太湖竺山湖湖流和水體遷移規(guī)律研究

韓 景

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200335)

太湖是中國第三大淡水湖泊，是太湖流域水生態(tài)系統(tǒng)和水調節(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個湖區(qū)，中間是湖心區(qū)，四周沿逆時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，行政隸屬常州武進區(qū)和無錫宜興市。竺山湖湖區(qū)面積68.3km2，為太湖總面積的2.9%。竺山湖是水質最差的太湖湖區(qū)，水體呈中度富營養(yǎng)狀態(tài)。

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

以上學者均把竺山湖作為太湖的一個部分參與模擬研究，受研究目的和空間分辨率的限制，僅對竺山湖的湖流特征進行簡要分析，沒有研究竺山湖水體運動軌跡。本文采用二維水動力數值模型，以竺山湖為主要研究對象，詳細探討不同風況條件下的竺山湖湖流和水體遷移規(guī)律，以便進一步研究竺山湖污染及懸移物質的遷移擴散規(guī)律，從而為竺山湖退圩還湖、生態(tài)修復、水環(huán)境治理等工程提供科學依據。

1 研究思路和方法

1.1 模型介紹

湖泊二維水動力模型基于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，可以保證水量和動量在計算域內的守恒[9]。模型采用由三角形或四邊形組成的非結構網格，可以更準確地擬合復雜岸線。同時利用干濕網格判斷法處理岸灘邊界的移動，增加模型穩(wěn)定性。

太湖等淺水湖泊的垂直尺度遠小于水平尺度，流速、流向等水力參數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)性方程和動量方程。

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

1.2 計算范圍及網格

太湖地形比較復雜，研究竺山湖地區(qū)水域水動力，離不開整個大太湖的水動力研究，因此本次計算范圍為整個太湖。

根據太湖的地形特點和計算要求，網格劃分采用三角形網格，根據地形和岸線特點及研究目的進行網格設置。竺山湖區(qū)域網格尺寸為10～30m，其他湖區(qū)網格尺寸為100～200m，網格總數為24512個。太湖模型計算范圍及網格示意圖如圖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 太湖模型計算范圍及網格示意圖

圖3 太湖水下地形示意圖

1.3 模型設置

旁側出入流采用環(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施后的情況考慮。

模型計算中對環(huán)湖225個口門按出入湖特點概化為22個，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，風條件取太湖區(qū)域平均風速4.1m/s，風切應力系數取為0.0026；曼寧系數取為0.025～0.30。

本模型計算成果與實測數據和國內外相關研究成果基本吻合，可應用于太湖湖流的研究。

2 結果與分析

2.1 湖流

計算湖流采用的風況包括無風、定常東南風和定常西北風，對應的太湖和竺山湖流場分布見如圖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，太湖內部島嶼和出入湖口門眾多，所以太湖湖流比較復雜。無風條件下，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)域流速較小；東南風條件下，太湖湖流的流場分布受地形、風速、風向及出入湖流的共同影響，以風生流為主，太湖形成以西南部為中心的主回流場和湖灣內若干副回流場，太湖西南側以大雷山為中心有一個比較大的順時針環(huán)流，而東側有一個更大的逆時針環(huán)流，兩個環(huán)流幾乎覆蓋了整個太湖，兩個環(huán)流的“齒合”處在大雷山與小雷山的東南側，東側大逆時針環(huán)流中還有眾多相互“齒合”的小環(huán)流；西北風條件下，太湖形成以西南部為中心的主回流場和湖灣內若干副回流場，環(huán)流和沿岸流方向與東南風作用時相反。

竺山湖形似一個倒立的花瓶，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重要因素。無風條件下，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；盛行東南風條件下，竺山湖以風生流為主，湖區(qū)北部形成兩個主要環(huán)流，西側為順時針方向，東側為逆時針方向，東側環(huán)流范圍比西側稍大，中間流速大，東西兩側流速小，兩側沿岸水流流向都是由南向北，湖區(qū)南部東、西兩側以沿岸入流為主，分別呈逆時針、順時針流向，在中部匯集北部湖流，流入大太湖，總體流態(tài)復雜，存在多個緩流區(qū)，竺山湖平均流速為0.031m/s；盛行西北風條件下，竺山湖流態(tài)與東南風時差別較大，湖區(qū)北部無明顯環(huán)流，湖流形態(tài)與右傾的字母Z近似，中間流速小，東西兩側流速大，兩側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 無風條件下太湖流場

圖5 東南風條件下太湖流場

圖6 西北風條件下太湖流場

圖7 無風條件下竺山湖流場

圖8 東南風條件下竺山湖流場

圖9 西北風條件下竺山湖流場

2.2 水量交換

統(tǒng)計不同風況條件下竺山湖口斷面的進出流量，詳見表1。

表1 竺山湖和大太湖流量交換統(tǒng)計表 單位：m3/s

無風條件下，從竺山湖進入大太湖的流量為131.9m3/s，沒有水從大太湖進入竺山湖；盛行東南風條件下，從竺山湖進入大太湖的流量為283.9m3/s，從大太湖進入竺山湖的流量為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；盛行西北風條件下，從竺山湖進入大太湖的流量為194.7m3/s，從大太湖進入竺山湖的流量為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。東南風產生的環(huán)流使竺山湖和大太湖的水量交換更充分，但不同風況下的凈出湖流量相同。根據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，易發(fā)生水華等問題。

2.3 水體遷移

在竺山湖平均分布30個水質點，通過水質點的運動軌跡分析竺山湖水體的遷移規(guī)律。模擬的基本風況包括無風、定常東南風和定常西北風，因為藍藻等現(xiàn)象在夏季發(fā)生頻率較高，所以增加計算夏季實際風情況。以2010年夏季風數據為例，7—8月的最大風速為12.8 m/s，7—8月的平均風速為3.9m/s，西北風頻率很低，東南風、東東南風和東風頻率較高。夏季實際風過程線如圖10所示，夏季實際風玫瑰如圖11所示。不同風況條件下的水質點遷移軌跡如圖12—15所示，圖中淡藍色線表示竺山湖水質點在60d內運動的軌跡，彩色圓點表示水質點的瞬時位置。

圖10 夏季實際風過程線

圖11 夏季實際風玫瑰

無風條件下，竺山湖水體平順緩慢地往南運動，經過約60d時間可到達湖心西部；盛行東南風條件下，水體運動軌跡受環(huán)流影響，竺山湖水體主要往南運動，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，最早到達東太湖的時間小于60d；盛行西北風條件下，水體運動軌跡受環(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，最早到達東太湖的時間小于60d。

夏季實際風條件下，由于西北風頻率很低，東南風、東東南風和東風頻率較高，所以竺山湖水體的運動軌跡與定常東南風條件下的運動軌跡相似。水體總體往南運動，由于風速風向隨時間變化，水體運動軌跡比較不規(guī)則，有震蕩現(xiàn)象，經過約60d時間到達南太湖沿岸，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。

太湖的湖流比較復雜，所以竺山湖水體離開竺山湖后的運動軌跡比較復雜。不同風況條件下，竺山湖水體都會經過其他湖區(qū)到達東太湖，無風時到達時間最長，東南風時到達時間最短，西北風時竺山湖水體流經的湖區(qū)最多。

圖12 無風條件下竺山湖水體遷移軌跡

圖13 東南風條件下竺山湖水體遷移軌跡

圖14 西北風條件下竺山湖水體遷移軌跡

圖15 夏季實際風條件下竺山湖水體遷移軌跡

3 結語

竺山湖受湖泊形態(tài)、入流和風等因素的影響，湖流形態(tài)復雜。無風條件下以吞吐流為主；有風條件下以風生流為主，環(huán)流眾多，局部水動力不佳。

竺山湖水體遷移規(guī)律受風影響明顯。不同風況條件下，竺山湖水體會從不同方向流經不同湖區(qū)，最終到達東太湖。無風時到達時間最長，東南風時到達時間最短，西北風時流經的湖區(qū)最多。

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