引水工程出水路線的優(yōu)化對(duì)太湖總磷格局的影響
——基于新孟河工程的思考*

朱 偉，薛宗璞，劉 環(huán)，程 林，張 昱，趙 帥，馮甘雨，王若辰

(1:河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098)(2:河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098)(3:河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098)

太湖流域位于長(zhǎng)江三角洲南緣，人口稠密、城市集中、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá).太湖也是承載長(zhǎng)三角地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要水源地，在長(zhǎng)三角一體化的發(fā)展趨勢(shì)下太湖的地位更加重要.2005年起進(jìn)入長(zhǎng)效運(yùn)行的“引江濟(jì)太”望虞河工程在抑制、改善貢湖出現(xiàn)水華方面發(fā)揮了重要作用[1]，在提升流域水資源和水環(huán)境承載能力方面形成重要支撐[2].發(fā)展改革委規(guī)劃的《太湖流域水環(huán)境綜合治理方案》中，“新孟河延拓疏?！弊鳛橹攸c(diǎn)的工程項(xiàng)目，將長(zhǎng)江水直接引入太湖的竺山湖區(qū)，協(xié)同已有的望虞河引排通道，太湖將形成“二引三排”的新格局[3].2007年以來(lái)，太湖經(jīng)過(guò)大力度綜合性治理，截止2015年水中總氮(TN)和總磷(TP)濃度穩(wěn)定下降[4].但是2016年的特大洪水?dāng)y帶流域大量的污染物入湖[5]，太湖全湖TP出現(xiàn)反彈[6]，太湖磷成為一個(gè)重要的控制因素.“新孟河延拓疏浚”完成后的格局下，“新孟河引水”對(duì)太湖水環(huán)境尤其是總磷會(huì)有怎樣的影響？如何使“新孟河引水”興利避害，事半功倍的完成太湖流域“兩個(gè)確保”的任務(wù)？這是一個(gè)值得研究的問(wèn)題.

磷作為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的重要指標(biāo)以及藍(lán)藻生長(zhǎng)的必要元素，進(jìn)入湖泊后，在太湖的磷循環(huán)系統(tǒng)中，除經(jīng)出湖河流流出和生物利用后被捕撈帶出[7]，會(huì)持續(xù)的在底泥-湖水-生物體間遷移轉(zhuǎn)化[8].對(duì)于太湖磷循環(huán)系統(tǒng)的研究表明[4]，太湖水中TP存在明顯“西濁東清”的結(jié)構(gòu)，西北湖區(qū)(竺山灣、梅梁灣、西部沿岸區(qū))水體TP在0.15 mg/L左右，水中磷存量約338 t，占全湖的50%；東南湖區(qū)(東太湖、東部沿岸區(qū)、南部沿岸區(qū))水體TP在0.05 mg/L左右，水中磷存量約67 t，只有西北湖區(qū)1/5.有研究指出近幾年?yáng)|太湖水質(zhì)有惡化的趨勢(shì)，TP有上升的苗頭[9].“新孟河引水”從西北部入湖，如果從東南部出湖，入湖水量增加雖然能夠改善西北部湖區(qū)的水質(zhì)及富營(yíng)養(yǎng)化狀況，但可能會(huì)改變?cè)小拔鳚釚|清”水質(zhì)結(jié)構(gòu)，均化的東西水質(zhì)可能造成東太湖水中TP濃度的上升.同時(shí)，加大入湖水量在一定程度上會(huì)縮短太湖的交換周期，有改善西北部水質(zhì)、抑制水華的效果[10]，但同時(shí)對(duì)入湖通量以及水質(zhì)結(jié)構(gòu)也會(huì)有不利影響[11].如能通過(guò)出水路線的合理規(guī)劃使得西北部TP偏高的湖水不經(jīng)東南出湖，形成西北小循環(huán)，對(duì)太湖總磷的削減可能會(huì)有更好的影響.

通過(guò)水利工程的合理調(diào)度，形成良好水循環(huán)，改善湖泊水質(zhì)，這是國(guó)內(nèi)外富營(yíng)養(yǎng)化湖泊治理的手段之一.塔瑪特湖[12]、滇池[13]、巢湖[14]都取得了一定的改善效果.一般而言，對(duì)于引水工程效果的評(píng)價(jià)，必須有水質(zhì)指標(biāo)的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[15]，這是一項(xiàng)耗時(shí)費(fèi)力，成本極大的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目.因此除實(shí)地監(jiān)測(cè)外，數(shù)值模擬也是估算湖泊水質(zhì)的重要手段.Li等基于EFDC模型研究了長(zhǎng)江通過(guò)望虞河向太湖引水以增強(qiáng)水動(dòng)力、緩解太湖富營(yíng)養(yǎng)化態(tài)勢(shì)的過(guò)程中，不同引水方案對(duì)二者的影響，結(jié)果表明，太湖各湖區(qū)對(duì)不同調(diào)水路線響應(yīng)不同[16].Yan等基于BHF模型預(yù)測(cè)了滇池在不同治理措施下總磷和藻類(lèi)生物量的變化，結(jié)果表明，滇池大量外源磷的輸入使得湖內(nèi)大量磷沉積，控制外源輸入刻不容緩[17].Elshemy等基于MIKE 21模型預(yù)測(cè)了未來(lái)沿湖城市排放污水對(duì)埃及滿扎拉湖水環(huán)境的影響，結(jié)果表明，快速城市化造成的污染物通量及入湖水量增加會(huì)急劇惡化滿扎拉湖的水環(huán)境[18].這些研究都能從一定范圍內(nèi)評(píng)價(jià)引水工程對(duì)湖泊水質(zhì)的影響，使用水文-水質(zhì)模型可以在引水前合理的預(yù)測(cè)引水對(duì)湖泊水環(huán)境的影響，因此使用水文-水質(zhì)模型是對(duì)引水工程效果進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法之一.

針對(duì)“新孟河引水”工程，如何設(shè)計(jì)出水路線才能趨利避弊，使西北部水質(zhì)改善最明顯，東南部水質(zhì)維持良好的現(xiàn)狀？本研究開(kāi)展工作將推進(jìn)涉及湖泊出水的優(yōu)化研究，為太湖“兩個(gè)確?！比蝿?wù)提供有力保障，在應(yīng)用中為管理部門(mén)形成切實(shí)可行的方案提供技術(shù)支撐.同時(shí)在新的狀態(tài)下，太湖各湖區(qū)尤其是東太湖的總磷怎樣變化？太湖年內(nèi)的總磷變化是怎樣的？磷的收支平衡是怎樣的？都是值得討論的科學(xué)問(wèn)題.這些問(wèn)題的初步研究有助于在流域尺度上反演、預(yù)測(cè)太湖磷的變化過(guò)程，為評(píng)估近年來(lái)太湖磷反彈及今后各類(lèi)治理措施對(duì)太湖磷濃度的影響有著指導(dǎo)作用，有助于提出針對(duì)太湖磷控制的管理運(yùn)行和治理措施上的明確建議.

本文以近些年太湖的水文水質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，模擬了不同路線對(duì)太湖分湖區(qū)總磷的影響，力求將“新孟河引水”對(duì)太湖的影響進(jìn)行一個(gè)清晰的分析，并支撐形成更合理的出水路線.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

太湖流域面積36895 km2，其中太湖湖區(qū)面積3192 km2(包括部分湖濱陸地)[3]，太湖湖區(qū)庫(kù)容約為50億m3，平均水深1.9 m.流域內(nèi)水面總面積約5551 km2，出入太湖河流228條，其中主要入湖河流有22條.太湖流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，降水豐沛，四季分明，夏季炎熱.年平均氣溫14.9～16.2℃，多年平均降水量1177 mm.太湖的湖區(qū)分區(qū)及采樣點(diǎn)設(shè)置見(jiàn)圖1，按照泰森多邊形法對(duì)湖區(qū)進(jìn)行劃分，設(shè)置了31個(gè)湖內(nèi)采樣點(diǎn)位，在出入湖主要河道設(shè)置了22個(gè)采樣點(diǎn)位.

圖1 太湖湖區(qū)分區(qū)及采樣點(diǎn)設(shè)置

1.2 數(shù)據(jù)

1.2.1 水文水質(zhì)數(shù)據(jù) (1)收集數(shù)據(jù)

逐月各段面太湖出入湖水量、磷通量、逐日水位變化數(shù)據(jù)收集自太湖流域水資源保護(hù)局，各段面太湖出入湖磷濃度的數(shù)據(jù)是根據(jù)水量和通量的關(guān)系計(jì)算得到.2007-2020年太湖流域逐日降雨量、蒸發(fā)量、水溫、逐小時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)收集自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)無(wú)錫站(http://data.cma.cn).

(2)自測(cè)數(shù)據(jù)

本研究于2020年10月在環(huán)太湖23條主要出入湖河流出入湖河口及湖內(nèi)48個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行了采樣，檢測(cè)了總磷(TP)濃度、溶解性總磷(DTP)濃度、顆粒態(tài)總磷(PP)濃度、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)、葉綠素a(Chl.a)濃度等指標(biāo).太湖各段面出入湖總磷通量中溶解性總磷和顆粒態(tài)總磷的占比來(lái)自這次采樣的結(jié)果.自測(cè)數(shù)據(jù)的采集、整理方法詳見(jiàn)附錄第1節(jié).

1.2.2 平均年設(shè)置 本研究基于2010-2017年(2016年為特大洪水年除外)逐月各段面太湖出入湖水量和磷通量數(shù)據(jù)設(shè)置了一個(gè)平均年，平均年的太湖降雨量、蒸發(fā)量、風(fēng)速、風(fēng)向均采用2007-2020年的平均值，平均年太湖各出入湖河道逐月的總磷濃度根據(jù)該月的出入湖水量與磷通量計(jì)算得到.平均年數(shù)據(jù)的模擬計(jì)算可以代表太湖的多年平均狀態(tài).為反映引水對(duì)太湖總磷的一般性影響，以多年平均狀態(tài)做為基準(zhǔn)，太湖各出入湖河道正常出入湖，在此基礎(chǔ)上增加新孟河引水.

1.2.3 不同出水路線的情景設(shè)置 根據(jù)太湖現(xiàn)在的出入河格局、已建工程的條件，設(shè)置了以望虞河、新孟河作為引水通道，利用現(xiàn)有工程或進(jìn)行一定的工程改造后梁溪河、新溝河、走馬塘、太浦河作為可能的出水通道進(jìn)行設(shè)定，本研究模擬的出水路線見(jiàn)表1.

表1 模擬出水路線

新孟河設(shè)計(jì)引水量為20億m3/a[3]，但是在未來(lái)使用中考慮到防汛抗旱、生態(tài)應(yīng)急調(diào)度的共同控制，實(shí)際引水量未必會(huì)達(dá)到設(shè)計(jì)引水量.本研究為清晰地反映“新孟河引水”對(duì)太湖總磷的影響，模擬中設(shè)置引水量為設(shè)計(jì)的20億m3/a，其中1-5月之間引入14億m3，日引水流量為108 m3/s，11-12月再引入6億m3，日引水流量為115.7 m3/s.入湖TP濃度設(shè)置為與2010-2017年望虞河入湖TP濃度的平均值一致.模擬中設(shè)置新孟河引水過(guò)程參考了2011年“引江濟(jì)太”望虞河引水入湖過(guò)程[19]，因?yàn)樵撃晏牒?09億m3，其中包含望虞河引水量17億m3，入湖水量與引水量與模擬設(shè)置的平均年接近.設(shè)置的出水河道出湖TP濃度與該湖區(qū)其他出湖河道逐月的TP濃度均值保持一致，逐月出水河道水量為原有出水量與引水增加的出水量之和，引水及出水通道位置見(jiàn)圖1.

1.3 太湖總磷模型

1.3.1 模型建立 (1)水動(dòng)力子模型

本研究建立的平面二維水動(dòng)力子模型包括太湖湖面及環(huán)湖主要出入湖河道(圖1)，面積2338 km2，建模區(qū)域太湖底部高程數(shù)據(jù)來(lái)自太湖流域水資源保護(hù)局.經(jīng)緯度坐標(biāo)系選取WGS84坐標(biāo)系，投影帶坐標(biāo)系選取北京1954坐標(biāo)系，中央經(jīng)線為120°E.本研究將建模區(qū)域劃分為19885個(gè)三角形網(wǎng)格，未進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格大小范圍為0.08～0.14 km2，環(huán)湖主要出入湖河流河口設(shè)置為可自由出入節(jié)點(diǎn).水動(dòng)力子模型為模擬太湖總磷變化提供了水動(dòng)力背景.水動(dòng)力子模型詳見(jiàn)附錄第2節(jié).

(2)磷循環(huán)子模型

本研究建立的磷循環(huán)子模型在模擬磷濃度的變化時(shí)，除了基于水動(dòng)力子模型計(jì)算磷隨流場(chǎng)的遷移擴(kuò)散外，還綜合考慮了以下過(guò)程：①磷通量出湖與入湖；②湖內(nèi)顆粒態(tài)磷的沉降與懸浮(公式(1))；③湖內(nèi)底泥對(duì)溶解態(tài)總磷的吸附與釋放(公式(2))；④湖內(nèi)藻類(lèi)生長(zhǎng)與死亡對(duì)顆粒態(tài)磷及溶解態(tài)磷的影響(公式(3))；⑤藻類(lèi)打撈及水生植物收割對(duì)顆粒態(tài)磷及溶解態(tài)磷的影響(公式(2))；⑥浮游動(dòng)物生長(zhǎng)與死亡對(duì)顆粒態(tài)磷及溶解態(tài)磷的影響(公式(3)～(4)).

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,DP為無(wú)機(jī)顆粒磷濃度；sev和rsev是無(wú)機(jī)顆粒磷沉降和再懸浮系數(shù)；Pre是底泥釋放系數(shù)；Pad是溶解性總磷損失系數(shù)(包括底泥吸附和漁獲、水草收割、藻打撈的損失)；UPP是藻攝取磷的系數(shù)；upp是藻攝取磷的速度；UMP是微生物控制藻生物量的系數(shù)；ump是微生物分解藻的速度；F(N,P)為藻光合作用的營(yíng)養(yǎng)鹽限制函數(shù)；K是描述攝入速率依賴浮游植物生物量因素；θ1是植物光合作用和呼吸作用與溫度相關(guān)的阿倫尼斯溫度系數(shù)；T是水溫；HS_TP為微生物攝取磷的半飽和濃度；HS_Pmax為有機(jī)物降解的半飽和由植物泌氧產(chǎn)生的DO濃度；Pmax是植物午時(shí)最大產(chǎn)氧量.

Eutrophication model 核心控制方程如下：

(5)

(6)

式中，rTP為過(guò)程①～⑥的計(jì)算，計(jì)算公式見(jiàn)公式(1)～(6).

1.3.2 邊界條件及初始條件 (1)初始條件

本研究模擬“新孟河引水”對(duì)太湖總磷的影響是采用考慮前一年湖泊水質(zhì)-動(dòng)力學(xué)過(guò)程的方式，預(yù)先按照平均年的水文、水質(zhì)條件進(jìn)行計(jì)算了一年，作為模擬開(kāi)始時(shí)的初始條件.在進(jìn)行不同出水路線的效果對(duì)比時(shí)，除直接參與引出水的河道水量、水質(zhì)根據(jù)模擬情況設(shè)置外，環(huán)湖其余出入湖河道水量、水質(zhì)均與平均年一致.引出水過(guò)程及其后的水動(dòng)力、水質(zhì)計(jì)算持續(xù)按照平均年的水文、氣象狀態(tài)按照1年的時(shí)間尺度連續(xù)進(jìn)行.

(2)邊界條件

本研究使用2016年逐月各段面太湖出入湖水量、磷通量數(shù)據(jù)及無(wú)錫站逐小時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行模型建立與率定.建立好的模型使用平均年數(shù)據(jù)模擬太湖的一般狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上設(shè)置新孟河引水的不同出水路線(附錄2.4).

1.3.3 模型率定與驗(yàn)證 (1)主要參數(shù)

本研究參照之前淺水湖泊水質(zhì)模擬的參數(shù)設(shè)定[20]，使用2016年太湖流域的水文-水質(zhì)數(shù)據(jù)反復(fù)試算，最終確定水動(dòng)力-磷循環(huán)模型中關(guān)鍵參數(shù)的取值，見(jiàn)表2.磷循環(huán)子模型的敏感參數(shù)是無(wú)機(jī)顆粒磷沉降系數(shù).

表2 水動(dòng)力-磷循環(huán)模型關(guān)鍵參數(shù)

(2)率定與驗(yàn)證

本研究通過(guò)比較2016年太湖內(nèi)實(shí)測(cè)與模擬水位來(lái)率定水動(dòng)力子模型精度，通過(guò)比較2016年太湖實(shí)測(cè)與模擬的湖內(nèi)測(cè)點(diǎn)的TP濃度來(lái)率定磷循環(huán)子模型精度，將模型精度的指標(biāo)列于表3，測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1.

太湖內(nèi)實(shí)測(cè)與模擬水位的均方根誤差為0.11 m，納什系數(shù)為0.91，因此本研究建立的水動(dòng)力子模型對(duì)太湖出入湖流量的模擬是準(zhǔn)確的.在太湖各湖區(qū)的中心選取一個(gè)測(cè)點(diǎn)，從各湖區(qū)測(cè)點(diǎn)的TP濃度來(lái)看，均方根誤差和納什系數(shù)均符合要求，本研究建立的磷循環(huán)子模型對(duì)太湖內(nèi)磷變化過(guò)程的模擬是基本準(zhǔn)確的(表3).2016年各測(cè)點(diǎn)逐月實(shí)測(cè)TP濃度與模擬值比較詳見(jiàn)附錄2.5.1.

表3 模型精度

2 結(jié)果

2.1 不同出水路線下新孟河引水的遷移途徑

將新孟河開(kāi)始引水后，引水入湖最早到達(dá)各路線設(shè)計(jì)的出湖河道之日，自入湖至出湖的遷移軌跡繪制在圖2，將不同出水路線下1月1日開(kāi)始的新孟河引水首次到達(dá)各湖區(qū)邊界的時(shí)間記錄在表4.由表4可見(jiàn)，除受水湖區(qū)竺山湖外，所有路線的新孟河引水入湖后在15 d內(nèi)即可抵達(dá)湖心區(qū)北部邊界，35 d內(nèi)即可到達(dá)湖心區(qū)中心.若出水河道設(shè)置在走馬塘(路線3)，新孟河引水入湖抵達(dá)貢湖的時(shí)間會(huì)從100 d左右下降至63 d.若出水河道設(shè)置在太浦河(路線4)，新孟河引水入湖抵達(dá)梅梁湖的時(shí)間會(huì)從60 d左右上升至101 d，且只要125 d即可抵達(dá)東太湖，遠(yuǎn)小于近十年太湖約184 d的交換周期[11].

圖2 新孟河引水入湖遷移路線

表4 新孟河引水入湖抵達(dá)各湖區(qū)時(shí)間(d)*

達(dá)各湖區(qū)邊界的時(shí)間，/為模擬時(shí)間段內(nèi)引水未抵達(dá).由圖2可見(jiàn)，若出水河道設(shè)置在梅梁湖東西兩側(cè)的新溝河、梁溪河(路線1～2)，新孟河引水后水流主要經(jīng)過(guò)竺山湖和梅梁湖，對(duì)其它湖區(qū)的影響不大.若出水河道設(shè)置在貢湖的走馬塘(路線3)，水流主要經(jīng)過(guò)竺山湖和貢湖，對(duì)梅梁湖內(nèi)灣以及其它湖區(qū)的影響較小.而出水河道設(shè)置在東太湖的太浦河(路線4)引水可流經(jīng)竺山湖以及西部湖區(qū)，對(duì)梅梁湖、貢湖的影響較小，這一路線的水流一直會(huì)流經(jīng)湖心區(qū)進(jìn)入東太湖.由于在模擬新孟河引水時(shí)，環(huán)湖其余河道仍在正常出入湖，太浦閘是最大的出湖河道(占比34%)，而城東港是最大的入湖段面(占比42%)，因此路線4中，自城東港入湖的主流將新孟河引水推移的更接近西山島和東部沿岸區(qū).

2.2 不同出水路線對(duì)太湖各湖區(qū)總磷的影響

為反映不同湖區(qū)水中磷存量對(duì)不同出水路線的響應(yīng)，將各引水工況下太湖各湖區(qū)逐月單位面積水中總磷存量與不引水工況之間的變化繪制為圖3.此外，根據(jù)2.1的結(jié)果分析，在受引水影響大的湖區(qū)選擇了6個(gè)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將不同路線下這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的月均總磷濃度變化繪制于圖4，分析湖內(nèi)典型測(cè)點(diǎn)總磷濃度對(duì)不同出水路線的響應(yīng).考慮到11-12月的新孟河引水對(duì)太湖東南部的影響主要在下一年才會(huì)出現(xiàn)，因此主要分析1-5月的引水影響.

圖3 太湖各湖區(qū)單位面積磷存量變化(灰色背景為引水期)

由圖3可見(jiàn)，引水可顯著降低竺山湖的TP，相比平均年，4種出水路線竺山湖的逐月TP在引水期的降低范圍是18%～63%，平均值38%.出水河道設(shè)置在梅梁湖時(shí)(路線1～2)，引水對(duì)梅梁湖TP的降低也是有利的，2種出水路線梅梁湖的逐月TP在引水期的降低范圍是3%～23%，平均值14%.對(duì)貢湖而言，出水河道設(shè)置在梅梁湖時(shí)(路線1～2)，引水對(duì)貢湖TP的降低是有利的，平均降低了8%.但是當(dāng)出水河道設(shè)置在走馬塘(貢湖)時(shí)(路線3)，引水期貢湖的TP會(huì)上升，平均值為15%，引水結(jié)束后貢湖的TP才會(huì)下降.引水會(huì)顯著增加湖心區(qū)的TP，4種出水路線湖心區(qū)的逐月TP在引水期平均增加了13%.當(dāng)出水河道設(shè)置在太浦河時(shí)(路線4)，東太湖和南部沿岸區(qū)的TP都顯著上升，從全年來(lái)看，東太湖最大增幅達(dá)到52%，南部沿岸區(qū)最大增幅達(dá)到46%.西部沿岸區(qū)和東部沿岸區(qū)TP受引水影響不大.

由圖4可見(jiàn)，引水期龍頭(竺山湖)測(cè)點(diǎn)的TP濃度下降明顯，平均年1-5月龍頭的TP濃度平均值為0.16 mg/L，引水后的TP濃度下降范圍為0.02～0.08 mg/L.出水河道設(shè)置在梅梁湖時(shí)(路線1～2)，拖山(梅梁湖)的TP濃度也會(huì)下降，引水期的平均TP濃度會(huì)從平均年的0.095 mg/L下降到0.072 mg/L.出水河道設(shè)置在走馬塘(路線3)，貢湖(貢湖)和平臺(tái)山(湖心區(qū)中部)的TP濃度會(huì)上升.而出水河道設(shè)置在太浦閘(路線4)，湖心南(湖心區(qū)東南部)和東太湖(東太湖)的TP濃度會(huì)上升，由于引水在湖內(nèi)遷移的時(shí)間，湖心南TP濃度開(kāi)始上升的時(shí)間在5月，從平均年的0.075 mg/L增加到0.110 mg/L，東太湖TP濃度開(kāi)始上升的時(shí)間在8月，從平均年的0.041 mg/L增加到0.063 mg/L.

圖4 太湖典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)總磷濃度變化(灰色背景為引水期)

綜上，無(wú)論是對(duì)各湖區(qū)水中磷存量還是典型測(cè)點(diǎn)的總磷濃度分析，均發(fā)現(xiàn)引水對(duì)于太湖西北部改善效果明顯，但是若出水設(shè)置在東太湖，則對(duì)太湖東南部有不利的影響.

2.3 引出水對(duì)太湖磷循環(huán)的影響

2.3.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到的太湖磷平衡結(jié)果 由圖5可見(jiàn)，2010年以來(lái)太湖年入湖磷通量平均2224 t/a，年出湖磷通量平均648 t/a，差值為1576 t/a.而太湖水中磷存量大致穩(wěn)定，為420 t±100 t，根據(jù)物料平衡計(jì)算，入湖總磷在湖中年滯留量平均值為1608 t.本研究模擬的平均年入湖磷通量1958 t，出湖磷通量638 t，差值為1320 t，太湖水中磷存量約為409 t，磷滯留量為1265 t.而模擬的新孟河引水后年入湖磷通量2186 t，比平均年多帶入磷通量228 t，根據(jù)出水河道不同，出湖磷通量為712～802 t，出水河道設(shè)置在梅梁湖出湖磷通量最高，太湖水中磷存量為398～434 t，磷滯留量為1403～1514 t，出水河道設(shè)置在東太湖的磷滯留量最高.

圖5 太湖磷收支變化(灰色背景為模擬結(jié)果)

2.3.2 不同出水路線對(duì)太湖總磷的影響 由圖6可見(jiàn)，本研究模擬的太湖逐月水中磷存量的變化范圍在360～524 t之間，平均409 t.路線1和路線2的月均水中磷存量分別為397和399 t，小于引水前的平均值.而路線3的月均水中磷存量是425 t，路線4的月均水中磷存量是434 t，稍大于引水前的平均值.從這些結(jié)果來(lái)看，出水河道設(shè)置在梅梁湖，會(huì)降低全湖水中磷存量，反之則會(huì)增加太湖水中磷存量.

圖6 出水路線與太湖水中磷存量的關(guān)系

3 討論

3.1 “新孟河引水”的不同出水路線比較

“新孟河引水”的不同出水路線對(duì)太湖總磷會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響？哪一條出水路線是最優(yōu)的調(diào)度方案？從太湖水中TP存量的對(duì)比看，相比平均年，路線1～2降低了太湖水中TP存量，而路線3～4顯著增加了太湖水中TP存量.從太湖各湖區(qū)單位面積水中磷存量的對(duì)比來(lái)看，不同出水路線對(duì)降低竺山湖TP的效果是一致的，雖然不同出水路線都會(huì)增加湖心區(qū)的TP，但是出水河道設(shè)置的離新孟河入湖口越遠(yuǎn)，湖心區(qū)的TP上升越明顯.只有出水河道設(shè)置在貢湖的望虞河-走馬塘，貢湖的TP才會(huì)顯著上升.而出水河道設(shè)置在東太湖的太浦閘，會(huì)造成東太湖、南部沿岸區(qū)TP明顯的上升.從全湖水中TP存量和各湖區(qū)單位面積水中磷存量的對(duì)比來(lái)看，出水河道設(shè)置在梅梁湖的梁溪河(路線1)和新溝河(路線2)，形成太湖西北部小循環(huán)是最優(yōu)的出水路線.但是西北部出湖河道目前存在出水能力不足的缺點(diǎn)，這在未來(lái)應(yīng)用中是一個(gè)不可忽略的工程問(wèn)題.

本文從科學(xué)研究的角度，對(duì)“新孟河引水”后各單一出水路線的結(jié)果進(jìn)行了比較，在未來(lái)應(yīng)用中，管理部門(mén)顯然可以在引水后組合不同的出水路線，如根據(jù)梅梁湖和貢湖的TP濃度實(shí)時(shí)變化進(jìn)行出水路線的輪換，達(dá)到更好的引清排渾的效果，形成出水的聯(lián)動(dòng)方案，限于掌握的太湖實(shí)際調(diào)度資料有限，本文就不在這一方面進(jìn)行更深入的探討.

3.2 太湖各湖區(qū)總磷對(duì)不同出水路線的響應(yīng)

為什么太湖不同湖區(qū)的總磷對(duì)不同出水路線的響應(yīng)不同？從圖2和表4的新孟河引水遷移路線和時(shí)間來(lái)看，形成太湖西北部小循環(huán)時(shí)(路線1～2)，總磷偏高的竺山湖水和引進(jìn)的新孟河水會(huì)直接經(jīng)過(guò)湖心區(qū)北部和梅梁湖出湖，對(duì)水質(zhì)較好的貢湖、南部沿岸區(qū)、東太湖不會(huì)造成太大影響.而出水河道設(shè)置在望虞河-走馬塘(路線3)和太浦閘(路線4)時(shí)，太湖西北部總磷偏高的湖水會(huì)對(duì)水質(zhì)較好的湖區(qū)造成不利的影響.從貢湖和東太湖TP上升的時(shí)間來(lái)看，與新孟河引水抵達(dá)該湖區(qū)的時(shí)間是相近的，因此貢湖和東太湖TP上升存在滯后性.新孟河引水雖未直接經(jīng)過(guò)南部沿岸區(qū)，但是水體交換造成總磷偏高的竺山湖和西部沿岸區(qū)的湖水進(jìn)入南部沿岸區(qū)，惡化了該區(qū)域的TP.

從全湖水中磷存量的對(duì)比來(lái)看，路線1～2的全湖月均水中磷存量比路線3少27 t，比路線4少了36 t.本研究模擬的新孟河引水增加太湖磷通量228 t，即外源磷輸入的增量是一致的.但是由于梅梁湖的TP濃度大于貢湖大于東太湖[6]，因此出水河道設(shè)置在梅梁湖帶出的磷通量會(huì)更多.以近十年這3個(gè)湖區(qū)平均TP濃度計(jì)算，出水河道設(shè)置在梅梁湖可帶出磷通量164 t，比出水河道設(shè)置在貢湖(路線3)多46 t，比出水河道設(shè)置在東太湖(路線4)多90 t.湖泊對(duì)于入湖的總磷也有轉(zhuǎn)化的能力，入湖水在太湖中時(shí)間越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化效果越好[11].從這個(gè)角度來(lái)看，路線3和路線4入湖的新孟河水在太湖中停留的時(shí)間更長(zhǎng)，因此太湖對(duì)總磷的去除量更大，所以路線3～4全湖水中總磷存量相比西北小循環(huán)的增加量是小于出入湖磷通量的差值的.但是路線4的調(diào)度安排下，新孟河引水125 d左右即可到達(dá)東太湖，遠(yuǎn)小于近10年太湖約184 d的交換周期，之前的研究[11]表明，交換周期的減少已經(jīng)對(duì)太湖水質(zhì)的空間格局及東太湖造成不利的影響，因此路線4中新孟河引水對(duì)東太湖的影響是值得重視的問(wèn)題.

考慮到季風(fēng)作用，路線4中，7-9月東太湖總磷濃度雖然上升，但是藻受風(fēng)生流的輸運(yùn)會(huì)遠(yuǎn)離東南部水源，這在一定程度上減輕了引水對(duì)東南部水源區(qū)的影響.從這個(gè)角度來(lái)看，在太湖這樣風(fēng)生流影響強(qiáng)烈的大型淺水湖泊中，未來(lái)三維模型在模擬太湖總磷的變化時(shí)會(huì)有更好的表現(xiàn).本次研究的核心是立足于多年、長(zhǎng)序列太湖磷過(guò)程的數(shù)據(jù)，建立一個(gè)簡(jiǎn)化的太湖磷出入/歸趨模型，從節(jié)約算力的角度，太湖流場(chǎng)模擬選擇了二維的水動(dòng)力子模型，在模擬太湖風(fēng)生流過(guò)程是會(huì)存在一些不足，這是后續(xù)研究值得改進(jìn)的地方.

3.3 太湖磷平衡分析

太湖年內(nèi)的磷平衡是怎樣的？ 從物料平衡的角度看，太湖輸入磷通量多，輸出磷通量少，近年來(lái)水中磷存量大致穩(wěn)定，每年平均有1608 t磷滯留，有研究[21]表明，通過(guò)水草收割、漁獲、藍(lán)藻打撈等途徑離開(kāi)太湖的磷年均約230 t.因此，通過(guò)沉降和底泥吸附滯留在太湖底泥中的磷約有1300 t/a.未引水平均年的狀態(tài)和考慮引水后磷的平衡狀態(tài)沒(méi)有變化，底泥都表現(xiàn)為磷匯，平均年的磷滯留量為1265 t，引水后4種出水路線年均滯留量為1435 t，其中出水河道設(shè)置在東太湖(路線4)磷滯留量最大，年滯留1513 t；出水河道設(shè)置在梅梁湖(路線1～2)磷滯留量1404 t左右；出水河道設(shè)置在望虞河-走馬塘(路線3)磷滯留量為1417 t.磷滯留量可以作為評(píng)價(jià)太湖水環(huán)境的重要指標(biāo)，就目前的結(jié)果而言，如果入湖總磷沒(méi)有明顯下降，磷滯留量仍會(huì)維持在高位.

4 結(jié)論

1)新孟河引水后不同的出湖途徑對(duì)太湖產(chǎn)生的效果存在差異，不同湖區(qū)的響應(yīng)也有所不同.對(duì)于竺山湖而言不管哪條路線都有明顯的改善效果；對(duì)于貢湖而言從望虞河-走馬塘出水時(shí)TP會(huì)有所上升；對(duì)于湖心區(qū)而言出水河道設(shè)置的離新孟河入湖口越遠(yuǎn)，其TP上升的越明顯；對(duì)于太湖東南部而言如果從太浦河出水其TP的上升比較顯著.因此，選擇出水路線應(yīng)該進(jìn)行綜合考慮.

2)從單一出水路線的角度來(lái)看，新孟河引水，梁溪河或新溝河出水的西北小循環(huán)是“新孟河引水”工程的優(yōu)化出水路線，在降低竺山湖、梅梁湖總磷的同時(shí)，不對(duì)太湖東南部水質(zhì)產(chǎn)生不利影響，對(duì)太湖總磷也有降低的效果.在應(yīng)用中可以根據(jù)實(shí)際情況組合不同的出水路線，形成聯(lián)動(dòng)方案，使“新孟河引水”發(fā)揮更大的作用.

3)從物料平衡的角度看，太湖底泥目前仍是磷匯.引水后4種出水路線年均滯留量為1435 t，其中出水河道設(shè)置在東太湖(太浦閘)磷滯留量最大，年滯留1513 t，出水河道設(shè)置在梅梁湖(新溝河、梁溪河)磷滯留量最小，年滯留1404 t左右.

5 附錄

附錄見(jiàn)電子版(DOI: 10.18307/2022.0411).