韓 景

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

太湖是中國(guó)第三大淡水湖泊，是太湖流域水生態(tài)系統(tǒng)和水調(diào)節(jié)的中心。太湖水面積 2338km2，多年平均蓄水量 44.28 億 m3[1]。太湖可分為8個(gè)湖區(qū)，中間是湖心區(qū)，四周沿逆時(shí)針方向分別為竺山湖、西部沿岸區(qū)、南部沿岸區(qū)、東太湖、東部沿岸區(qū)、貢湖和梅梁湖[2]，湖區(qū)分布如圖1所示。

圖1 太湖湖區(qū)分布

竺山湖位于太湖西北角，為半封閉型湖灣，以自然的山體為湖岸線，行政隸屬常州武進(jìn)區(qū)和無(wú)錫宜興市。竺山湖湖區(qū)面積68.3km2，為太湖總面積的2.9%。竺山湖是水質(zhì)最差的太湖湖區(qū)，水體呈中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。

學(xué)者們對(duì)于太湖湖流的模擬研究已有幾十年，技術(shù)日益成熟，應(yīng)用日趨廣泛。王謙謙[3](1987)等人建立了太湖二維湖流整層積分模式；吳堅(jiān)(1987)等人為了研究湖流的垂直差異特性，提出了太湖三維湖流數(shù)值模式；胡維平[4](2000)等人用太湖三維湖流數(shù)值試驗(yàn)方法研究了馬山圍墾對(duì)太湖湖流的影響；展永興[5](2010)利用太湖二維水動(dòng)力模型，研究分析太湖流域水環(huán)境綜合治理中調(diào)水引流工程的實(shí)施效果；魏清福[6](2013)采用太湖二維湖流數(shù)值模型，探討了馬山內(nèi)河規(guī)模對(duì)梅梁湖和竺山湖的水動(dòng)力和水環(huán)境的影響；朱勇[7](2014)采用丹麥自主研發(fā)的MIKE 21 二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，計(jì)算整個(gè)大太湖的水流和水質(zhì)，研究了新孟河延伸拓浚工程對(duì)太湖水環(huán)境和水資源的影響。三維模式計(jì)算比較精細(xì)，但是對(duì)計(jì)算機(jī)配置和計(jì)算時(shí)間要求較高；太湖水面寬闊且水深較淺，水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度，二維模式的計(jì)算精度和時(shí)間基本可以滿足使用要求，應(yīng)用更為廣泛。

以上學(xué)者均把竺山湖作為太湖的一個(gè)部分參與模擬研究，受研究目的和空間分辨率的限制，僅對(duì)竺山湖的湖流特征進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，沒有研究竺山湖水體運(yùn)動(dòng)軌跡。本文采用二維水動(dòng)力數(shù)值模型，以竺山湖為主要研究對(duì)象，詳細(xì)探討不同風(fēng)況條件下的竺山湖湖流和水體遷移規(guī)律，以便進(jìn)一步研究竺山湖污染及懸移物質(zhì)的遷移擴(kuò)散規(guī)律，從而為竺山湖退圩還湖、生態(tài)修復(fù)、水環(huán)境治理等工程提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究思路和方法

1.1 模型介紹

湖泊二維水動(dòng)力模型基于Boussinesq假定和靜壓假定的二維不可壓雷諾平均N-S方程[8]，可用于計(jì)算各種不同作用力引起的水位和水流變化。方程采用單元中心的顯式有限體積法求解，可以保證水量和動(dòng)量在計(jì)算域內(nèi)的守恒[9]。模型采用由三角形或四邊形組成的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，可以更準(zhǔn)確地?cái)M合復(fù)雜岸線。同時(shí)利用干濕網(wǎng)格判斷法處理岸灘邊界的移動(dòng)，增加模型穩(wěn)定性。

太湖等淺水湖泊的垂直尺度遠(yuǎn)小于水平尺度，流速、流向等水力參數(shù)沿垂直向的變化較之沿水平向的變化要小很多[10]，可以將三維控制方程沿水深積分，從而得到沿水深平均的二維淺水控制方程組，包括；連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

1.2 計(jì)算范圍及網(wǎng)格

太湖地形比較復(fù)雜，研究竺山湖地區(qū)水域水動(dòng)力，離不開整個(gè)大太湖的水動(dòng)力研究，因此本次計(jì)算范圍為整個(gè)太湖。

根據(jù)太湖的地形特點(diǎn)和計(jì)算要求，網(wǎng)格劃分采用三角形網(wǎng)格，根據(jù)地形和岸線特點(diǎn)及研究目的進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)置。竺山湖區(qū)域網(wǎng)格尺寸為10～30m，其他湖區(qū)網(wǎng)格尺寸為100～200m，網(wǎng)格總數(shù)為24512個(gè)。太湖模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格示意圖如圖2所示。水下地形資料以太湖1∶50000～1∶10000水下地形資料為主，如圖3所示。

圖2 太湖模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格示意圖

圖3 太湖水下地形示意圖

1.3 模型設(shè)置

旁側(cè)出入流采用環(huán)湖主要口門平均出入湖流量，流量按照太湖流域相關(guān)規(guī)劃中的走馬塘拓浚延伸[11]、新溝河延伸拓浚[12]、新孟河延伸拓浚[13]、望虞河西岸控制等工程都實(shí)施后的情況考慮。

模型計(jì)算中對(duì)環(huán)湖225個(gè)口門按出入湖特點(diǎn)概化為22個(gè)，其中包括望虞河、太浦河、漕橋河、殷村港等。

初始水位取全太湖平均水位3.11m，降雨與水面蒸發(fā)按太湖多年平均取值，風(fēng)條件取太湖區(qū)域平均風(fēng)速4.1m/s，風(fēng)切應(yīng)力系數(shù)取為0.0026；曼寧系數(shù)取為0.025～0.30。

本模型計(jì)算成果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果基本吻合，可應(yīng)用于太湖湖流的研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖流

計(jì)算湖流采用的風(fēng)況包括無(wú)風(fēng)、定常東南風(fēng)和定常西北風(fēng)，對(duì)應(yīng)的太湖和竺山湖流場(chǎng)分布見如圖4—9所示。

太湖地形和形態(tài)特殊，東北部湖岸曲折多湖灣，西南部湖岸平滑呈圓弧形，太湖內(nèi)部島嶼和出入湖口門眾多，所以太湖湖流比較復(fù)雜。無(wú)風(fēng)條件下，太湖以吞吐流為主，入湖流量較大的口門附近流速較大，其他區(qū)域流速較??；東南風(fēng)條件下，太湖湖流的流場(chǎng)分布受地形、風(fēng)速、風(fēng)向及出入湖流的共同影響，以風(fēng)生流為主，太湖形成以西南部為中心的主回流場(chǎng)和湖灣內(nèi)若干副回流場(chǎng)，太湖西南側(cè)以大雷山為中心有一個(gè)比較大的順時(shí)針環(huán)流，而東側(cè)有一個(gè)更大的逆時(shí)針環(huán)流，兩個(gè)環(huán)流幾乎覆蓋了整個(gè)太湖，兩個(gè)環(huán)流的“齒合”處在大雷山與小雷山的東南側(cè)，東側(cè)大逆時(shí)針環(huán)流中還有眾多相互“齒合”的小環(huán)流；西北風(fēng)條件下，太湖形成以西南部為中心的主回流場(chǎng)和湖灣內(nèi)若干副回流場(chǎng)，環(huán)流和沿岸流方向與東南風(fēng)作用時(shí)相反。

竺山湖形似一個(gè)倒立的花瓶，瓶頸位于西岸竺山咀和東岸胥山的連線上，以瓶頸為界可將竺山湖分為南北兩部分，瓶頸的存在是竺山湖湖流不暢的一個(gè)重要因素。無(wú)風(fēng)條件下，太湖以吞吐流為主，入湖流量較大的漕橋河、殷村港等的口門附近流速較大，其他區(qū)域流速較小，竺山湖平均流速為0.017m/s；盛行東南風(fēng)條件下，竺山湖以風(fēng)生流為主，湖區(qū)北部形成兩個(gè)主要環(huán)流，西側(cè)為順時(shí)針方向，東側(cè)為逆時(shí)針方向，東側(cè)環(huán)流范圍比西側(cè)稍大，中間流速大，東西兩側(cè)流速小，兩側(cè)沿岸水流流向都是由南向北，湖區(qū)南部東、西兩側(cè)以沿岸入流為主，分別呈逆時(shí)針、順時(shí)針流向，在中部匯集北部湖流，流入大太湖，總體流態(tài)復(fù)雜，存在多個(gè)緩流區(qū)，竺山湖平均流速為0.031m/s；盛行西北風(fēng)條件下，竺山湖流態(tài)與東南風(fēng)時(shí)差別較大，湖區(qū)北部無(wú)明顯環(huán)流，湖流形態(tài)與右傾的字母Z近似，中間流速小，東西兩側(cè)流速大，兩側(cè)沿岸水流流向都是由北向南，湖區(qū)南部大部分區(qū)域流速較小，大部分湖水順著東部沿岸流入大太湖，竺山湖平均流速為0.028m/s。

圖4 無(wú)風(fēng)條件下太湖流場(chǎng)

圖5 東南風(fēng)條件下太湖流場(chǎng)

圖6 西北風(fēng)條件下太湖流場(chǎng)

圖7 無(wú)風(fēng)條件下竺山湖流場(chǎng)

圖8 東南風(fēng)條件下竺山湖流場(chǎng)

圖9 西北風(fēng)條件下竺山湖流場(chǎng)

2.2 水量交換

統(tǒng)計(jì)不同風(fēng)況條件下竺山湖口斷面的進(jìn)出流量，詳見表1。

表1 竺山湖和大太湖流量交換統(tǒng)計(jì)表 單位：m3/s

無(wú)風(fēng)條件下，從竺山湖進(jìn)入大太湖的流量為131.9m3/s，沒有水從大太湖進(jìn)入竺山湖；盛行東南風(fēng)條件下，從竺山湖進(jìn)入大太湖的流量為283.9m3/s，從大太湖進(jìn)入竺山湖的流量為152.0m3/s，凈出竺山湖流量為131.9m3/s，每年凈出竺山湖水量約為41.6億m3；盛行西北風(fēng)條件下，從竺山湖進(jìn)入大太湖的流量為194.7m3/s，從大太湖進(jìn)入竺山湖的流量為62.8m3/s，凈出竺山湖流量為131.9m3/s，每年凈出竺山湖水量約為41.6億m3。

竺山湖和大太湖的水量交換受湖流影響明顯，凈出竺山湖流量主要取決于竺山湖口門的吞吐流量。東南風(fēng)產(chǎn)生的環(huán)流使竺山湖和大太湖的水量交換更充分，但不同風(fēng)況下的凈出湖流量相同。根據(jù)竺山湖容積和出湖流量估算竺山湖水體的平均換水周期約為10d，但由于竺山湖環(huán)流眾多，流速分布不均，不同區(qū)域水體的換水周期差別很大。越靠近環(huán)流中心流速越小，換水周期越長(zhǎng)，易發(fā)生水華等問題。

2.3 水體遷移

在竺山湖平均分布30個(gè)水質(zhì)點(diǎn)，通過水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡分析竺山湖水體的遷移規(guī)律。模擬的基本風(fēng)況包括無(wú)風(fēng)、定常東南風(fēng)和定常西北風(fēng)，因?yàn)樗{(lán)藻等現(xiàn)象在夏季發(fā)生頻率較高，所以增加計(jì)算夏季實(shí)際風(fēng)情況。以2010年夏季風(fēng)數(shù)據(jù)為例，7—8月的最大風(fēng)速為12.8 m/s，7—8月的平均風(fēng)速為3.9m/s，西北風(fēng)頻率很低，東南風(fēng)、東東南風(fēng)和東風(fēng)頻率較高。夏季實(shí)際風(fēng)過程線如圖10所示，夏季實(shí)際風(fēng)玫瑰如圖11所示。不同風(fēng)況條件下的水質(zhì)點(diǎn)遷移軌跡如圖12—15所示，圖中淡藍(lán)色線表示竺山湖水質(zhì)點(diǎn)在60d內(nèi)運(yùn)動(dòng)的軌跡，彩色圓點(diǎn)表示水質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)位置。

圖10 夏季實(shí)際風(fēng)過程線

圖11 夏季實(shí)際風(fēng)玫瑰

無(wú)風(fēng)條件下，竺山湖水體平順緩慢地往南運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過約60d時(shí)間可到達(dá)湖心西部；盛行東南風(fēng)條件下，水體運(yùn)動(dòng)軌跡受環(huán)流影響，竺山湖水體主要往南運(yùn)動(dòng)，到南太湖沿岸后分為兩部分，一部分水體往東流入東太湖，另一部分水體往西按順時(shí)針方向依次流入南部沿岸區(qū)、西部沿岸區(qū)、湖心區(qū)西部，最終再流入東太湖，最早到達(dá)東太湖的時(shí)間小于60d；盛行西北風(fēng)條件下，水體運(yùn)動(dòng)軌跡受環(huán)流影響，竺山湖水體在竺山湖出口處分為兩部分，一部分水體往東依次流入梅梁湖、貢湖、湖心區(qū)、東部沿岸區(qū)，最終流入東太湖，另一部分水體往西依次流入西部沿岸區(qū)、南部沿岸區(qū)，最后流入東太湖，最早到達(dá)東太湖的時(shí)間小于60d。

夏季實(shí)際風(fēng)條件下，由于西北風(fēng)頻率很低，東南風(fēng)、東東南風(fēng)和東風(fēng)頻率較高，所以竺山湖水體的運(yùn)動(dòng)軌跡與定常東南風(fēng)條件下的運(yùn)動(dòng)軌跡相似。水體總體往南運(yùn)動(dòng)，由于風(fēng)速風(fēng)向隨時(shí)間變化，水體運(yùn)動(dòng)軌跡比較不規(guī)則，有震蕩現(xiàn)象，經(jīng)過約60d時(shí)間到達(dá)南太湖沿岸，分為兩部分，一部分水體往東流入東太湖，另一部分水體往西按順時(shí)針方向依次流入南部沿岸區(qū)、西部沿岸區(qū)、湖心區(qū)西部，最終再流入東太湖。

太湖的湖流比較復(fù)雜，所以竺山湖水體離開竺山湖后的運(yùn)動(dòng)軌跡比較復(fù)雜。不同風(fēng)況條件下，竺山湖水體都會(huì)經(jīng)過其他湖區(qū)到達(dá)東太湖，無(wú)風(fēng)時(shí)到達(dá)時(shí)間最長(zhǎng)，東南風(fēng)時(shí)到達(dá)時(shí)間最短，西北風(fēng)時(shí)竺山湖水體流經(jīng)的湖區(qū)最多。

圖12 無(wú)風(fēng)條件下竺山湖水體遷移軌跡

圖13 東南風(fēng)條件下竺山湖水體遷移軌跡

圖14 西北風(fēng)條件下竺山湖水體遷移軌跡

圖15 夏季實(shí)際風(fēng)條件下竺山湖水體遷移軌跡

3 結(jié)語(yǔ)

竺山湖受湖泊形態(tài)、入流和風(fēng)等因素的影響，湖流形態(tài)復(fù)雜。無(wú)風(fēng)條件下以吞吐流為主；有風(fēng)條件下以風(fēng)生流為主，環(huán)流眾多，局部水動(dòng)力不佳。

竺山湖水體遷移規(guī)律受風(fēng)影響明顯。不同風(fēng)況條件下，竺山湖水體會(huì)從不同方向流經(jīng)不同湖區(qū)，最終到達(dá)東太湖。無(wú)風(fēng)時(shí)到達(dá)時(shí)間最長(zhǎng)，東南風(fēng)時(shí)到達(dá)時(shí)間最短，西北風(fēng)時(shí)流經(jīng)的湖區(qū)最多。

竺山湖目前是水質(zhì)最差的湖區(qū)，其湖流和水體遷移規(guī)律決定了污染及懸移物質(zhì)的擴(kuò)散規(guī)律?？梢酝茢啵蒙胶w將攜帶污染及懸移物質(zhì)隨風(fēng)遷移至其他湖區(qū)，從而影響整個(gè)太湖的水質(zhì)。因此，加強(qiáng)竺山湖水環(huán)境治理是太湖水環(huán)境綜合治理的關(guān)鍵。