易雨君，郭玉明，劉泓汐*

(1:煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院，煙臺 264005) (2:北京師范大學(xué)教育部水沙科學(xué)重點實驗室，北京 100875) (3:北京師范大學(xué)自然科學(xué)高等研究院，珠海 519087)

巢湖流域位于安徽省中部，屬長江下游左岸一級水系，是安徽省會經(jīng)濟圈主體，作為蓄洪、灌溉、航運、漁業(yè)、城市供水、旅游觀光等多種功能的重要載體，為安徽地區(qū)區(qū)域經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展以及人類生存提供了重要保證，同時面臨社會經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境生態(tài)保護雙重壓力[1]. 伴隨著流域城市化和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動步伐加快，從1970s開始，巢湖水質(zhì)惡化，經(jīng)治理后水質(zhì)有所改善，東湖區(qū)水質(zhì)接近Ⅲ類，但西湖區(qū)水質(zhì)仍難以穩(wěn)定達(dá)到IV類水質(zhì)目標(biāo)[2-3]. 水量與水動力是河湖生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)變量[4]，為改善和維護區(qū)域水環(huán)境，增強水動力條件成為治理水環(huán)境的措施之一，其中調(diào)水引流是較為常見且重要的一種手段[5]. “引江濟巢”是安徽省水資源配置的重要戰(zhàn)略工程. 引長江清水入巢湖，并通過增加長江和巢湖之間的水量交換，縮短湖泊水體置換時間以改善巢湖水質(zhì). 同時“引江濟巢”是引江濟淮的起始段工程，需要保證濟淮水質(zhì)以改善淮河水生態(tài)[6-7]. 因此，“引江濟巢”工程調(diào)引的江水能否入湖、以何種線路入湖既關(guān)系巢湖水質(zhì)改善，又影響后續(xù)濟淮工程的效果[8-9].

結(jié)合巢湖水質(zhì)空間分布特點和工程建設(shè)成本，“引江濟巢”工程先后提出多條調(diào)水路線和多種調(diào)水方案[8,10]，并基于試驗、統(tǒng)計、遙感、數(shù)值模擬等方法對比了不同調(diào)水方式對巢湖水質(zhì)的影響[6,11-13]. 對湖泊水質(zhì)評估通常以監(jiān)測點為基礎(chǔ)，開展監(jiān)測點區(qū)域、監(jiān)測點流域等評估單元的湖泊健康狀態(tài)評估研究[14-15]. 其中在2007年進行了試驗性調(diào)水，結(jié)果表明調(diào)水自兆河入湖對巢湖水動力條件影響較小，對東湖區(qū)水質(zhì)有一定改善作用，但對西湖區(qū)水質(zhì)影響較小[6,12,16]. 相關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果表明若改變調(diào)水路線，自白石天河入湖對西湖區(qū)和中湖區(qū)的水質(zhì)改善作用明顯[11]. 然而，基于某一年巢湖的水質(zhì)情況分析調(diào)水對湖區(qū)水質(zhì)影響的研究，難以反映巢湖在豐水年、平水年和枯水年下，入湖流量、水質(zhì)年際變化等原因所導(dǎo)致的調(diào)水對水質(zhì)影響的差異[17-18]. 相較試驗、統(tǒng)計、遙感等方法，數(shù)值模擬可以更好地考慮多因素影響[19-29]. EFDC一般應(yīng)用于河流、湖泊、近岸水域，在模擬水質(zhì)方面有較廣的應(yīng)用，可以較好地擬合固定河岸邊界和底部地形；傳播速度慢，允許較大的模擬時間步長. 但在實際模擬過程中涉及的參數(shù)眾多，部分參數(shù)難以確定. Delft3D主要應(yīng)用于河口、河流、海洋等區(qū)域，具有靈活的框架，能夠模擬二維和三維的水流、波浪、水質(zhì)、生態(tài)、泥沙輸移各個過程之間的相互作用，但模型較為復(fù)雜，計算工作量較大. MIKE21在模擬河流、湖泊、波浪、泥沙及生態(tài)等方面應(yīng)用非常廣泛，軟件界面友好，前、后處理功能強大，具有便于應(yīng)用和模擬精度較高的優(yōu)點[25-26]. 本文通過水動力水質(zhì)模型模擬了巢湖不同典型年的流場和總氮、總磷分布特征，探究了不同調(diào)水路線在不同典型年條件下對巢湖水動力條件的影響以及對水質(zhì)的改善作用，以期為后續(xù)“引江濟巢”調(diào)水方案和巢湖水環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù).

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

巢湖(31°40′～32°12′N, 117°28′～118°25′E)是我國五大淡水湖之一，位于安徽省合肥市下游，屬長江下游左岸一級水系. 巢湖多年平均水位8.52 m，平均水深2.69 m，湖泊面積769 km2. 巢湖流域面積13680 km2，地勢西高東低，流域涉及合肥、蕪湖、馬鞍山、六安、安慶五市共17個縣(市、區(qū)). 2020年流域人口總計約1187萬人，占全省人口的19.5%. 流域經(jīng)濟發(fā)展水平較高，2020年巢湖流域地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)11224億元，占安徽省經(jīng)濟總量的29%，經(jīng)濟發(fā)展以工業(yè)和旅游服務(wù)業(yè)為主[7].

巢湖入湖主要支流中流域面積在500 km2以上的有杭埠河、南淝河、白石天河、十五里河、派河、兆河等，呈放射狀匯入巢湖(圖1)，其中杭埠河、南淝河、白石天河3條河流入湖徑流量占75%以上，杭埠河水量最大[9].

安徽省自2007年啟動“引江濟巢”調(diào)水試驗，巢湖通過廬江縣和巢湖市內(nèi)的西河鳳凰頸閘站、裕溪閘、牛屯河分洪道新橋閘與長江干流溝通,具備引江灌溉和排除內(nèi)水的雙向功能[19,30].

1.2 模型構(gòu)建及驗證

1.2.1 模型構(gòu)建 巢湖為淺水湖泊(最大水深低于10 m[24])，垂向分層不明顯，MIKE21的三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有復(fù)雜區(qū)域適宜性好、局部加密靈活和便于自適應(yīng)的優(yōu)點，能很好地模擬自然邊界及復(fù)雜的水下地形，同時計算速度較快，可以模擬因各種作用力產(chǎn)生的水位和水流變化及模擬忽略分層的二維自由表面流[25-26]. 因此本研究采用二維水動力水質(zhì)模型MIKE21模擬巢湖水動力水質(zhì)特征及不同“引江濟巢”線路的影響. 湖泊地形通過ADCP實測得到，水位流量數(shù)據(jù)來自安徽省水利廳.

入湖支流中杭埠河、南淝河、白石天河、十五里河、派河、兆河、柘皋河7條河流入湖徑流總量占全湖入湖徑流量的90%以上，因此模型單獨考慮該7條河流的入湖流量過程，其他支流作為區(qū)間入流，主要出湖河流為裕溪河. 以上述各入湖支流流量為上邊界，裕溪河實測水位為下邊界(圖1). 巢湖湖區(qū)地形采用實測地形資料，綜合考慮模型計算穩(wěn)定性及計算效率，模型采用三角網(wǎng)格，包括3100個節(jié)點，5188個單元，單元平均邊長800 m. 在河流入湖口進行局部網(wǎng)格加密，加密單元平均邊長400 m.

本次模擬選取時間步長為30 s；根據(jù)巢湖實地調(diào)研情況和對前人總結(jié)經(jīng)驗的分析，定義干水深hdry=0.005 m，淹沒水深hflood=0.05 m，濕水深hwet=0.1 m. 巢湖屬于淺水湖泊，垂向密度變化不大，密度梯度可以忽略不計. 本次模擬水體密度計算采取正壓模式，即定義溫度和鹽度為定值，模擬過程中水體密度保持不變.

基于巢湖7個國家站(圖1)降雨歷史時間序列分析，2010-2021年巢湖年均降雨量為1178 mm，選定2016年(1533 mm)、2021(1165 mm)和2019年(697 mm)分別作為豐水年、平水年和枯水年的代表年份，各年入湖總水量、出湖平均水位、入湖總氮總磷年負(fù)荷如表1所示. 采用徑流系數(shù)法推算得到各入湖支流月流量作為入湖邊界條件，出湖河流裕溪河閘上日均實測水位作為出湖邊界條件. 基于湖區(qū)8個監(jiān)測點實測值，通過插值法得到總氮、總磷初始濃度分布作為水質(zhì)模塊初始條件，各支流月均濃度作為邊界條件. 以巢湖水文站實測日降雨量作為降雨輸入；巢湖蒸發(fā)量年際差異較小[27]，采用巢湖閘上多年平均月蒸發(fā)量.

圖1 巢湖湖區(qū)監(jiān)測點、不同調(diào)水路線分布、巢湖網(wǎng)格劃分及巢湖流域降雨站分布Fig.1 Monitoring points in Lake Chaohu area, distribution of different water transfer routes, grid division of Lake Chaohu and distribution of rainfall stations in Lake Chaohu Basin

表1 不同典型年巢湖入湖水量、水位、總氮負(fù)荷及總磷負(fù)荷

1.2.2 模型率定 運用2016年實測日均水位對水動力模塊進行率定，曼寧系數(shù)為25 m1/3/s，渦流粘性系數(shù)為0.25，預(yù)測值與實測值的R2為0.99；總氮、總磷的擴散系數(shù)取值為15～25 m2/s，降解系數(shù)為0.001～0.015 d-1[28-29]. 運用巢湖湖區(qū)8個監(jiān)測點2016年總氮、總磷的月均濃度率定，總氮的擴散系數(shù)和降解系數(shù)分別為25 m2/s和0.00907200 d-1，總磷的擴散系數(shù)和降解系數(shù)分別為25 m2/s和0.00603072 d-1，率定后總氮、總磷模擬值與實測值的R2分別為0.64和0.65；運用2021年對應(yīng)的實測數(shù)據(jù)對水動力水質(zhì)模型進行驗證，水動力模型預(yù)測值與實測值的R2為0.99，總氮、總磷模擬值與實測值的R2分別為0.65和0.61(圖2). 總氮、總磷確定性系數(shù)R2大于0.6，表明模型精度合理[31].

圖2 模型驗證實測值與模擬值對比Fig.2 Model validation comparison of measured and simulated values

1.2.3 “引江濟巢”調(diào)水路線 “引江濟巢”工程通過引長江清水改善巢湖湖區(qū)水環(huán)境，根據(jù)工程布局，方案一為通過鳳凰頸排灌站提水，經(jīng)西河、兆河進入巢湖后，從裕溪河注入長江；方案二為通過樅陽閘樞紐，途經(jīng)菜子湖、孔城河及白石天河進入巢湖后，經(jīng)由派河出流. 兩種調(diào)水方案在各典型年對湖區(qū)水動力水質(zhì)的影響仍需深入討論. 不同典型年的進一步調(diào)水路線尚需根據(jù)湖區(qū)水質(zhì)狀況及實際需要進行論證[8,12](圖1).

2017年7月16日-8月7日，安徽省為改善巢湖水質(zhì)，以兆河為入口調(diào)水入巢，總計調(diào)水2.69億m3(圖3)，入湖的總氮濃度為1.44 mg/L，總磷濃度為0.059 mg/L[6]. 由于目前關(guān)于調(diào)水對湖區(qū)水體改善的影響程度尚不清楚. 本研究基于此次調(diào)水，以日均實際調(diào)水量和入湖水質(zhì)設(shè)定調(diào)水情景的水動力水質(zhì)邊界條件，模擬白石天河、兆河兩條調(diào)水路線在不同典型年——豐水年(2016年)、平水年(2021年)和枯水年(2019年)對巢湖水質(zhì)的影響. 結(jié)合實際調(diào)水工程布局，白石天河入水時設(shè)定關(guān)閉巢湖閘，出水口由裕溪河變?yōu)榕珊?；兆河入水時，出水口仍為裕溪河.

圖3 “引江濟巢”調(diào)水流量過程Fig.3 Flow process of water diversion from Yangtze River to Lake Chaohu

2 結(jié)果與討論

2.1 典型年巢湖流場模擬結(jié)果

各典型年不同季節(jié)流場模擬結(jié)果如圖4所示. 入湖水流由西湖區(qū)經(jīng)中湖心流向東湖區(qū)，由于派河、十五里河、南淝河入湖流量相對較小，西湖區(qū)流速整體低于中湖心和東湖區(qū). 7條河流入湖后均從裕溪河出流，裕溪河口出口區(qū)域流速顯著高于湖區(qū)其他部分，尤其在流量較大的豐水年更為明顯.

年際變化上，受入湖流量影響，不同典型年春季流場差異較小，西湖區(qū)流速普遍低于0.4 cm/s，中湖心流速在0.6 cm/s左右，東湖區(qū)流速在裕溪河出口流域速度較快，在1.2 cm/s以上. 其余季節(jié)內(nèi)，豐水年流速最大，枯水年流速最小. 年內(nèi)變化上，豐水年、平水年不同季節(jié)間流場變化較大. 由于夏、秋季入湖流量大且風(fēng)速較高，豐水年夏秋季流場強于春、冬季，且主要體現(xiàn)在中湖心和東湖區(qū)，西湖區(qū)流場變化相對較小. 在豐水年與平水年的夏秋季，西湖區(qū)與中湖心連接處的姥山島附近流速較快，在1.2 cm/s以上，西湖區(qū)流速在0.5～0.7 cm/s左右，部分河口位置可超過1.2 cm/s，春冬季則基本在0.4 cm/s以下. 枯水年不同季節(jié)間，尤其是夏秋冬季流場變化相對較小. 巢湖西湖區(qū)流場的年際、年內(nèi)變化較小，流速整體較小普遍在0.3 cm/s以下，在部分流量較大的杭埠河口附近以及裕溪河口出口區(qū)域流速相對較高在0.8 cm/s以上.

圖4 不同典型年巢湖季節(jié)流場分布Fig.4 Distribution of seasonal flow field in Lake Chaohu in different typical years

2.2 不同典型年巢湖水質(zhì)分布特征

與湖區(qū)8個監(jiān)測點實測總氮總磷對比，模擬值與實測值一致，總氮的平均誤差率為11%，總磷的平均誤差率為13%. 各典型年巢湖的總氮、總磷分布均呈現(xiàn)明顯的空間分異性，西湖區(qū)的總氮、總磷濃度顯著高于東湖區(qū)(圖5，圖6). 各典型年西湖區(qū)總氮濃度總體大于1.5 mg/L，總磷濃度總體大于0.1 mg/L，屬于Ⅴ類水或劣Ⅴ類水；中湖心總氮濃度在1.0～1.5 mg/L左右，總磷濃度在0.1 mg/L左右，屬于Ⅳ類水或Ⅴ類水；東湖區(qū)總氮濃度在1.0 mg/L左右，總磷濃度在0.07 mg/L左右，屬于Ⅲ類水或Ⅳ類水. 由于平水年夏秋季降水量較大，且湖泊水位較高蓄水量較大，湖泊氮磷稀釋作用較強，因此西湖區(qū)總氮濃度在1.2～1.5 mg/L左右. 由于西湖區(qū)入湖支流較多且入湖支流沿岸聚集著城市生活區(qū)、工業(yè)生產(chǎn)區(qū)和農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，氮磷入湖負(fù)荷高[32]. 同時，裕溪河上巢湖閘的修建導(dǎo)致巢湖水體環(huán)境相對封閉，更新周期延長. 西湖區(qū)流速滯緩(圖4)，水動力條件不利于氮磷入湖后的擴散. 尤其是污染較重的南淝河，其入湖口附近區(qū)域為污染聚集區(qū)，各典型年濃度基本大于3.5 mg/L. 而東湖區(qū)入湖支流較少，接納的外源污染物輸入較少，且東湖區(qū)水動力條件相對較強，加之污染物可經(jīng)由巢湖閘排出，污染物濃度較西湖區(qū)顯著偏低[32]. 年際變化上，豐水年與平水年由于入湖負(fù)荷較大，湖泊氮磷濃度整體高于枯水年. 由于平水年降雨量較大，湖泊氮磷產(chǎn)生稀釋作用，且枯水年西湖區(qū)入湖支流夏、冬季污染物負(fù)荷相較于平水年更高，因此枯水年西湖區(qū)在夏、冬季的總氮濃度高于平水年. 由于夏、秋季豐水年中湖心的水動力條件較強(圖4)，利于總氮、總磷擴散，因此豐水年中湖心，在夏、秋季的總氮、總磷濃度明顯高于平水年與枯水年. 年內(nèi)變化上，受入湖負(fù)荷差異影響，總氮濃度表現(xiàn)為春冬季高于夏秋季，總磷濃度表現(xiàn)為春冬季低于夏秋季. 枯水年春季總磷濃度較高是由于污染物負(fù)荷最高的南淝河春季流量較大. 枯水年秋季杭埠河污染物濃度異常升高，因此增加了西湖區(qū)入湖負(fù)荷.

圖5 不同典型年巢湖不同季節(jié)總氮分布Fig.5 Distribution of total nitrogen in different seasons of Lake Chaohu in different typical years

圖6 不同典型年巢湖不同季節(jié)總磷分布Fig.6 Distribution of total phosphorus in different seasons of Lake Chaohu in different typical years

2.3 不同調(diào)水路線對巢湖水動力水質(zhì)的影響

“引江濟巢”不同調(diào)水路線下巢湖的流場模擬結(jié)果如圖7所示. 結(jié)果表明，自兆河調(diào)水提高了巢湖中湖心、東湖區(qū)和裕溪河的流速，豐水年、平水年、枯水年的中湖心流速分別提高了8%、5%、23%，東湖區(qū)流速分別提高了14%、13%、20%. 由于枯水年水動力條件較差，因此兆河調(diào)水對枯水年中湖心、東湖區(qū)的水動力改善效果最好. 由于西湖區(qū)入湖流量的減小，因此兆河調(diào)水對西湖區(qū)的流場影響表現(xiàn)出水動力條件豐水年最弱，枯水年最強的情況. 污染物自中湖心向東湖區(qū)、裕溪河的水動力條件增強. 自白石天河調(diào)水由于出水由裕溪河變?yōu)榕珊?，巢湖流場發(fā)生改變，由中湖心流向西湖區(qū). 巢湖閘的關(guān)閉降低了中湖心和東湖區(qū)流速，派河出水提高了西湖區(qū)的流速，豐水年、平水年、枯水年的西湖區(qū)流速分別提高了136%、38%、34%. 由于枯水年的水動力條件更弱，因此白石天河調(diào)水對西湖區(qū)的水動力條件影響最為明顯. 不同典型年間，調(diào)水期間均表現(xiàn)出豐水年水動力條件最強，枯水年水動力條件最弱的特征.

圖7 不同典型年調(diào)水期間巢湖流場分布Fig.7 Distribution of flow field in Lake Chaohu during water transfer in different typical years

圖8所示為西湖區(qū)、中湖心、東湖區(qū)在不同典型年、不同調(diào)水路線條件下總氮和總磷時空分布的模擬結(jié)果，不同湖區(qū)所選代表點如圖1所示. 可以看出，白石天河入流相較兆河入流對巢湖水質(zhì)的改善作用更明顯. 至調(diào)水結(jié)束，相較兆河入流豐水年經(jīng)白石天河入流總氮和總磷在各典型站位降低，分別為西湖區(qū)29%、53%；中湖心26%、9%；東湖區(qū)45%、13%；而對于東湖區(qū)，兆河入流對水質(zhì)的改善效果優(yōu)于白石天河. 自白石天河入流在豐水年對水質(zhì)的改善作用高于平水年和枯水年. 在平水年，相較兆河入流經(jīng)白石天河入流總氮、總磷在西湖區(qū)分別降低31%、20%；而對于東湖區(qū)相較兆河入流經(jīng)白石天河入流對流場的改變，使得西湖區(qū)濃度較高的湖水對東湖區(qū)的影響更小，因此白石天河入流對東湖區(qū)水質(zhì)改善效果優(yōu)于兆河入流. 兩條調(diào)水路線在枯水年對總磷的影響差異較小，這是由于豐水年和平水年巢湖水體總氮、總磷濃度高于枯水年，水質(zhì)較好的長江水入湖后對湖水的稀釋作用明顯，以及枯水年水動力條件較差，西湖區(qū)污染物濃度較高的湖水向東湖區(qū)推流作用相較豐水年、枯水年不明顯. 同時，白石天河入流對應(yīng)派河出流，此調(diào)水路線加強了西湖區(qū)水動力條件(圖7)，加快了氮磷在西湖區(qū)的擴散，更有利于改善西湖區(qū)水質(zhì). 基于模擬結(jié)果，本研究建議考慮白石天河入流調(diào)水路線.

圖8 不同典型年下不同調(diào)水路線對巢湖水質(zhì)的影響Fig.8 Impacts of different water transfer routes on water quality of Lake Chaohu in different typical years

3 結(jié)論

本研究模擬了巢湖豐水年、平水年、枯水年流場和總氮、總磷的分布特征，以及不同調(diào)水路線在不同典型年條件下對湖區(qū)水質(zhì)的改善作用. 模擬結(jié)果與巢湖實測數(shù)據(jù)擬合較好. 模擬結(jié)果表明，巢湖流場和水質(zhì)分布有明顯的空間差異性，西湖區(qū)入湖負(fù)荷大、流速小，污染物易于聚集，東湖區(qū)入湖負(fù)荷小、水動力擴散條件較好，水質(zhì)優(yōu)于西湖區(qū). 相較于枯水年，豐水年與平水年氮磷負(fù)荷較高，巢湖水質(zhì)較差，因此“引江濟巢”工程在豐水年和平水年對巢湖水質(zhì)的改善作用顯著. 相較兆河入流，白石天河入流對應(yīng)派河出流，改變了西湖區(qū)流場，加大了西湖區(qū)流速，強化了長江水入湖后對巢湖西湖區(qū)的稀釋作用，同時由于西湖區(qū)流場的改變，西湖區(qū)濃度較高的湖水對東湖區(qū)的影響減小，因此白石天河入流對巢湖水質(zhì)的改善作用更明顯. 本研究針對不同典型年，探究了不同調(diào)水路線對巢湖水動力條件的影響以及對水質(zhì)的改善作用，結(jié)果可為調(diào)水工程方案的評估與優(yōu)化和巢湖水環(huán)境治理提供建議.

致謝:感謝青悅數(shù)據(jù)(data.epmap.org)提供的環(huán)境數(shù)據(jù)處理支持.