王冼民，翟淑華，張紅舉，胡維平，李欽欽，韓 濤

(1:廣東海洋大學(xué)農(nóng)學(xué)院資源與環(huán)境系，湛江 524088)(2:水利部太湖流域管理局水保局，上海 200434)(3:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京 210008)(4:中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

基于水質(zhì)改善目標的太湖適宜換水周期分析

王冼民1，翟淑華2，張紅舉2，胡維平3，李欽欽4，韓 濤3

(1:廣東海洋大學(xué)農(nóng)學(xué)院資源與環(huán)境系，湛江 524088)(2:水利部太湖流域管理局水保局，上海 200434)(3:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京 210008)(4:中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

準確估算換水周期對于研究湖泊水體化學(xué)、生物變化以及污染物遷移、擴散、轉(zhuǎn)化有著重要意義，換水周期是湖泊的一個重要環(huán)境參數(shù). 根據(jù)2010年實測水文、氣象和環(huán)湖水量、水質(zhì)條件，建立3組情景模式：第1組為實況方案，第2組是環(huán)湖水量倍比縮放方案，第3組為望虞河水量倍比縮放方案. 采用EcoTaihu模型模擬3組情景模式下太湖及各湖區(qū)營養(yǎng)鹽狀況，并根據(jù)實測結(jié)果對模型進行校驗. 模型計算結(jié)果表明：在2010年太湖水文、氣象條件下，150～160 d換水周期條件下太湖氮、磷濃度最低，即太湖適宜換水周期為150～160 d.

換水周期；EcoTaihu模型；太湖；營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)；富營養(yǎng)化

換水周期是湖泊水環(huán)境的一個重要參數(shù)，影響著水體中污染物與營養(yǎng)物的濃度與停留時間，以及水體中發(fā)生的生物與化學(xué)反應(yīng)過程時間長短[1-3]. 國內(nèi)外學(xué)者對換水周期展開了大量研究，如梁乃杰等[4]推導(dǎo)建立了杭州西湖換水的數(shù)學(xué)模型，得到水質(zhì)濃度的變化隨引水量的增加而呈負指數(shù)的規(guī)律減少，并用電阻率法對西湖換水過程進行了監(jiān)測驗證. 朱春龍等[5]基于周邊環(huán)境連續(xù)輸入的充分混合的反應(yīng)器原理及一些簡化假設(shè), 提出了借助周期性地引排換水改善城市湖泊水質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)出了城市湖泊中污染物平均濃度和水質(zhì)改善指標的解析表達式. 郭武等[6]結(jié)合湘陰縣河湖連通工程規(guī)劃對原有廣泛使用的生態(tài)流量及水體交換公式進行論證,在此基礎(chǔ)上建立了基于水質(zhì)、水量聯(lián)合調(diào)度的生態(tài)流量及水體交換周期計算公式,并在湘陰縣河湖水體連通工程中進行了應(yīng)用驗證.

Hatcher等[7]的研究表明，水體內(nèi)銨濃度的長期均值與更替周期具有很好的相關(guān)性，在某一范圍內(nèi)湖泊的更替周期與浮游生物的數(shù)量之間存在線性相關(guān)關(guān)系. 在入湖水體水質(zhì)良好情況下，更替周期過長或過短，都會對湖泊水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，更替周期過長，致使污染物在水體中逐漸累積，水體自凈能力下降；周期過短，又會沖淡營養(yǎng)物，不利于水生生物的生長. 在入湖水體水質(zhì)惡劣情況下，更替周期過長或過短，同樣會產(chǎn)生不利影響，更替周期過短，會使湖泊內(nèi)水體直接遭到入湖惡劣水體的替換，不利于湖泊生物生長；周期過長會導(dǎo)致水質(zhì)在空間上存在較大的差異性，雖然有利于污染物在湖泊內(nèi)的降解，但由于蒸發(fā)、下滲等原因，會造成湖泊水量匱乏、鹽度提高，同時減弱湖泊水動力，不利于湖泊溶解氧濃度提高和動力擾動適應(yīng)性較強生物的生長，因此存在一個閾值問題，只有在閾值范圍內(nèi)水體內(nèi)的生態(tài)環(huán)境才是最適的. 故更替周期是研究湖泊水體環(huán)境的一個指標，對其閾值的研究，可為建立良好的水生態(tài)環(huán)境提供依據(jù).

太湖是我國的第三大淺水湖泊，目前面臨著嚴重的富營養(yǎng)化危機[8-12]，為緩解太湖水環(huán)境危機，水利部太湖流域管理局會同流域內(nèi)有關(guān)省市自2002年起實施通過望虞河等引長江水入太湖流域的調(diào)水工程——“引江濟太”. 多年來，“引江濟太”調(diào)活了太湖流域水體，增加了水資源有效供給，促進了河網(wǎng)有序流動，改善了太湖及河網(wǎng)水環(huán)境[13]，為了更好地理解換水周期和望虞河引水對太湖生態(tài)環(huán)境的影響，本文利用EcoTaihu模型分析了3種情景模式下太湖的換水周期以及各湖區(qū)營養(yǎng)鹽的變化，以期為太湖的富營養(yǎng)化治理提供技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 太湖歷年換水周期

水量資料采用水利部太湖流域管理局歷年整編的逐日徑流量統(tǒng)計出逐年出湖水量，依據(jù)公式:

換水天數(shù)=湖泊容積(m3)/年度出湖水量(m3)×365

(1)

計算得到太湖1989-2010年歷年換水周期. 其中，1999年換水周期最短，為119 d；1994年換水周期最長，為252 d，太湖多年平均換水周期為192 d. 換水周期與出湖水量密切相關(guān)(圖1)，二者之間的關(guān)系為：

y=453.03977-4.01448x+0.0125x2

(2)

式中，y為換水周期，x為出湖水量，二者相關(guān)系數(shù)平方值達到0.989.

圖1 太湖出湖水量-換水周期的關(guān)系Fig.1 Relationship of out flux and retention time of Lake Taihu

1.2 太湖適宜換水周期定義及計算方案設(shè)計

根據(jù)前文分析，換水周期對太湖水質(zhì)變化具有重要影響，可能存在一個與入湖水量、水質(zhì)相關(guān)的換水天數(shù)，該換水天數(shù)使得太湖水質(zhì)在特征風場和特定入湖水質(zhì)條件下處于最優(yōu)狀態(tài)，該換水天數(shù)即為適宜換水周期.

氮、磷是影響太湖水質(zhì)狀況和富營養(yǎng)化以及藻類水華的主要因素[16-18]，因此本次研究選定氮、磷濃度為研究太湖適宜換水周期的指標，為分析換水周期對太湖水環(huán)境的影響，本文設(shè)計了3組情景模式. 第1組為實況模式，自2002年實施“引江濟太”以來，2002-2010年期間入湖量最大、最小以及平均值對應(yīng)年份分別為2010、2006以及2008年. 因此，本文實況情景設(shè)計采用2006、2008以及2010年. 第2組為太湖2010年入湖水質(zhì)濃度不變條件下的環(huán)湖河道水量倍比縮放方案(簡稱2010年環(huán)湖河道水量倍比縮放方案). 由于“引江濟太”主要通過望虞河實施，因此第3組方案為望虞河流量倍增方案. 本文基于EcoTaihu模型，對太湖水質(zhì)狀況進行模擬計算分析，并通過模擬水質(zhì)結(jié)果的對比分析太湖水質(zhì)對換水天數(shù)的響應(yīng)關(guān)系，從而確定太湖適宜換水周期. 以下為各組方案的詳細介紹：

第1組為實況出入湖水量、水質(zhì)條件下的計算方案(簡稱實況方案)，表1中的A1、A2、A3分別代表2006、2008和2010年實況入湖水量、水質(zhì).

第2組為太湖2010年入湖水質(zhì)濃度不變條件下的環(huán)湖河道水量倍比縮放方案(簡稱2010年環(huán)湖河道水量倍比縮放方案). 假設(shè)各河道入湖水質(zhì)不發(fā)生變化，出湖水質(zhì)隨湖泊水質(zhì)變化而變化，各方案中降雨、蒸發(fā)、水源地區(qū)取水量、藻類水華量和太湖水位年變化規(guī)律保持不變，各河道入湖水量占總河道入湖水量比例和各河道出湖水量占總河道出湖水量的比例保持不變. EcoTaihu模型中相關(guān)出入湖河道流量計算方法如下：

(3)

式中，rj為表1中B1～B4入湖水量倍增系數(shù)，分別為0.6，0.8、1.2和1.5倍，按方案設(shè)定原則，河道出湖水量可表示為：

(4)

根據(jù)換水周期定義，方案B1～B4太湖換水天數(shù)分別為2010年實況換水天數(shù)的5/3、1.25、5/6和2/3倍.

表1 不同情景設(shè)計模式下的太湖換水周期

Tab.1 Retention time of Lake Taihu under different scenarios

第一組第二組第三組A1A2A3B1B2B3B4C1C2C3C4C5C6太湖蓄量/(×108m3)44．948．447．247．247．247．247．247．247．247．247．247．247．2出湖水量/(×108m3)73．07116．01103．3362．082．7124．0155．099．33101．33105．33108．33111．33113．33換水周期/d224152167277．9208．3138．9111．1173．4170．0163．6159．0154．7152．0

第3組為在2010年出入湖水量與水質(zhì)條件下的望虞河水量倍比縮放方案(簡稱2010年望虞河水量倍比縮放方案). 根據(jù)2008-2011年的引水期望虞河干流望亭立交閘入太湖水質(zhì)監(jiān)測資料，望虞河引江入湖水質(zhì)總體優(yōu)于其他環(huán)太湖主要入湖河流水質(zhì)，其中高錳酸鹽指數(shù)年均濃度為3.20 mg/L、總磷年均濃度為0.12 mg/L，均達到Ⅱ類水標準，氨氮年均濃度為0.54 mg/l，為Ⅲ類水標準，但濃度值已接近Ⅱ類水標準，總氮年均濃度為2.79 mg/L. 在環(huán)太湖入湖河流中，除楚東苕溪、西苕溪水質(zhì)與望虞河入湖水質(zhì)持平或略好于望虞河入湖水質(zhì)外，望虞河引江入湖水質(zhì)均優(yōu)于其他入太湖河流，尤其是湖西區(qū)入湖河道水質(zhì)，望虞河引江入湖水對改善太湖水環(huán)境提供了重要的優(yōu)質(zhì)水源.

為充分發(fā)揮望虞河“引江濟太”對太湖水質(zhì)的改善作用，出入湖水量水質(zhì)情景設(shè)計方案為：基于2010年望虞河引水流量10×108m3，保持流域降雨、蒸發(fā)、取水和庫容不變，通過改變望虞河入湖和太浦河出湖流量，影響太湖水體換水時間，設(shè)置6個方案：望虞河引水流量分別為2010年實況流量的0.6、0.8、1.2、1.5、1.8和2.0倍，水質(zhì)為2010年實況水質(zhì)，分別為表1中的C1～C6. 太浦河出湖水量增減與望虞河水量相當.

1.3 EcoTaihu數(shù)值模型

本次換水周期對太湖水質(zhì)的影響研究采用EcoTaihu模型[13-15]，模型在開發(fā)過程中，集成了1960年以來太湖湖流、水位、水質(zhì)以及生態(tài)系統(tǒng)變化調(diào)查、實驗資料，特別是2001年以來在中國科學(xué)院太湖生態(tài)系統(tǒng)研究站監(jiān)測資料的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了太湖生態(tài)環(huán)境演變基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，發(fā)展了太湖三維的正壓水動力模型. 通過湖泊水動力、營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化、生物生長、代謝及種群競爭等過程的耦合，創(chuàng)立了包含湖泊水動力要素(水位、湖流)、水質(zhì)參數(shù)(氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、正磷酸鹽磷、底泥可交換態(tài)氮、底泥可交換態(tài)磷、底泥間隙水溶解性磷、溶解氧)、生物要素(浮游植物生物量、浮游動物生物量、魚類生物量、水生植物生物量、碎屑、浮游植物態(tài)氮、浮游動物態(tài)氮、水生植物態(tài)氮、魚類態(tài)氮、碎屑態(tài)氮、浮游植物態(tài)磷、浮游動物態(tài)磷、水生植物態(tài)磷、魚類態(tài)磷、碎屑態(tài)磷)等27個變量的“太湖水動力學(xué)-富營養(yǎng)化生態(tài)模型”EcoTaihu. 運用野外原位實驗、定點長期觀測和數(shù)值模擬結(jié)合方法確定了模型參數(shù).

EcoTaihu模型狀態(tài)變量模塊見圖2. 模型主要由3大模塊組成：第1塊為水動力學(xué)湖流、水位變化模擬模塊；第2塊為食物鏈網(wǎng)模擬模塊，包括魚類、有機碎屑、浮游動物、藻類以及高等水生植物；第3塊為物質(zhì)輸移轉(zhuǎn)化模塊，包括溶解氧輸移轉(zhuǎn)化子模塊、氮輸移轉(zhuǎn)化子塊和磷輸移轉(zhuǎn)化子模塊，其中氮子模塊含有9個子模塊，它們?yōu)榘钡?、亞硝態(tài)鹽、硝態(tài)氮、碎屑態(tài)氮、藻類氮、浮游動物態(tài)氮輸移轉(zhuǎn)化子模塊及魚類態(tài)氮、水生植物態(tài)氮、底泥可交換態(tài)氮轉(zhuǎn)化子模塊；磷子模塊包含正磷酸鹽磷、碎屑態(tài)磷、浮游植物態(tài)磷、浮游動物態(tài)磷輸移轉(zhuǎn)化子模塊，以及水生植物態(tài)磷、魚類態(tài)磷、底泥間隙水溶解性磷、底泥可交換態(tài)磷子模塊，太湖生態(tài)模型詳細說明見參考文獻[14].

圖2 EcoTaihu模型模塊構(gòu)成Fig.2 Structure of EcoTaihu Model

圖3 EcoTaihu 模型網(wǎng)格剖分、分區(qū)以及環(huán)湖河道Fig.3 Grid setup, zone division and inflow-outflow of EcoTaihu Model

1.3.1 模型構(gòu)架 EcoTaihu模型網(wǎng)格剖分、分區(qū)以及環(huán)湖河道見圖3，全太湖劃分為69×69個矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長為1000 m×1000 m，共有活動單元2338個. 計算時間步長設(shè)置為120 s. 考慮到太湖空間異質(zhì)性，將太湖分為8個區(qū)，分別是貢湖、梅梁湖、竺山湖、湖西區(qū)、西南區(qū)、湖心區(qū)、湖東濱岸區(qū)以及東太湖(圖3). 將從太湖取水的電廠取水口以及水源地取水口概化為邊界條件予以考慮，將其概化為出湖河道. 環(huán)湖河道共概化為33條，1～33分別為小灣里水源地、大渲河泵站、梁溪河、直湖港、武進港、沙塘港、太滆運河漕橋河、殷村港、雅浦港、大浦、大港河、長興、楊家埠、杭長橋、幻溇段、三里橋河段、嘉興水源地、聯(lián)湖橋北段、廟港水源地、太浦河、聯(lián)湖橋南段、瓜涇港、浦前水源地、胥江、漁洋山水源地、滸光運河、鎮(zhèn)湖水源地、金墅灣水源地、望虞河、錫東水源地、華莊河、望亭電廠取水口和南泉水源地(圖3). 2010年計算的外部條件設(shè)置見圖4.

圖4 模型計算外部條件Fig.4 External conditions of model simulation

1.3.2 模型參數(shù) 模型參數(shù)在模型計算中具有重要地位，EcoTaihu模型參數(shù)共分為水動力、營養(yǎng)元素氮磷、浮游動植物、沉水植物、魚類、有機碎屑等6個方面內(nèi)容，限于篇幅，表2中僅列出營養(yǎng)元素氮、磷方面的相關(guān)參數(shù)，詳細參數(shù)設(shè)置見參考文獻[14-15].

1.3.3 模型驗證 基于2010年水文、氣象監(jiān)測資料，開展了太湖在湖面非均勻風場作用下太湖水體營養(yǎng)鹽氮、磷含量、以及溶解氧含量的數(shù)值模擬，并用水利部太湖流域管理局無錫水文監(jiān)測局太湖常規(guī)監(jiān)測站點小灣里、漁業(yè)村、龍頭、貢湖、廟港、戧港外、湖心南、胥湖、橫山、梅園、閭江口、竺山湖、大浦、伏東、焦山、拖山、三號標、烏龜山、大貢山、沙墩港、平臺山、14號標、夾浦、新塘、小梅口、大錢、西山、胥口、漫山和東太湖等30個監(jiān)測點實測值進行模型檢驗.

表2 營養(yǎng)鹽氮、磷參數(shù)取值

Tab.2 Parameters of nitrogen and phosphorus

參數(shù)名稱單位取值亞硝態(tài)氮氧化的最低溶解氧濃度mg/L1．5000亞硝態(tài)氮氧化時溶解氧的半飽和常數(shù)mg/L3．000020℃時亞硝態(tài)氮的氧化速率1/d1．0000氨氮氧化的最低溶解氧濃度mg/L2．0000氨氮氧化時溶解氧的半飽和常數(shù)mg/L4．000020℃時氨氮的氧化速率1/d0．1200底泥氮釋放速率1/d10-6溫度影響亞硝態(tài)氮氧化系數(shù)1-1．1000溫度影響亞硝態(tài)氮氧化系數(shù)2-1．2000溫度影響氨氮氧化系數(shù)1-1．0650溫度影響氨氮氧化系數(shù)2-1．2000碎屑態(tài)氮氧化的半飽和常數(shù)-0．1510溫度影響底泥氮釋放的系數(shù)-0．00755溫度影響底泥可交換態(tài)磷礦化系數(shù)-1．130020℃時可溶解性磷的氧化速率1/d1．0000溶解氧對間隙水溶解性磷的擴散影響系數(shù)-6．0000溫度對底泥間隙水磷釋放的影響系數(shù)-0．01底泥間隙水溶解性磷的釋放速率1/d0．000500溶解氧對間隙水溶解性磷釋放的影響系數(shù)-0．5000溶解氧濃度大于1mg/L的碎屑轉(zhuǎn)化為可交換態(tài)磷的比率-0．800000底泥可交換態(tài)磷礦化速率1/d0．000035溶解氧濃度小于1mg/L的碎屑轉(zhuǎn)化為可交換態(tài)磷的比率-0．600000

2010年所有監(jiān)測點預(yù)測的總磷年相對誤差為47%，16個監(jiān)測點的相對誤差小于40%；貢湖、胥湖、烏龜山、大公山、胥口、漫山監(jiān)測點的相對誤差較高，超過了50%. 所有監(jiān)測點預(yù)測的總氮年相對誤差為39%，其中20個監(jiān)測點的相對誤差小于40%. 廟港、戧港外、平臺山、小灣里、大錢、東太湖監(jiān)測點的相對誤差超過50%.

總體而言，藻型湖區(qū)如西太湖和竺山湖等，模型計算值和實測值較為一致，如龍頭、竺山湖、夾浦、新塘等監(jiān)測點. 而水生植物生長較為旺盛的湖區(qū),如西山、東太湖等監(jiān)測點，計算值和實測值的差異相對較大一些，這可能與水生植物吸收氮、磷的速率有關(guān)系. 除小灣里、胥湖、梅園、閭江口、大浦、西山、東太湖等監(jiān)測點平均相對誤差較大以外，其余監(jiān)測點模擬效果較好，且大多數(shù)監(jiān)測點的模擬計算結(jié)果的變化趨勢與實測值一致，模型能較好地描述水體中氮、磷的變化(圖5、6).

2 結(jié)果與討論

2.1 各計算方案不同湖區(qū)換水周期

換水周期計算采用式(1)：即太湖(每個湖區(qū))的容積除以出湖(區(qū))水量為太湖(各湖區(qū))的換水周期. 計算結(jié)果表明，梅梁湖區(qū)因直湖港節(jié)制閘的作用，由直湖港進入的水體減少，因此其水體換水時間較長. 按梅梁湖灣口斷面與大太湖水量交換計算，換水時間最長. 西南區(qū)通過控制斷面水量交換計算得到的換水時間也很長，由于貢湖為引江調(diào)水的通道、東太湖為出水通道，它們換水速率遠高于其他區(qū)域，相應(yīng)的水體換水時間也較短. 竺山湖和湖西區(qū)因不位于換水主流線上，其水體換水時間基本未發(fā)生變化. 另外湖東濱岸及湖心區(qū)換水速率變化幅度也較小(表3).

圖5 2010年各監(jiān)測點總氮實測值和計算值 Fig.5 Observation data and simulation data of total nitrogen concentration in each watch spot in 2010

圖6 2010年各監(jiān)測點總磷實測值和計算值Fig.6 Observation data and simulation data of total phosphorus concentration in each watch spot in 2010

方案換水周期/d梅梁灣貢湖湖東區(qū)東太湖竺山湖湖西區(qū)西南區(qū)湖心區(qū)A1360．156．9135．723．661．375．3163．6100．5A2352．349．1131．919．760．172．6145．893．6A3349．646．5130．318．159．871．3136．791．2B1626．677．8233．231．1100．8122．9249．2164．0B2457．360．6164．723．779．894．2186．6114．7B3294．842．5119．215．551．262．3118．181．3B4255．932．089．813．140．951．794．963．6C1362．259．7136．922．961．975．6163．9101．7C2354．752．2132．420．360．173．2153．896．5C3341．741．9129．715．958．170．9131．789．0C4323．935．1126．114．157．668．5125．586．3C5315．631．4124．512．656．567．1116．183．5C6302．627．3121．911．455．966．7105．781．3

2.2 各計算方案不同湖區(qū)水質(zhì)變化情況

2.2.1 A方案(實況方案) 代表年太湖各湖區(qū)水質(zhì)中竺山湖和梅梁湖水質(zhì)最差，竺山湖水質(zhì)差是因為入湖河道水質(zhì)較差，且竺山湖湖區(qū)面積較小，緩沖能力較弱，竺山湖水體水質(zhì)直接決定于入湖河道水質(zhì). 另外，由于馬山的阻擋，望虞河調(diào)水對其水質(zhì)改善作用有限. 梅梁湖主要是因為水體換水時間較長，和大太湖水量交換不暢，夏季東南風作用下污染物和藻類進入梅梁湖后難以流出，導(dǎo)致湖區(qū)水體水質(zhì)惡化. 通過“引江濟太”，梅梁湖和貢湖水質(zhì)改善最為明顯. 各湖區(qū)中水質(zhì)最好的是東太湖，其次為西南區(qū)和湖東濱岸區(qū). 從各個季節(jié)來看，各湖區(qū)夏季水質(zhì)較好、冬季最差. 2006、2008以及2010年太湖總氮計算均值為2.72、2.51和2.48 mg/L，太湖總磷計算均值為0.12、0.063和0.071 mg/L. 換水時間為：2006年>2008年>2010年，實況水質(zhì)為：2006年<2008年<2010年. 這是因為自2008年開始，太湖進行了大規(guī)模環(huán)境治理以及藍藻打撈，同時“引江濟太”規(guī)模也不斷增大. 說明換水周期只是影響湖泊水質(zhì)的一個因素.

2.2.2 B方案(2010年環(huán)湖河道水量倍比縮放方案)

1)對竺山湖和湖西區(qū)的影響

竺山湖和湖西區(qū)入湖河流水質(zhì)最差，因此，在保持2010年入湖河道水質(zhì)不變，水量倍比方案下，入湖水量越小，水質(zhì)越好. B1方案(0.6倍)中竺山湖和湖西區(qū)總氮平均計算濃度分別為4.26和2.87 mg/L，總磷平均濃度為0.149和0.126 mg/L. 在1.5倍水量條件下，竺山湖和湖西區(qū)總氮平均計算濃度值分別升為6.87和3.75 mg/L，總磷平均濃度為0.27和0.19 mg/L. 這說明改善竺山湖和湖西區(qū)的水質(zhì)主要需要控制污染源的流入.

2)對湖心區(qū)的影響

湖心區(qū)在太湖8個分區(qū)中面積最大，是太湖入湖污染物出湖的主要緩沖區(qū). 竺山湖以及湖西區(qū)的重污染水體經(jīng)過湖心區(qū)凈化，從太湖東部流出，此外，從望虞河以及太湖西南部湖區(qū)進入的水質(zhì)較好，水體起著凈化湖心區(qū)的作用，因此，湖心區(qū)水質(zhì)主要取決于進入該區(qū)水體的清污比. 在倍比條件下，清污比不變，進入湖心區(qū)的污染物越少，湖心區(qū)水質(zhì)越好. 2010年在0.6倍入湖水量條件下，湖心區(qū)總氮平均計算濃度為2.65 mg/L，總磷平均濃度為0.090 mg/L. 在1.5倍水量條件下，湖心區(qū)總氮平均計算濃度升為3.23 mg/L，總磷平均濃度為0.11 mg/L. 湖心區(qū)隨水量倍比增幅不如竺山湖和湖西區(qū)大，這一方面是因為進入湖心區(qū)的水體水質(zhì)較好，另外一方面是湖心區(qū)面積較大，具有較強的自凈能力.

3)對西南區(qū)的影響

浙西入湖水體水質(zhì)通常相對較好，望虞河入湖水質(zhì)與浙西入湖水體水質(zhì)相當，東苕溪、西苕溪水質(zhì)與望虞河入湖水質(zhì)持平或略好于望虞河入湖水質(zhì). 因此西南區(qū)水質(zhì)也較好，主要受湖心區(qū)和湖西區(qū)進入污水的影響，由于湖心區(qū)和湖西區(qū)隨水量倍比增加水質(zhì)變差，西南區(qū)水質(zhì)也隨之變差，2010年在0.6倍入湖水量條件下，西南區(qū)總氮平均計算濃度為2.09 mg/L，總磷平均濃度為0.059 mg/L. 在1.5倍水量條件下，西南區(qū)總氮平均計算濃度升為2.43 mg/L，總磷平均濃度為0.072 mg/L.

4)對貢湖和梅梁湖的影響

水量倍增各方案對貢湖和梅梁湖的影響比較復(fù)雜，在春季和夏季東南風作用下，大量太湖藍藻隨風生流漂流到貢湖和梅梁湖區(qū)，望虞河調(diào)水水質(zhì)較好，隨望虞河流量的增大，可以起到抬高貢湖水位，抑制污水流向貢湖以及沖散藍藻、改善湖區(qū)水質(zhì)的作用，但是當環(huán)湖水量增大時，湖心區(qū)的水質(zhì)隨之惡化，大量水質(zhì)差的水體隨之進入貢湖和梅梁湖湖區(qū). 梅梁湖和貢湖水質(zhì)在B3方案下(1.2倍水量)水質(zhì)最好，梅梁湖和貢湖總氮平均計算濃度分別為4.81和1.96 mg/L，梅梁湖和貢湖總磷平均計算濃度值分別為0.153和0.181 mg/L.

5)對東太湖和湖東濱岸區(qū)的影響

東太湖和湖東濱岸區(qū)是太湖水質(zhì)最好的兩個區(qū). 其中東太湖也是太湖主要的出水口. 兩個區(qū)分布著大量的水生植物，對水體的凈化能力較強. 東太湖和湖東濱岸區(qū)水質(zhì)主要受湖心區(qū)進入水體的影響，湖心區(qū)隨著水量倍比增加水質(zhì)變差，東太湖和湖東濱岸區(qū)水質(zhì)也隨之變差，2010年在0.6倍入湖水量條件下，東太湖和湖東濱岸區(qū)總氮平均計算濃度分別為1.39和1.59 mg/L，總磷平均濃度分別為0.041和0.040 mg/L. 在1.5倍水量條件下，東太湖和湖東濱岸區(qū)總氮平均計算濃度升為1.62和1.85 mg/L，總磷平均濃度為0.062和0.078 mg/L.

6)對太湖的影響

各倍比方案進入太湖的污水和清水比例不變，進入太湖的水量越大，則進入太湖的污染物越多，因此計算方案中0.6倍環(huán)湖水量條件下太湖水質(zhì)最好，總氮平均濃度為2.41 mg/L，總磷平均濃度為0.069 mg/L，1.5 倍環(huán)湖水量條件下太湖水質(zhì)最差，總氮平均濃度為3.1 mg/L，總磷平均濃度為0.093 mg/L.

2.2.3 C方案(2010年望虞河水量倍比縮放方案)

1)對竺山湖和湖西區(qū)的影響

望虞河調(diào)水引入水質(zhì)好的水體可改善竺山湖以及湖西區(qū)的水質(zhì)，調(diào)水越多，改善越大，但由于竺山湖和湖西區(qū)不在調(diào)水線路的主線上，因此對水質(zhì)改善程度有限，2010年0.6倍望虞河入湖水量條件下，竺山湖和湖西區(qū)總氮平均計算濃度分別為5.46和3.38 mg/L，總磷平均濃度為0.174和0.159 mg/L，在1.5倍水量條件下，竺山湖和湖西區(qū)總氮平均計算濃度改善為5.01和3.04 mg/L，總磷平均濃度為0.142和0.136 mg/L，當望虞河水量增大到2.0倍時，竺山湖和湖西區(qū)總氮平均計算濃度改善為4.97和3.01 mg/L，總磷平均濃度為0.141和0.132 mg/L. 說明當望虞河水量增大到1.5倍后，再增大水量對竺山湖和湖西區(qū)水質(zhì)改善作用不大.

2)對湖心區(qū)的影響

望虞河進入的水質(zhì)較好的水體起著凈化湖心區(qū)水體的作用，通過望虞河調(diào)水，可改善湖心區(qū)清污比，望虞河調(diào)水越多，湖心區(qū)水質(zhì)改善越明顯，2010年在0.6倍望虞河入湖水量條件下，湖心區(qū)總氮平均計算濃度為3.01 mg/L，總磷平均濃度為0.103 mg/L. 在1.5倍水量條件下，湖心區(qū)總氮平均計算濃度改善為2.46 mg/L，總磷平均濃度為0.086 mg/L. 望虞河水量增大到2.0倍時，湖心區(qū)總氮平均計算濃度改善為2.41 mg/L，總磷平均濃度為0.084 mg/L.

3)對西南區(qū)的影響

西南區(qū)水質(zhì)主要受湖心區(qū)和湖西區(qū)進入污水的影響，由于湖心區(qū)和湖西區(qū)隨水量倍比增加水質(zhì)變差，西南區(qū)水質(zhì)也隨之變差，但西南區(qū)不在望虞河調(diào)水的主線路上，因此望虞河調(diào)水對其水質(zhì)改善影響不大. 2010年在0.6倍望虞河入湖水量條件下，西南區(qū)總氮平均計算濃度為2.31 mg/L，總磷平均濃度為0.061 mg/L. 在1.5倍水量條件下，西南區(qū)總氮平均計算濃度改善為2.07 mg/L，總磷平均濃度為0.062 mg/L. 當望虞河調(diào)水流量為2.0倍時，西南區(qū)總氮平均計算濃度改善為2.06 mg/L，總磷平均濃度為0.065 mg/L.

4)對貢湖和梅梁湖的影響

望虞河引水對改善貢湖、梅梁湖灣水質(zhì)的效果較好. 望虞河引水進入貢湖，可直接促進貢湖水體流動，改善水質(zhì)作用明顯. 得到改善的貢湖水體在東南風的作用下，隨湖流流入梅梁湖灣，可改善梅梁湖水質(zhì). 當望虞河引江入湖流量為0.6倍時，貢湖、梅粱湖總氮濃度分別為2.45和5.12 mg/L，貢湖、梅粱湖總磷濃度分別為0.085和0.152 mg/L；當望虞河水量增大為1.5倍時，貢湖、梅粱湖總氮濃度分別為1.92和4.17 mg/L，貢湖、梅粱湖總磷濃度分別為0.083和0.112 mg/L；當望虞河水量再增大時，對貢湖和梅梁湖水質(zhì)改善作用不大.

5)對東太湖和湖東濱岸區(qū)的影響

在0.6倍入湖水量條件下，東太湖和湖東濱岸區(qū)總氮平均計算濃度分別為1.23 和1.70 mg/L，總磷平均濃度分別為0.052和0.047 mg/L. 在1.5倍水量條件下，東太湖和湖東濱岸區(qū)總氮平均計算濃度分別為1.16和1.6 mg/L，總磷平均濃度分別為0.056和0.049 mg/L，總磷濃度出現(xiàn)了小幅上升. 當水量增大到2.0倍時，東太湖和湖東濱岸區(qū)總氮平均計算濃度為1.17和1.61 mg/L，總磷平均濃度為0.057和0.051 mg/L.

6)對太湖的影響

在0.6倍入湖水量條件下，東太湖和湖東濱岸區(qū)總氮平均計算濃度為1.34和1.85 mg/L，總磷平均濃度為0.047和0.052 mg/L. 在1.5倍水量條件下，東太湖和湖東濱岸區(qū)總氮平均計算濃度為1.35和1.41 mg/L，總磷平均濃度為0.050和0.059 mg/L. 當水量增大到2.0倍時，東太湖和湖東濱岸區(qū)總氮平均計算濃度為1.38 和1.45 mg/L，總磷平均濃度為0.053和0.062 mg/L.

2.3 太湖適宜換水周期分析

由于太湖實況方案中2006與2008年入湖河道水質(zhì)以及氣象情況不同. 因此主要分析A3組、B組和C組不同換水天數(shù)對水質(zhì)的影響，各組方案換水天數(shù)及其對應(yīng)的氮、磷濃度見表4.

表4 各方案中太湖換水周期與總氮、總磷濃度

Tab.4 Retention time of Lake Taihu versus total nitrogen and total phosphorus concentrations under different scenarios

第一組第二組第三組A1A2A3B1B2B3B4C1C2C3C4C5C6換水周期/d224152167277．9208．3138．9111．1173．4170．0163．6159．0154．7152．0總氮平均濃度/(mg/L)2．552．452．482．412．462．553．102．622．532．392．332．322．32總磷平均濃度/(mg/L)0．0810．0720．0710．0690．0700．0760．0830．0730．0720．0700．0700．0690．069

從圖7可以看出，太湖總氮、總磷濃度都是在換水天數(shù)150～160 d左右最低. 因此，2010年水情、水質(zhì)條件下，太湖適宜換水周期為150～160 d.

圖7 太湖換水天數(shù)與總氮、總磷濃度的關(guān)系Fig.7 Retention time of Lake Taihu versus total nitrogen and total phosphorus concentrations

3 結(jié)論

1) 太湖水質(zhì)改善效果與引水流量密切相關(guān)，隨著引水流量增加，水質(zhì)改善效果轉(zhuǎn)好，但改善效率會隨引水流量的增加而減小. 當望虞河入湖流量達到2010年1.5倍時，太湖水質(zhì)改善程度趨于減小.

2) 望虞河引水改善貢湖、梅梁湖灣水質(zhì)的效果較好. 望虞河引水進入貢湖，可直接促進貢湖水體流動，改善水質(zhì)作用明顯. 得到改善的貢湖水體在東南風的作用下，隨湖流流入梅梁湖灣，可改善梅梁湖水質(zhì). 但受馬山的阻隔影響，對竺山湖和湖西區(qū)作用不明顯.

3) 需要指出的是，通過望虞河引水入太湖，隨著望虞河引水入湖量增大，太湖西部入湖河道入湖水量將因太湖水位抬高而減少. 由于太湖西部入湖河道入湖水質(zhì)遠遠劣于望虞河入湖水質(zhì)，因此實際上望虞河引水入湖量大還可以減少湖西區(qū)重污染水體污染物入湖量. 具體量值需要耦合太湖三維生態(tài)模型和太湖流域河網(wǎng)模型作進一步研究.

4) 通過計算太湖代表年，環(huán)湖河道流量倍比縮放以及望虞河河道流量倍比縮放方案，研究太湖全湖以及各湖區(qū)的水體換水周期，比較各代表年數(shù)據(jù)，得到2010年太湖水質(zhì)最優(yōu)，環(huán)湖河道等比縮放為0.6倍太湖水質(zhì)最優(yōu)，望虞河流量倍增方案1.5倍最優(yōu). 計算得到150～160 d換水周期條件下太湖總氮、總磷濃度最低，即太湖適宜換水周期為150～160 d.

[1] Moore WS, Oliveira J. Determination of residence time and mixing processes of the Ubatuba, Brazil, inner shelf waters using natural Ra isotopes.EstuarineCoastalandShelfScience, 2008, 3(1): 512-521.

[2] Andutta F, Kingsford M, Wolanski E. ‘Sticky water’ enables the retention of larvae in a reef mosaic.EstuarineCoastalandShelfScience, 2012, 101(2): 54-63.

[3] Deleersnijder R, Beckers JM, Delhez EJM. On the behavior of the residence time at the bottom of the mixed layer.EnvironmentalFluidMechanics, 2006, 6(5): 541-547.

[4] Liang Naijie, Wei Yulon, Wu Zhichun. The interpretation of the observations on the first water-changing work in the West Lake, Hangzhou.Geophysical&GeochemicalExploration, 1989, 13(4): 281-289. [梁乃杰，魏玉輪，吳志春. 杭州西湖初次換水觀測結(jié)果的解釋. 物探與化探, 1989, 13(4): 281-289.]

[5] Zhu Chunlong, Yu Guoqing. A mathematical model of water quality rehabilitation for urban lakes via periodically water renewal.JournalofIrrigationandDrainage, 2003, 22(6): 54-56.[朱春龍，俞國青. 通過周期性換水更新城市湖泊水質(zhì)的解析模型. 灌溉排水學(xué)報, 2003, 22(6): 54-56.]

[6] Guo Wu， Qian Zhan. Aquatic ecology flow and changing water cycle calculation method for Dong Lake in Xiangyin, Hunan.JournalofCentralSouthUniversityofForestry&Technology, 2001, 31(9): 66-69. [郭武，錢湛. 湖南湘陰東湖水體生態(tài)流量及換水周期計算方法. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2001, 31(9): 66-69.]

[7] Hatcher AI, Frith CA. The control of nitrate and ammonium concentrations in a coral reef lagoon.CoralReefs, 1985, (4):101-110.

[8] Qin BQ, Xu PZ, Wu QLetal. Environmental issues of Lake Taihu, China.Hydrobiologia, 2007, 581(6): 3-14.

[9] Zhu Guangwei. Eutrophic status and causing factors of a large, shallow and subtropical Lake Taihu, China.JLakeSci,2008, 20(1): 21-26．DOI:10.18307/2008.0103. [朱廣偉. 太湖富營養(yǎng)化現(xiàn)狀及原因分析. 湖泊科學(xué), 2008, 20(1): 21-26.]

[10] Qin Boqiang, Wang Xiaodong, Tang Xiangmingetal. Drinking water crisis caused by eutrophication and cyanobacterial bloom in Lake Taihu: Cause and measurement.AdvancesinEarthScience, 2007, 22(9): 896-906. [秦伯強，王小冬，湯祥明等. 太湖富營養(yǎng)化與藍藻水華引起的飲用水危機——原因與對策. 地球科學(xué)進展, 2007, 22(9): 896-906.]

[11] Chen Xiaofeng, Chuai Xiaoming, Zeng Jinetal. Nitrogenous fluxes and its self-purification capacity in Lake Taihu.EnvironmentalScience, 2012, 33(7): 2309-2314. [陳小鋒，揣小明，曾巾等. 太湖氮素出入湖通量與自凈能力研究. 環(huán)境科學(xué)，2012, 33(7): 2309-2314.]

[12] Yang Longyuan, Qin Boqiang, Hu Weipingetal. The atmospheric deposition of nitrogen and phosphorus nutrients in Taihu Lake.OceanologiaetLimnologiaSinica, 2007, 38(2): 104-110. [楊龍元，秦伯強，胡維平等. 太湖大氣氮、磷營養(yǎng)元素干濕沉降率研究. 海洋與湖沼, 2007, 38(2): 104-110.]

[13] Hu W, Zhai S, Zhu Zetal. Impacts of the Yangtze River water transfer on the restoration of Lake Taihu.EcologicalEngineering, 2008, 34(6): 30-49.

[14] Hu W, J?rgensen SE, Zhang F. A vertical-compressed three-dimensional ecological model in Lake Taihu, China.EcologicalModelling, 2006, 190(2): 367-398.

[15] Hu Weiping, Qin Boqiang. A three-dimensional numerical simulation on the dynamics in Taihu Lake, China (IV): Transportation and diffusion of conservative substance.JLakeSci, 2002, 14(4): 310-317. DOI:10.18307/2002.0403. [胡維平,秦伯強. 太湖水動力學(xué)三維數(shù)值試驗研究——4.保守物質(zhì)輸移擴散: 湖泊科學(xué), 2002, 14(4): 310-317].

[16] Prairie YT, Duarte CM, Kalff J. Unifying nutrient chlorophyll relationships in lakes.CanJFishAquat, 1989, 46(7): 1176-1182.

[17] Mazumder A. Phosphorus-chlorophyll relationships under contrasting herbivory and thermal stratication: Predictions and patterns.CanJFishAquatSci, 1994, 51(2): 390-400.

[18] Nürnberg GK. Trophic state of clear and colored, soft- and hardwater lakes with special consideration of nutrients, anoxia, phytoplankton andsh.LakeReservoirManage, 1996, 12(4): 432-447.

Research on appropriate hydraulic retention time on basis of water quality improvement of Lake Taihu

WANG Xianmin1, ZHAI Shuhua2, ZHANG Hongju2, HU Weiping3, LI Qinqin4& HAN Tao3

(1:DepartmentofResourcesandEnvironment,SchoolofAgriculture,GuangdongOceanUniversity,Zhanjiang524088,P.R.China)(2:WaterResourcesConservationBureau,TaihuBasinAuthority,MWR,Shanghai200434,P.R.China)(3:StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,P.R.China)(4:UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,P.R.China)

Hydrolic retention time in an aquatic environment of lake water has long been of interest to biological limnologists because it is very important for determining lacustrine ecosystem health and sensitive to pollution threats. To evaluate the retention time of Lake Taihu, three scenarios are set up according to the measured data of hydrological, meteorological, boundary conditions of water quantity and quality around the lake in 2010, in which the first is the real scheme, the second is the inflow flux multiplier scheme around the lake, and the last is Wangyu River inflow flux multiplier scheme. EcoTaihu Model is adopted to simulate the nutrients conditions in Lake Taihu and its subzones. The results show that under the hydrological, meteorological and the boundary conditions in 2010, an appropriate hydraulic retention time of Lake Taihu is between 150 days and 160 days.

Retention time; EcoTaihu Model; Lake Taihu; nutrients flow; eutrophication

*國家自然科學(xué)基金項目(51409049)資助. 2016-03-09收稿；2016-06-17收修改稿. 王冼民(1974～)，女，副教授; E-mail: xianmin810@163.com.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2017， 29(1)： 9-21

DOI 10.18307/2017.0102

?2017 byJournalofLakeSciences