁玲,逄勇,趙棣華,等.調(diào)水工程對(duì)五里湖水環(huán)境影響分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2003, 31(4): 366-369.(DING Ling,PANG Yong,ZHAO Dihua, et al.Effect of water diversion project on water environment of Wulihu Lake[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2003, 31(4): 366-369.(in Chinese))

[5] 駱輝煌.RMA2 和RMA4 在五里湖調(diào)水模擬中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究[D].北京: 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院, 2005.

[6] 趙棣華,姚琪,蔣艷,等.通量向量分裂格式的二維水流水質(zhì)模擬[J].水科學(xué)進(jìn)展,2002,13(6):701-706.(ZHAO Dihua,YAO Qi,JIANG Yan, et al.FVS scheme in2-D depth-averaged flow pollutants modeling[J].Advances in Water Science,2002,13(6):701-706.(in Chinese))

[7] 趙棣華,戚晨,庾維德,等.平面二維水流-水質(zhì)有限體積法及黎曼近似解模型[J].水科學(xué)進(jìn)展,2000,11(4):368-373.(ZHAO Dihua,QI Chen,YU Weide, et al.Finite volume method and riemann solver for depth-averaged two-dimensional flow-pollutants coupled model[J].Advances in Water Science, 2000,11(4):368-373.(in Chinese))

Impact of rainstorm runoff on water quality of Wuli Lake

LIU Xiaodong1,2,HU Gongyu3,ZHOU Yuanyuan2,TU Qile2,ZHENG Xiaoyu2

(1.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourceDevelopmentonShallowLakes,MinistryofEducation,Nanjing210098,China;2.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.JingjiangHydrologyandWaterResourcesSurveyBureau,ChangjiangWaterResourcesCommission,Jingzhou434002,China)

To fit the irregular boundaries of the Wuli Lake, quadrilateral mesh fitting has been used and a two-dimensional flux vector splitting (FVS) scheme flow-pollutant coupled model has been established, which was verificated after then.By using this model, the dynamic process of the impact of designed storm runoff on the water quality of Wuli Lake was simulated, the CODMn, NH3-N, TP and TN exchange fluxes at Baojie bridge section were analyzed.The result showed that in the designed typical storm conditions, the Maligang River got large flow of water which had a great impact on the water quality of West Wuli Lake.After 3-day designed storm occurred, runoff sewage began to affect the West Wuli Lake, and the concentration reached the peak after the fourth day, which changed the water quality from class Ⅲ to class Ⅳin some lake district, but the duration is short, which then decreases rapidly.

storm runoff; Wuli Lake; two-dimensional flow-pollutant coupled model; quadrilateral mesh; CODMn

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.04.014

國(guó)家自然科學(xué)基金(51479064，51379060)

劉曉東(1972—)，男，副教授，博士，主要從事環(huán)境與生態(tài)水力學(xué)、環(huán)境模擬等研究。E-mail:lxd54321@163.com

涂琦樂(lè)。E-mail:15295527223@163.com

X52

A

1004-6933(2015)04-0077-05

2014-12-10 編輯：徐 娟)