鄱陽湖水利調(diào)控對湖區(qū)典型豐枯水年水動力水質(zhì)影響研究

楊中華，朱政濤，2，槐文信，白鳳朋

（1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；2.浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002）

1 研究背景

鄱陽湖是中國最大的淡水湖，湖區(qū)面積達(dá)3150 km2，位于長江中下游南岸，湖區(qū)主要承納“五河”來流（贛江、撫河、信江、饒河、修河），來流經(jīng)鄱陽湖主湖區(qū)調(diào)蓄后由北部狹長入江水道匯入長江。近十年來，鄱陽湖已經(jīng)連續(xù)多年出現(xiàn)了枯水期水位降低、枯水天數(shù)增加，低水位時間提前等不利情況，這些現(xiàn)象都影響到湖區(qū)原有的水文節(jié)律。近年來，針對鄱陽湖的水文情勢演變規(guī)律及成因分析開展了大量的研究，長江上游大型水利工程的修建、湖區(qū)上游來水來沙條件變化以及采砂等因素被視為導(dǎo)致鄱陽湖水文情勢變化的主要因素［1-3］。為了確保鄱陽湖能維持“一湖清水”，江西省政府提出興建鄱陽湖水利樞紐工程的方案，以此實現(xiàn)湖區(qū)生態(tài)與周邊社會經(jīng)濟(jì)的和諧發(fā)展。擬建的鄱陽湖水利樞紐工程是Ⅰ等大（1）型水利工程，由開放式全閘結(jié)構(gòu)組成，位于湖區(qū)北部的狹長入江水道（29°32′N，116°07′E），工程距上游星子縣城約12 km，至鄱陽湖入江口約27 km。樞紐工程建設(shè)的基本理念是：建閘不建壩，調(diào)枯不調(diào)洪，攔水不發(fā)電，江湖兩利，動態(tài)調(diào)控。每年汛期（4—8月）樞紐工程閘門全部保持打開狀態(tài)，此時江湖連通；枯水期（9月—次年3月）堅持生態(tài)保護(hù)與綜合利用相結(jié)合的原則，根據(jù)當(dāng)年實際水情對湖區(qū)水位進(jìn)行動態(tài)調(diào)控，保證枯季鄱陽湖湖區(qū)能維持在一個相對穩(wěn)定的水位。江西省鄱陽湖水利樞紐建設(shè)辦公室在2013年6月初步擬定了鄱陽湖水利樞紐工程規(guī)劃調(diào)度方案［4］。

鄱陽湖水利樞紐興建后，勢必會導(dǎo)致湖區(qū)水流條件的變化［5］，進(jìn)而影響到湖泊生態(tài)系統(tǒng)，所以探討擬建鄱陽湖水利樞紐工程對湖區(qū)水文水動力的影響是十分必要的［6-13］。通過對水文水動力的研究，可以進(jìn)一步分析樞紐工程對鄱陽湖湖區(qū)水環(huán)境質(zhì)量可能產(chǎn)生的影響。胡春宏等［6］對樞紐工程對水資源、防洪、湖區(qū)水環(huán)境、魚類影響、工程閘門型式、水位調(diào)度方案等方面的影響進(jìn)行了初步研究，明確了興建樞紐工程需考慮的各方面內(nèi)容；賴格英等［7-8］采用EFDC模型建立了鄱陽湖湖區(qū)二維模型，對工程前后的水位流場和湖區(qū)換水周期進(jìn)行研究；胡春華等［9］采用EFDC模型模擬了樞紐工程運行前后湖區(qū)氮磷營養(yǎng)鹽的變化特征；杜彥良等［12］模擬預(yù)測了在現(xiàn)狀外部邊界和現(xiàn)狀污染負(fù)荷條件下，3種不同運行方式下鄱陽湖湖流的時空形態(tài)相應(yīng)發(fā)生的變化和相應(yīng)水質(zhì)變化；洪峰等［10］對工程可能對浮游生物、底棲生物、水生植物、魚類及珍稀生物的影響進(jìn)行了分析和探討，認(rèn)為枯水期湖區(qū)蓄水有利于魚類資源可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)；齊述華等［11］從鄱陽湖形態(tài)的歷史演變和鄱陽湖越冬候鳥生境保護(hù)的角度，探討鄱陽湖水利樞紐工程的水位調(diào)度方案，提出枯季工程調(diào)控水位不宜超過12 m；李云良，姚靜等運用采用MIKE21軟件，定量研究了鄱陽湖天然狀態(tài)下不同季節(jié)湖區(qū)換水周期和示蹤劑傳輸時間的空間分布。由于鄱陽湖樞紐工程尚在論證階段，規(guī)劃調(diào)度方案尚未確定，所以分析不同規(guī)劃調(diào)度方案對湖泊水文水動力的影響是有意義的，本文利用淺水方程和對流輸運方程構(gòu)建鄱陽湖二維水流水質(zhì)耦合模型，在鄱陽湖水利樞紐建設(shè)辦公室提出的工程規(guī)劃調(diào)度方案基礎(chǔ)上，分析了樞紐工程對典型豐枯水年全年水流特征的影響，并從定量上研究了樞紐工程興建后湖區(qū)水力滯留時間和示蹤劑傳輸時間的變化，揭示湖區(qū)污染物隨水流變化的遷移規(guī)律，為今后鄱陽湖湖區(qū)水質(zhì)、水環(huán)境規(guī)劃和水生態(tài)管理維護(hù)提供一定的科學(xué)參考。

2 模型基本原理

2.1 二維水流水質(zhì)控制方程二維水流水質(zhì)控制方程分別由淺水方程和對流輸運方程組成，其守恒型格式為：

式中：η表示水位；h表示水深；u，v表示x，y方向流速；分別表示x，y方向的單寬流量；代表單位體積某組分污染物的量，C表示某污染物的濃度，是一個標(biāo)量；D表示某組分污染物不同方向的擴(kuò)散系數(shù)，在各項同性介質(zhì)中Dxx=Dyy=Dxy=Dyx=D；QL表示旁側(cè)入流；Szb為底坡項；Sfric為河床摩擦阻力；n為曼寧系數(shù)。

2.2 數(shù)值求解方法對于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（見圖1），將式（1）轉(zhuǎn)化成在單元網(wǎng)格中的積分形式，利用高斯定理，可以得到有限體積法（FVM）的基本方程：

圖1 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格控制單元

對控制單元取平均后，可以得到有限體積法的半離散方程為：

式中：對非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，以三角網(wǎng)格為例，i表示單元編號；k表示邊界在某一單元中的編號；L表示對應(yīng)邊的長度；表示第i個單元的第k個邊界的法向數(shù)值通量；Si表示第i個網(wǎng)格的源項。

式中：Tn及分別表示對應(yīng)邊界的旋轉(zhuǎn)矩陣及其對應(yīng)的逆矩陣；為守恒量U投影到外法向得到的矢量，其分量分別沿著邊界的法向和切向；Δt表示計算時間步長。

將式（3）中的守恒量U的時間導(dǎo)數(shù)采用向前差分，最終得到經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換后水流方程和對流擴(kuò)散方程的微分守恒形式：

本文使用集成污染物對流項的HLLC近似黎曼算子耦合求解水流方程及水質(zhì)方程的對流通量，黎曼解的形式如下：

式中UL和UR分別表示單元邊界左側(cè)及右側(cè)的黎曼守恒量。

3 水動力模型參數(shù)率定

3.1 計算范圍及網(wǎng)格布置綜合考慮河勢、工程研究內(nèi)容以及水文資料等方面因素，平面二維鄱陽湖水流水質(zhì)耦合模型計算范圍為整個鄱陽湖湖區(qū)，模型進(jìn)口邊界是上游五河來流，出口邊界是湖口水位。模型共11個進(jìn)口，分別是修河，對應(yīng)水文站為虬津站和萬家埠站；贛江（贛江主支、贛江北支、贛江中支、贛江南支），對應(yīng)水文站為外洲站；撫河（撫河北支、撫河南支），對應(yīng)水文站為李家渡站；信江（信江西支、信江東支），對應(yīng)水文站為梅港站；饒河（樂安河、昌江），對應(yīng)水文站為虎山站和渡峰坑站。

本文二維計算網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格，其主要優(yōu)點在于能夠很好的模擬自然邊界和水下地形，同時便于控制網(wǎng)格密度，易作修改和適應(yīng)性調(diào)整。鄱陽湖湖區(qū)地形采用2010年實測地形資料，湖區(qū)網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為9272，單元總數(shù)為17 017，單元邊長從100 m到1500 m不等。湖區(qū)地形及網(wǎng)格布置參見圖2。

3.2 邊界條件采用1998年全年實測水流過程資料對模型進(jìn)行驗證，能夠完整模擬鄱陽湖在高、低水位下的水流特征。模型進(jìn)口邊界主要根據(jù)“五河”來流量的時間序列給出，其中贛江分4條支流入湖，由于贛江下游四支流水資源分配年內(nèi)變化極大，本文選擇贛江多年平均流量下四支流分流比為代表性分流比，主支流量占比50%，其余3條支流占比50%；撫河分南北兩支入湖，北支流量占比60%，南支占比40%；信江分東西兩支入湖，流量占比均為50%。模型出口邊界則根據(jù)湖口水位的時間序列設(shè)定。

圖2 鄱陽湖湖區(qū)地形及計算網(wǎng)格

3.3 水位驗證圖3是星子、都昌、棠蔭、康山4個湖區(qū)水文站的年水位過程驗證圖。

圖3 鄱陽湖水動力模型率定（時間自1988年1月1日起）

模型的參數(shù)率定時期選取1998年1月1日—1998年12月31日，該時段完整地包括了鄱陽湖湖區(qū)的豐、枯水期，有利于同時反映建立的模型在豐、枯水期間的模擬效果，使得率定所得參數(shù)更加可靠。湖區(qū)網(wǎng)格初始水位均為20 m，流速為0，為了更好地反映1998年1月1日實際來流過程，模型有60 d的預(yù)熱過程，實際計算時間為1997年11月1日—1998年12月31日。采用分布式糙率方法根據(jù)湖底地形高程進(jìn)行糙率賦值，最終通過水位率定得到鄱陽湖湖區(qū)糙率在0.016～0.022區(qū)間內(nèi)，各水文站水位誤差分析結(jié)果參見表1。

表1 模型驗證誤差分析

4個湖區(qū)水文站驗證點的水位平均誤差在-0.49～0.02 m之間，絕對誤差在-0.50～0.02 m之間，水深相對誤差在-2.6%～12.0%之間，水位RMS誤差在0.35～0.84之間，Nash-Sutcliffe效率系數(shù)在0.894～0.988之間，其中星子、都昌、棠蔭這3個驗證水文站水位率定情況相對較好，其Nash-Sut?cliffe效率系數(shù)均在0.95以上，而康山站誤差相對較大。初步分析可能原因是康山站附近局部地形多變，現(xiàn)有模型網(wǎng)格的分辨率未能很好地反映康山站附近的實際地形變化情況，在地形插值后，原有的深窄主槽受周邊較高灘地的影響地形被抬高，枯季部分水流從灘地過流，水位降低，影響了模型的計算結(jié)果。

4 工程興建后湖區(qū)水動力水質(zhì)模擬

根據(jù)鄱陽湖水利樞紐工程規(guī)劃調(diào)度方案，研究豐、枯水年樞紐工程對鄱陽湖水位及流速的影響，對1983—2012年共計30年的“五河”來流進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表2。2010年年均流量為5515.9 m3/s，在選取的30年中位居第2，僅次于1998年，2011年年均流量為2242.8 m3/s，位居第30。因此選取2010、2011年為典型豐、枯水年，將“五河”來流過程及湖口實測水位過程分別作為模型的進(jìn)、出口邊界條件，對樞紐處網(wǎng)格的邊界條件加以控制，當(dāng)樞紐工程處水位高于調(diào)度方案水位時，該處邊界設(shè)置為開邊界，當(dāng)該處水位小于調(diào)度方案水位時，將該處邊界設(shè)置為固壁邊界，模擬鄱陽湖湖區(qū)蓄水過程。模型的干濕判斷參數(shù)為0.01 m，模型在參數(shù)率定和模型模擬中均采用自適應(yīng)時間步長以提高計算效率。

表2 1983—2012“五河”來流年均流量統(tǒng)計 （單位：m3/s）

4.1 豐、枯水年湖區(qū)水文水動力變化對水動力的研究主要包括了水位、流速、水資源量3個方面。

4.1.1 水位變化 分別對這兩年水利樞紐工程修建前后全年365 d湖區(qū)水流進(jìn)行模擬，選取星子、都昌、棠蔭、康山4個水文站作為典型水文站，研究豐、枯水年樞紐工程修建后湖區(qū)水文水動力條件變化。

鄱陽湖湖區(qū)以松門山為界分為南北兩個區(qū)域，南部水域為主湖區(qū)，湖面面積寬廣，北部水域則為狹長的入江水道。圖4是各水文站在工程修建前后的水位對比，根據(jù)規(guī)劃調(diào)度方案，每年的3月底—8月底（90～243 d）是江湖連通期，可以看出在該時間段各水文站的水位都基本不變，體現(xiàn)了江湖連通的特點。豐水年汛后湖區(qū)水位仍然處于一個較大的值，在樞紐蓄水期和三峽水庫蓄水期間，湖區(qū)水位較高，江湖連通，故樞紐工程基本不影響湖區(qū)水位；而在補償調(diào)節(jié)期和低枯水期間，由于樞紐工程在該期間保持10～11 m的控制水深，星子站平均水位提升了約1.49 m，都昌站平均水位提升1.28 m，棠蔭站平均水位提升0.70 m，康山站平均水位提升0.07 m。枯水年汛后湖區(qū)水位較低，在樞紐蓄水期和三峽水庫蓄水期間，湖區(qū)水位低于樞紐工程節(jié)制水位，星子站平均水位提升約1.88 m，都昌站平均水位提升1.72 m，棠蔭站平均水位提升1.43 m，康山站平均水位提升0.65 m；而在補償調(diào)節(jié)期和低枯水期間，星子站平均水位提升約1.86 m，都昌站平均水位提升1.62 m，棠蔭站平均水位提升約0.96 m，康山站平均水位提升約0.09 m。水利樞紐工程的修建的確有利于改善湖區(qū)枯季低水位現(xiàn)狀，且對鄱陽湖水位的影響滿足由北向南逐漸減小的規(guī)律，同時枯水年水利樞紐工程對湖泊水位抬升的變幅值和持續(xù)時間均高于豐水年。

圖4 鄱陽湖水利樞紐工程修建前后年水位變化（自1月1日起）

4.1.2 流速變化 為了直觀了解樞紐工程對湖區(qū)流速的影響，分別研究豐枯水年春分、夏至、秋分、冬至工程前后的湖區(qū)流速變化。豐水年夏至、秋分江湖連通，工程前后流速基本不變，所以這里給出春分、冬至工程前后流速變化圖，見圖5（a）（b），春分時樞紐工程上游湖區(qū)流速最大減小0.119 m/s，流速影響主要集中在樞紐至都昌站區(qū)間內(nèi)，流速減小0.01～0.1 m/s，再往南湖區(qū)流速基本保持不變，局部區(qū)域流速減小約0.01 m/s；冬至?xí)r樞紐工程上游流速以減小為主，局部區(qū)域流速增加，最大減小值和最大增加值分別為0.704 m/s和0.113 m/s，在湖區(qū)主槽區(qū)域，流速以減小為主，在都昌站和棠蔭站附近都有減小值大于0.2 m/s的區(qū)域，流速增加主要位于棠蔭站附近的灘地區(qū)域，且增加值一般在0.1 m/s以內(nèi)。枯水年夏至位于江湖連通期，湖區(qū)流速基本不變，故只對春分、秋分、冬至?xí)r的湖區(qū)流速變幅進(jìn)行分析，見圖5（c）（d）（e），春分時樞紐工程上游湖區(qū)流速最大減小1.07 m/s，最大增加0.117 m/s，流速影響主要集中在樞紐工程至棠蔭站區(qū)間內(nèi)，河道主槽流速減小0.01～0.2 m/s，局部灘地區(qū)域流速有所增加，且增加值基本上在0.1 m/s以內(nèi)；秋分時，由于工程前湖口水流倒灌進(jìn)入湖區(qū)，所以工程前后流速變化較為復(fù)雜，其中北部入江水道基本均表現(xiàn)為流速增加，主槽流速增幅均在0.2 m/s以上，主湖區(qū)流速也以增加為主，灘地流速增幅基本上在0.1 m/s以內(nèi)，都昌站至康山站區(qū)間內(nèi)主槽流速有所減小，減小值在0.1～0.2 m/s以內(nèi)；冬至?xí)r工程上游湖區(qū)流速最大減小1.40 m/s，最大增加0.10 m/s，流速影響主要集中在樞紐工程至康山站區(qū)間內(nèi)，河道主槽流速減小值在0.01～0.2 m/s，局部灘地區(qū)域流速有所增加，且增加值基本上在0.1 m/s以內(nèi)。

豐枯水年湖區(qū)局部區(qū)域流速增加的主要原因可能是由于樞紐工程作用下，湖區(qū)水位抬升，原先枯季不過水的灘地區(qū)域又有水流經(jīng)過，相較于工程前流速增加。在豐水年，樞紐工程對流速的影響主要集中在枯水期，且湖區(qū)水位越低，樞紐工程對湖區(qū)流速的影越大；而在枯水年，除了江湖連通期，樞紐工程對鄱陽湖湖區(qū)影響一直存在，且枯水年湖區(qū)流速變幅值和工程影響持續(xù)時間均遠(yuǎn)大于豐水年。

圖5 湖區(qū)流速變化等值線圖

4.1.3 水面面積、水量變化 圖6是工程前后鄱陽湖湖區(qū)水面面積及水量變化圖，江湖連通期水面面積不變。在樞紐蓄水期和三峽水庫蓄水期間，豐水年湖區(qū)水位較高，不用發(fā)揮樞紐工程蓄水功能即可滿足湖區(qū)水位要求，江湖連通，工程前后水面面積不變；枯水年汛后湖區(qū)水位較低，在樞紐工程控制下，湖區(qū)水位升高，水面面積隨之增加，樞紐工程興建前水面面積均值為2236.3 km2，工程興建后水面面積均值為2791.4 km2，水面面積增加約24.8%。在補償調(diào)節(jié)期和低枯水期間，豐水年樞紐工程興建前水面面積均值為2143.3 km2，工程興建后水面面積均值為2470.8 km2，水面面積增加約15.3%；枯水年樞紐工程興建前水面面積均值為1930.4 km2，工程興建后水面面積均值為2371.3 km2，水面面積增加約22.8%。

圖6 湖區(qū)水面面積及水量變化（以0.01m為臨界水深）

與水面面積規(guī)律相同，江湖連通期水量同樣保持不變。在樞紐蓄水期和三峽水庫蓄水期間，豐水年工程前后湖區(qū)水量不變；枯水年汛后湖區(qū)水位較低，在樞紐工程控制下，湖區(qū)水位升高，湖區(qū)水量隨之增加，樞紐工程興建前水量均值為33.7億m3，工程興建后水量均值為56.9億m3，水量增加約68.8%。而在補償調(diào)節(jié)期和低枯水期間，豐水年樞紐工程興建前湖區(qū)水量均值為32.9億m3，工程興建后湖區(qū)水量均值為42.5億m3，湖區(qū)水量增加約29.2%；枯水年樞紐工程興建前水量均值為24.4億m3，工程興建后水量均值為37.6億m3，湖區(qū)水量增加約54.1%。

4.2 水力滯留時間模擬湖泊換水能力有諸多定義方式，如水齡、換水周期和水力滯留時間等［15］，本文采用水力滯留時間和示蹤劑傳輸時間從定量上研究鄱陽湖的換水能力。

本文使用Takeoka在1984年提出的水力滯留時間τ的計算公式［16-17］，在介紹水力滯留時間之前，首先引入剩余函數(shù)概念，對于每一個單元，剩余函數(shù)可以表示為，其中表示單元濃度初值。水力滯留時間τ的計算公式如下：

在對湖庫類水體污染物輸移的模擬過程中，一般將其水體污染物的稀釋過程視為指數(shù)型分 布［18-19］：

模擬選用2010年和2011年五河水流和湖口實測水位作為上、下邊界條件，分別研究豐、枯水年鄱陽湖水利樞紐工程對湖區(qū)水力滯留時間的影響。利用所建立模型對湖區(qū)全部網(wǎng)格添加濃度為1 kg/m3的保守型示蹤劑，來流濃度值設(shè)為0，下邊界為自由出流邊界。模型以星子站為典型位置，示蹤劑添加時間分別設(shè)定為當(dāng)年的春分、夏至、秋分、冬至，將水動力計算得到的各季節(jié)流場信息作為模型初始水流條件，研究4個季節(jié)下星子站在建閘前后的水力滯留時間變化。

圖7是豐、枯水年星子站在樞紐工程興建前后的各季節(jié)濃度變化曲線，樞紐工程興建后星子站濃度曲線大體上呈指數(shù)型式衰減，湖區(qū)物質(zhì)輸運時間延長。豐水年春分工程前后水力滯留時間基本相同，均為3 d，樞紐工程對濃度曲線稍有影響，且主要發(fā)生在3 d以后；夏至位于樞紐工程的江湖連通期，工程前后濃度曲線不變，豐水年上游來流很大，湖區(qū)整體流速較大，物質(zhì)輸運較快，此時星子站水力滯留時間為2 d；秋分時，汛后水位較高，不用發(fā)揮樞紐工程蓄水功能即可滿足湖區(qū)水位要求，江湖連通，因此工程前后濃度曲線不變，加之汛后上游來流小，湖區(qū)整體流速較小，水力滯留時間為10 d；冬至?xí)r，在樞紐工程10～11 m節(jié)制水位作用下，水力滯留時間由2 d增加到3 d，并在5 d之后濃度曲線有較明顯變化。枯水年春分在樞紐工程作用下，星子站水力滯留時間由1 d增加至3 d；夏至位于樞紐工程的江湖連通期，工程前后濃度曲線不變，枯水年上游來流較小，湖區(qū)整體流速較小，因此物質(zhì)輸運速度比豐水年同期慢，此時水力滯留時間為9 d；秋分情況較為特殊，由于枯水年秋分時湖區(qū)水位較低，工程修建前湖口水位低于長江干流水位，江水倒灌進(jìn)入湖區(qū)，所以前8 d濃度曲線較緩而在8～10 d濃度驟降，在10 d以后濃度又有所增加，水力滯留時間而言，工程前后相差不多，均在8～9 d；枯水年冬至?xí)r湖區(qū)水位較低，湖區(qū)“河態(tài)”特征明顯，河道流速較快，樞紐工程蓄水后，水位抬高，湖區(qū)流速明顯減小，物質(zhì)輸運速度減慢，因此工程后濃度曲線明顯比工程前緩，工程興建后水力滯留時間由1 d增加至9 d。賴格英等［8］發(fā)現(xiàn)水利樞紐工程對湖區(qū)換水周期作用明顯，豐、枯水年湖區(qū)換水周期分別增加1.9 d、3.2 d。本文已有研究成果表明樞紐工程對湖區(qū)水里滯留時間作用同樣明顯，且枯水年工程后水里滯留時間增幅值同樣高于豐水年數(shù)值。

總的來說，樞紐工程的興建抬升了湖區(qū)水位，減小了南北水面比降，湖區(qū)流速降低，勢必會使得湖區(qū)的物質(zhì)輸運減慢，因此水力滯留時間增加。以星子站為例，豐水年工程前后水力滯留時間變化較小，影響一般在1～2 d；枯水年工程前后水力滯留時間變化較大，影響一般在2～9 d。同時工程興建后枯水年水力滯留時間一般高于豐水年同期數(shù)值。

圖7 工程前后星子站濃度變化曲線

4.3 示蹤劑傳輸時間模擬示蹤劑傳輸時間一般定義是某一種保守示蹤劑從其投放位置至某一觀測位置出現(xiàn)濃度峰值所需要的時間。示蹤劑傳輸時間模擬同樣選用2010年和2011年五河水流和湖口實測水位作為上、下邊界條件。湖區(qū)全部網(wǎng)格初始濃度設(shè)為0，在主湖區(qū)東、西、南各選取代表性網(wǎng)格，添加濃度值為1 kg/m3的保守型示蹤劑，來流濃度值設(shè)為0，下邊界為自由出流邊界，取星子站作為觀測位置，示蹤劑投放時間分別設(shè)定為當(dāng)年的春分、夏至、秋分、冬至，將水動力計算得到的各季節(jié)流場信息作為模型初始水流條件，研究不同投放位置四個季節(jié)建閘前后的示蹤劑傳輸時間變化。

圖8是示蹤劑代表性投放點位置，即P1、P2、P3，圖9是各投放點工程前后示蹤劑傳輸時間。模擬結(jié)果表明P1—P3的示蹤劑傳輸時間在季節(jié)變化上有較大差異。豐水年樞紐工程興建前，春季主湖區(qū)示蹤劑傳輸時間為3～6 d，夏季主湖區(qū)傳輸時間為2～27 d，秋季主湖區(qū)傳輸時間為11～22 d，冬季主湖區(qū)傳輸時間為4～6 d。春冬季節(jié)情況類似，二者均位于枯水期，湖區(qū)呈“河態(tài)”，湖面南北比降較大，水流流速較大，因此P1—P3傳輸時間較短；夏季位于豐水年汛期，上游“五河”來流很大，湖區(qū)整體流速較大，P1、P2傳輸時間較短，但是P3處示蹤劑運動路徑發(fā)生了變化，在水流的作用下部分示蹤劑在湖區(qū)東北角集聚，該區(qū)域原有水流流速較小，極大地影響了示蹤劑的輸移，因此相對于其他兩個投放點，P3的傳輸時間顯著增加；秋季處于汛后，湖區(qū)水位相對較高而上游來流相較于汛期又明顯減小，因此湖區(qū)整體水流流速較小，導(dǎo)致示蹤劑的對流輸運過程也相對遲緩，示蹤劑到達(dá)星子站的傳輸時間較長。就空間3個釋放點而言，P1投放點位于贛江主支入口，距離星子站較近，示蹤劑沿主河道的水流運動路徑較小，加之贛江來流一般較大，所以在3個投放點中P1的示蹤劑傳輸時間在各季節(jié)均是最小的。豐水年春分時湖區(qū)位于漲水期，水位略低于樞紐控制水位，因此工程對各點示蹤劑傳輸時間的影響基本在1d以內(nèi)；夏至位于江湖連通期，工程不發(fā)揮作用，各點示蹤劑傳輸時間均保持不變；秋分位于汛末，由于豐水年汛末湖區(qū)水位高于樞紐工程節(jié)制水位，江湖連通，各點示蹤劑傳輸時間均保持不變；冬至位于枯水期，水位較低，樞紐工程對水位的節(jié)制作用十分明顯，湖區(qū)南北水面比降減小，流速也相應(yīng)減小，因此各點示蹤劑傳輸時間均有所增加，增加值為1～9 d，且距星子站越遠(yuǎn)，增加值越大。

圖8 示蹤劑代表性投放點位置

圖9 各代表性投放點工程前后示蹤劑傳輸時間

枯水年樞紐工程興建前，春季主湖區(qū)示蹤劑傳輸時間為5～8 d，夏季主湖區(qū)示蹤劑傳輸時間為9～20 d，秋季主湖區(qū)示蹤劑傳輸時間為9～20 d，冬季主湖區(qū)示蹤劑傳輸時間為3～6 d，從整體上來看，枯水全年湖區(qū)示蹤劑傳輸時間略高于豐水年值。春冬季節(jié)湖區(qū)水位較低，平面上呈現(xiàn)“河態(tài)”，湖面南北比降較大，水流流速較大，因此P1—P3示蹤劑傳輸時間較短；夏秋時期，湖區(qū)水位相對較高而枯水年份上游來流較小，因此湖區(qū)流速較小，示蹤劑的對流輸運過程也相對遲緩。空間不同釋放點的運動規(guī)律與豐水年基本保持一致?？菟甏悍謺r湖區(qū)位于漲水期，水位略低于樞紐控制水位，因此工程對各點示蹤劑傳輸時間的影響基本在1 d以內(nèi)；夏至位于江湖連通期，工程不發(fā)揮作用，各點示蹤劑傳輸時間均保持不變；秋分位于汛末，由于枯水年汛末水位低于樞紐工程節(jié)制水位，工程對各點示蹤劑傳輸時間的影響基本為2～6 d；冬至位于枯水期，水位較低，樞紐工程對水位的節(jié)制作用十分明顯，湖區(qū)南北水面比降減小，流速也相應(yīng)減小，各點示蹤劑傳輸時間均有所增加，增加值為14～20 d?？傮w上看，枯水年份湖區(qū)各點示蹤劑傳輸時間略高于豐水年各點示蹤劑傳輸時間，同時枯水年工程后示蹤劑傳輸時間增幅值也高于豐水年工程后同期數(shù)值。李云良，姚靜等通過模型計算得出工程前湖區(qū)示蹤劑傳輸時間介于4～32 d，且夏秋的傳輸時間均高于春冬的傳輸時間。本文工程前示蹤劑傳輸時間在2～27 d，且同樣夏秋值高于春冬值，這也能說明本文計算結(jié)果的可靠性。

5 結(jié)語

本論文的主要研究工作是基于Godunov有限體積法建立了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格條件下二維淺水水動力水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型，選取典型豐、枯水年“五河”來流條件研究鄱陽湖水利樞紐工程對湖區(qū)水流的影響，研究內(nèi)容包括了水動力模型、水力滯留時間和示蹤劑傳輸時間模型，為今后進(jìn)一步定量分析湖區(qū)污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和建立湖泊濕地生態(tài)模型提供必要的基礎(chǔ)。主要研究結(jié)論如下：

（1）樞紐工程的修建的確會導(dǎo)致湖泊水位的抬高，且對鄱陽湖水位的影響滿足由北向南逐漸減小的規(guī)律。豐水年湖區(qū)水位較高，夏至、秋分時湖區(qū)水位不受樞紐工程影響；枯水年湖區(qū)汛后水位較低，所以秋分時湖區(qū)水位也受到工程影響?？偟膩碚f枯水年水利樞紐工程對湖泊水位抬升的變幅值和持續(xù)時間均高于豐水年同期數(shù)值。

（2）與水位變幅相同，豐水年夏至、秋分時和枯水年夏至湖區(qū)流速不受樞紐工程影響，除枯水年秋分工程前發(fā)生倒灌現(xiàn)象情況特殊外，其余時間均滿足樞紐工程興建后，平面深槽流速減小，局部灘地區(qū)域流速則有所增加，湖區(qū)整體流速減小。

（3）豐水年汛后湖區(qū)水位較高，江湖保持連通，故工程前后湖區(qū)水面面積、水量基本不變；而在樞紐工程作用下，補償調(diào)節(jié)期和低枯水期間的水面面積增加15.3%，水量增加29.2%?？菟暄春蠛^(qū)水位較低，在樞紐工程控制下，湖區(qū)水位升高，水面面積和水量隨之增加，其中水面面積增加24.8%，水量增加68.8%；而在補償調(diào)節(jié)期和低枯水期，水面面積增加22.8%，水量增加54.1%。與豐水年相比，枯水年湖區(qū)水面面積、水量變化的持續(xù)時間更長，增幅更大。

（4）以星子站為研究站點，研究其豐、枯水年四季濃度曲線變化，在樞紐工程興建后，豐水年水力滯留時間增幅一般在1～2 d，枯水年水力滯留時間增幅一般在2～9 d，枯水年水力滯留時間受到樞紐工程的影響更大。

（5）對于選定的各示蹤劑代表性投放點，豐水年工程修建后示蹤劑傳輸時間增加值為1～9 d，枯水年工程修建后示蹤劑傳輸時間增加值為1～20 d，可見與水力滯留時間相同，枯水年示蹤劑傳輸時間受到樞紐工程的影響更大，湖區(qū)物質(zhì)輸運過程明顯減慢。

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