調(diào)水期風(fēng)場(chǎng)對(duì)淮河入江水道淺水湖泊水動(dòng)力水質(zhì)的影響研究

饒貴康,王玲玲,徐 津,胡禮涵,徐鵬程,唐洪武

(1. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 2. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

我國平原河網(wǎng)地區(qū)地勢(shì)低洼,淺水湖泊分布眾多[1-2],大多兼有防洪供水、生態(tài)修復(fù)、灌溉航運(yùn)等功能,同時(shí)還具有平原水庫的調(diào)蓄功效。風(fēng)場(chǎng)是影響淺水湖泊湖流運(yùn)動(dòng)、泥沙沖淤、污染物輸移的主要?jiǎng)恿χ籟3-5],對(duì)塑造大型淺水湖泊水動(dòng)力場(chǎng)的形態(tài)和結(jié)構(gòu)有重要作用,因此研究淺水湖泊的風(fēng)生流問題對(duì)于湖泊資源的開發(fā)利用與保護(hù)具有重要意義。

目前湖泊風(fēng)生流研究主要有現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室物理模型以及數(shù)值模擬等方法。數(shù)值模擬由于可以全方位、高效率地模擬湖泊水動(dòng)力在不同水文、氣象和地形要素驅(qū)動(dòng)下的時(shí)空演化特征,現(xiàn)已成為風(fēng)生流研究的重要手段[3]。許旭峰等[6]采用平面二維數(shù)學(xué)模型,研究了太湖夏季盛行風(fēng)對(duì)湖區(qū)水位、流速以及流態(tài)的影響;黨晚婷[7]采用平面二維水動(dòng)力水質(zhì)模型,研究了風(fēng)力驅(qū)動(dòng)下不同形態(tài)的封閉湖灣與湖區(qū)水體置換能力的響應(yīng)關(guān)系;陳志琦等[8]為準(zhǔn)確分析羅源灣水體的交換周期以及納潮量的大小,數(shù)值計(jì)算中施加了當(dāng)?shù)仫L(fēng)荷載對(duì)湖灣流場(chǎng)的影響;烏景秀等[9]通過對(duì)比風(fēng)向、湖泊地形、補(bǔ)水量等因素對(duì)靜水湖泊水流流態(tài)的影響,提出了改善湖泊動(dòng)力環(huán)境的調(diào)控方案;Liu等[10]基于二維水流-污染物耦合數(shù)值模型,分析了風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下太湖環(huán)流及污染物的輸移過程;Jalil等[11]通過模擬風(fēng)場(chǎng)引起的水動(dòng)力變化對(duì)淺水湖泊水流結(jié)構(gòu)及沉積物再懸浮的影響,揭示了風(fēng)荷載在沉積物再懸浮中的作用機(jī)制;舒葉華等[12]利用水質(zhì)模型,模擬了風(fēng)生流驅(qū)動(dòng)下太湖湖區(qū)污染物的輸移規(guī)律,指出環(huán)流結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致太湖北部湖灣污染物長(zhǎng)期聚集的主要原因。

前人的研究成果主要集中在探討風(fēng)場(chǎng)對(duì)湖流結(jié)構(gòu)及污染物輸移特性的影響方面,而風(fēng)場(chǎng)對(duì)調(diào)蓄湖泊沿線引調(diào)水工程設(shè)計(jì)運(yùn)行影響方面的研究成果少有報(bào)道。高郵湖、邵伯湖位于淮河入江水道中段[13],是南水北調(diào)后續(xù)工程兩個(gè)重要的調(diào)蓄湖泊。按照規(guī)劃的要求,南水北調(diào)后續(xù)工程運(yùn)行時(shí),兩湖的湖流流向?qū)⒂稍瓉淼挠杀毕蚰细臑橛赡舷虮?兩湖的淮河水質(zhì)將被長(zhǎng)江水質(zhì)置換。由于高郵湖、邵伯湖是典型的淺水湖泊,風(fēng)生流對(duì)湖區(qū)流場(chǎng)以及水體置換作用不容忽視,風(fēng)涌增減水作用還可能影響兩湖之間抽水泵站提水功能的發(fā)揮。鑒于此,本文以高郵湖、邵伯湖為研究對(duì)象,建立二維水動(dòng)力水質(zhì)模型,分析風(fēng)場(chǎng)與調(diào)水動(dòng)力共同作用下兩湖的流場(chǎng)特征以及物質(zhì)輸移規(guī)律,研究成果可為工程方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化、湖區(qū)水質(zhì)水生態(tài)的保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)域概況

高郵湖、邵伯湖位于蘇皖兩省交界處,是淮河入江水道上重要的蓄洪湖泊和行洪通道。兩湖屬于過水型湖泊,水域總面積分別約760.67km2和98km2,平均水深約1.44m和1.1m,周圍地形以平原為主,常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)[14-16],冬季會(huì)刮西北風(fēng)和東北風(fēng),平均風(fēng)速約3.6m/s。湖區(qū)內(nèi)灘地密布,水利工程眾多,其中新民灘的7個(gè)漫水閘與高程較高的灘地組成了新民灘控制線,為兩湖的分界線(圖1)。南水北調(diào)后續(xù)工程規(guī)劃的全湖方案將在湖區(qū)開展抽槽工程,抽槽底寬邵伯湖段為300m,高郵湖段為200m。兩湖有多個(gè)濕地及生態(tài)保護(hù)區(qū),輸水槽道設(shè)計(jì)線位避開了這些生態(tài)敏感區(qū)域。擬建的高郵泵站緊鄰新民灘控制線的西岸堤防,共安裝8臺(tái)機(jī)組,設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.3m。調(diào)水期間,高郵泵站在保證邵伯湖生態(tài)水位的條件下,抽引370m3/s流量進(jìn)入高郵湖。

圖1 研究區(qū)域范圍

2 模型建立

2.1 模型原理

MIKE21模型有穩(wěn)定、快速、可靠的運(yùn)行特點(diǎn),其計(jì)算原理是利用以單元為中心的有限體積法對(duì)水流連續(xù)方程和動(dòng)量方程進(jìn)行離散求解,可模擬各種作用力下二維自由表面流的水位及流速變化,對(duì)淺水湖泊風(fēng)生流的模擬效果較好,在太湖、巢湖、洪澤湖等流域已有諸多應(yīng)用。綜合考慮模型適用性、現(xiàn)有資料情況,采用該模型建立高郵湖、邵伯湖二維水動(dòng)力水質(zhì)模型。

2.1.1 水動(dòng)力模型基本原理

水深平均二維水動(dòng)力控制方程由連續(xù)性方程(式(1))和動(dòng)量方程(式(2))組成。

(1)

(2)

(3)

式中:t為時(shí)間;x、y、z為笛卡爾坐標(biāo);g為重力加速度;h為總水深;η為自由水面高程;d為靜止水深;u、v為x、y方向上的流速分量;f為科氏力參數(shù);ρ為水的密度;pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng);ρ0為水的相對(duì)密度;τsx、τsy為風(fēng)場(chǎng)摩擦力在x、y方向上的分量;τbx、τby為河床摩擦力在x、y方向的分量;sxx、sxy、syy、syx為輻射應(yīng)力分量;Txx、Txy、Tyy、Tyx為水平黏滯應(yīng)力項(xiàng);S為點(diǎn)源流量大小;us、vs為源匯項(xiàng)水流流速。

2.1.2 水質(zhì)模型基本原理

水質(zhì)指標(biāo)控制方程為對(duì)流擴(kuò)散方程,考慮源項(xiàng)與降解過程:

(4)

式中:C為垂線平均濃度;Dx、Dy為x、y方向的擴(kuò)散系數(shù);Kc為綜合降解系數(shù);Sa為源匯項(xiàng)。

2.2 模型范圍及網(wǎng)格劃分

模型采用兩湖最新的實(shí)測(cè)地形資料,利用AutoCAD提取高程點(diǎn)并生成用于模擬的地形文件。模型范圍包括高郵湖區(qū)、邵伯湖區(qū)、新民灘灘地與邵伯湖群灘。輸水槽道采用四邊形網(wǎng)格模擬,其余區(qū)域采用三角形網(wǎng)格,在湖區(qū)出入口、輸水槽道以及灘地區(qū)域進(jìn)行局部加密,空間步長(zhǎng)10～500 m。計(jì)算節(jié)點(diǎn)共7 715個(gè),計(jì)算單元11 158個(gè),網(wǎng)格剖分示意圖如圖2所示。

圖2 二維模型網(wǎng)格劃分

2.3 參數(shù)選取與邊界設(shè)置

為滿足模型穩(wěn)定與計(jì)算精度要求,同時(shí)受限于柯朗條件[17],模型計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)取120s;干濕邊界的水深系數(shù)分別取模型中的默認(rèn)參數(shù):干水深hdry= 0.005m,淹沒水深hflood= 0.05m,濕水深hwet= 0.1m;風(fēng)阻力系數(shù)依據(jù)風(fēng)速值的大小由模型自動(dòng)插值計(jì)算;渦黏系數(shù)取0.28。水質(zhì)模塊的參數(shù)主要包括綜合降解系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù),根據(jù)前人的相關(guān)研究[18-20],高郵湖、邵伯湖總磷的降解系數(shù)可取0.04d-1,擴(kuò)散系數(shù)[21]取1。

模型的邊界條件分別設(shè)置于邵伯湖南端和高郵湖的出湖口(施尖)。調(diào)水時(shí)邵伯湖南端為模型的入流邊界,給定調(diào)水流量為370m3/s;高郵湖的出湖口(施尖)為模型的出流邊界,給定設(shè)計(jì)水位5.13m;兩湖間高郵泵站的調(diào)水作用概化為模型的內(nèi)邊界,給定設(shè)計(jì)調(diào)水流量370m3/s。上述水位流量數(shù)據(jù)均來源于工程設(shè)計(jì)單位提供的資料。

3 模型率定

2007年淮河流域自北向南大部分地區(qū)先后降暴雨到大暴雨,降雨過程歷時(shí)長(zhǎng)、范圍廣,為緩解淮河中游的防洪壓力,入江水道沿線水閘全開泄水。由于該次洪水來流量大,洪峰期水位變化明顯,適合作為數(shù)學(xué)模型的率定資料。選取2007年7月9日至8月30日入江水道實(shí)測(cè)的洪水過程對(duì)模型進(jìn)行率定,最終確定高郵湖、邵伯湖的糙率分別為0.021、0.027。湖區(qū)內(nèi)兩個(gè)水位站點(diǎn)高郵(高)與六閘的水位驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示,由圖可知模型計(jì)算的水位過程與實(shí)測(cè)過程吻合較好,納什效率系數(shù)分別達(dá)到了0.971、0.988,峰值水位誤差小于3%,表明所建模型精度較高,糙率取值合理,可用于后續(xù)調(diào)水工程的研究。

4 計(jì)算工況及結(jié)果分析

高郵湖、邵伯湖具有水深淺、湖面寬等特點(diǎn),受外界因素影響水動(dòng)力過程復(fù)雜多變。風(fēng)是影響淺水湖泊湖流運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力之一。為研究盛行風(fēng)在調(diào)水期對(duì)高郵湖、邵伯湖輸水流場(chǎng)的影響,選用東南風(fēng)、西北風(fēng)、東北風(fēng)3個(gè)盛行方向的定常風(fēng)進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn),風(fēng)速值取為該地區(qū)多年平均風(fēng)速3.6m/s,同時(shí)考慮風(fēng)速增高至7.2m/s時(shí)的影響,工況設(shè)置見表1,計(jì)算時(shí)初始條件分別給定為高郵湖、邵伯湖的設(shè)計(jì)輸水水位5.13m與4.13m。

表1 計(jì)算工況設(shè)置

4.1 風(fēng)場(chǎng)作用對(duì)湖區(qū)流場(chǎng)的影響

圖4是7種風(fēng)況下高郵湖、邵伯湖的風(fēng)生流場(chǎng)圖,圖中黑色直線表示新民灘控制線。由圖4可知,無風(fēng)時(shí)高郵湖、邵伯湖僅受泵站調(diào)水動(dòng)力的影響,水流從邵伯湖南端入湖后一路向北流動(dòng),整個(gè)過程并未產(chǎn)生環(huán)流或漩渦等水動(dòng)力現(xiàn)象,湖區(qū)流態(tài)穩(wěn)定。

圖4 不同風(fēng)況下兩湖區(qū)輸水流場(chǎng)

當(dāng)受風(fēng)場(chǎng)影響時(shí),不同風(fēng)況下湖區(qū)北部會(huì)形成不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)生環(huán)流,環(huán)流的流向、形狀與風(fēng)場(chǎng)風(fēng)向相關(guān)。隨著風(fēng)速增大,兩湖的水動(dòng)力強(qiáng)度提升,流速增幅為0.01～0.06m/s,但流場(chǎng)的總體形態(tài)改變不大,僅西北風(fēng)作用時(shí)高郵湖出現(xiàn)環(huán)流增多的現(xiàn)象。對(duì)比風(fēng)場(chǎng)作用前后兩湖區(qū)的流場(chǎng),可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)荷載對(duì)高郵湖的影響程度明顯強(qiáng)于邵伯湖。由于邵伯湖為典型的河道型湖泊,狹長(zhǎng)的湖泊地形削弱了風(fēng)對(duì)湖面的剪切拖曳作用;而高郵湖具有平面尺度大、湖區(qū)水深淺等特點(diǎn),水動(dòng)力較弱的水域極易受風(fēng)荷載的影響,因此湖區(qū)北部流場(chǎng)復(fù)雜多變,在調(diào)水期可能會(huì)對(duì)湖區(qū)的物質(zhì)輸運(yùn)與水質(zhì)更新造成影響。

4.2 風(fēng)場(chǎng)作用對(duì)高郵泵站樞紐運(yùn)行水位的影響

風(fēng)涌增減水現(xiàn)象是指風(fēng)生湖流向前運(yùn)動(dòng)時(shí),若遇障礙物阻擋會(huì)在迎風(fēng)岸引起水位抬高、背風(fēng)岸引起水位下降的現(xiàn)象。由于高郵站連同新民灘控制線將高郵湖和邵伯湖隔離成上下兩個(gè)梯級(jí)湖泊,阻擋了風(fēng)生流的前行方向,導(dǎo)致高郵站的上下游易發(fā)風(fēng)涌增減水現(xiàn)象,影響泵站工程的正常運(yùn)行。

為研究調(diào)水期風(fēng)荷載對(duì)高郵湖、邵伯湖水位的影響,繪制工況2～7與工況1的水位差等值線如圖5所示。由圖5可知,風(fēng)場(chǎng)作用會(huì)引起兩湖區(qū)的水位變化,沿吹程方向水位差呈梯級(jí)分布。東南風(fēng)時(shí),由于新民灘控制線阻擋了風(fēng)生流的前行方向,水流會(huì)在邵伯湖一側(cè)形成水位壅高,高郵湖一側(cè)形成水位下降,且風(fēng)速越高水位變幅越大;西北風(fēng)時(shí)兩湖區(qū)的水位差分布同東南風(fēng)相似,但趨勢(shì)相反,即靠近新民灘一側(cè)高郵湖水位壅高,而邵伯湖一側(cè)水位則下降;東北風(fēng)作用時(shí)整個(gè)湖面向西南側(cè)傾斜,兩湖區(qū)的迎風(fēng)岸水位壅高,而背風(fēng)岸水位下降。

圖5 兩湖區(qū)水位差等值線(單位:m)

6個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果表明,新民灘控制線的附近湖面是風(fēng)涌水現(xiàn)象最為顯著的區(qū)域,風(fēng)速越高該區(qū)域的水位變幅越大,上下級(jí)湖面的水位差最大可超過0.2m。倘若高郵泵站在設(shè)計(jì)之初沒有考慮風(fēng)涌水的影響,可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)揚(yáng)程偏低,調(diào)水動(dòng)力不足。此外,湖區(qū)水位過低也可能影響泵站取水口的取水效果。因此,建于湖泊沿岸的泵站工程、取水工程等水利設(shè)施,在規(guī)劃建設(shè)時(shí)有必要考慮風(fēng)涌水的影響,避免湖區(qū)水位變化過大而影響工程的正常運(yùn)行。

4.3 風(fēng)場(chǎng)作用對(duì)兩湖區(qū)水體更新的影響

污染物輸移擴(kuò)散與水體的更新置換是南水北調(diào)后續(xù)工程水質(zhì)水生態(tài)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。長(zhǎng)時(shí)間的輸水過程中,湖泊水體將與長(zhǎng)江水體發(fā)生融合、置換,從而引起湖區(qū)水質(zhì)的變化。

以高郵湖、邵伯湖的污染物總氮為研究對(duì)象,分析調(diào)水期不同風(fēng)場(chǎng)對(duì)兩湖區(qū)水質(zhì)分布與水體交換能力的影響。根據(jù)2019年中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),高郵湖總氮質(zhì)量濃度在0.85～2.09mg/L之間,高濃度水域集中在湖區(qū)的西南區(qū)域;邵伯湖總氮質(zhì)量濃度在1.15～1.48mg/L之間;長(zhǎng)江干流的三江營(yíng)站點(diǎn)總氮質(zhì)量濃度為2mg/L左右,高于兩湖。因此從總氮來看,兩湖水質(zhì)優(yōu)于長(zhǎng)江水質(zhì)。

根據(jù)實(shí)測(cè)資料,設(shè)定模型計(jì)算時(shí)高郵湖與邵伯湖的總氮初始質(zhì)量濃度如圖6所示,圖中A、B、C、D是4個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。模擬時(shí)邵伯湖南部邊界的總氮入流質(zhì)量濃度設(shè)定為2mg/L。經(jīng)計(jì)算,當(dāng)在無風(fēng)條件下(工況1)調(diào)水約90d,4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總氮質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定并保持不變,如圖7所示。

圖6 高郵湖、邵伯湖總氮初始質(zhì)量濃度

圖7 無風(fēng)條件下4個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總氮質(zhì)量濃度變化

為了研究風(fēng)荷載對(duì)兩湖區(qū)水體更新置換的影響,圖8比較了不同風(fēng)況下兩湖區(qū)調(diào)水90d后總氮質(zhì)量濃度分布結(jié)果。由圖8可知,無風(fēng)條件下,兩湖大部分區(qū)域的總氮質(zhì)量濃度已基本升至調(diào)水濃度,其中高郵湖、邵伯湖生態(tài)保護(hù)區(qū)均被長(zhǎng)江水體置換,僅高郵湖北端及湖區(qū)西南側(cè)水動(dòng)力較弱的區(qū)域總氮質(zhì)量濃度還維持初始較低值。當(dāng)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)時(shí)(圖8(b)(e)),兩湖水體的置換程度明顯提高,高郵湖北部原本難以更新的水域在東南風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下也基本置換為長(zhǎng)江水體。相比于無風(fēng)工況,東南風(fēng)的作用能夠顯著提升湖區(qū)內(nèi)污染物的輸移能力。而當(dāng)湖區(qū)受冬季西北風(fēng)影響時(shí)(圖8(c)(f)),由于風(fēng)向與調(diào)水流向相反,逆風(fēng)作用使調(diào)水水體難以運(yùn)動(dòng)至湖區(qū)北部,加之湖區(qū)北部形成的風(fēng)生環(huán)流在很大程度上抑制了兩種水體間的融合交換,因此輸水過程中該水域的總氮質(zhì)量濃度始終較低,水體更新程度弱。東北風(fēng)也屬于逆風(fēng)類工況(圖8(d)(g)),調(diào)水期高郵湖的水體更新同樣受阻,但相比于西北風(fēng)其影響程度相對(duì)較低,水體更新有所增強(qiáng)。

圖8 調(diào)水第90d時(shí)兩湖總氮質(zhì)量濃度分布

上述分析表明,調(diào)水期風(fēng)場(chǎng)是影響淮河入江水道高郵湖水體更新與水質(zhì)分布的重要因素,風(fēng)場(chǎng)條件不同,湖區(qū)內(nèi)總氮等污染物的輸移擴(kuò)散規(guī)律也不同。此外,模擬結(jié)果還表明:高郵湖、邵伯湖生態(tài)保護(hù)區(qū)在調(diào)水時(shí)大部分區(qū)域會(huì)被長(zhǎng)江水體置換,水質(zhì)的改變可能影響原有的水生態(tài)環(huán)境,不利于保護(hù)區(qū)內(nèi)水生生物的生長(zhǎng),有必要采取相關(guān)的應(yīng)對(duì)保護(hù)措施,如加強(qiáng)保護(hù)區(qū)內(nèi)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)和管理、設(shè)置有效隔離帶、建立人工濕地、利用水生植物的自然凈化作用降低來流水體的污染物含量等。

5 結(jié) 論

a.高郵湖是風(fēng)場(chǎng)作用的敏感區(qū)域,在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)下湖區(qū)將形成不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)生環(huán)流,環(huán)流的流向、形狀由風(fēng)場(chǎng)風(fēng)向決定;邵伯湖由于平面尺度較小,風(fēng)荷載不會(huì)對(duì)湖區(qū)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的影響。

b.風(fēng)場(chǎng)作用會(huì)引起湖區(qū)迎風(fēng)岸水位抬高、背風(fēng)岸水位下降,新民灘控制線的上下級(jí)湖面是風(fēng)涌增減水最為顯著的區(qū)域,本文研究工況下水位差最大可超過0.2 m。由于風(fēng)荷載對(duì)淺水湖泊的水位影響較大,因此沿湖岸修建的泵站工程、取水工程等水利設(shè)施,在規(guī)劃建設(shè)時(shí)有必要考慮當(dāng)?shù)仫L(fēng)場(chǎng)的影響,以免湖區(qū)水位變化過大而影響涉水工程的正常運(yùn)行。

c.風(fēng)場(chǎng)是影響淮河入江水道高郵湖水體更新和水質(zhì)分布的重要因素:當(dāng)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)向與調(diào)水方向同向時(shí),高郵湖水體的置換程度會(huì)顯著提高;而當(dāng)兩者逆向時(shí),湖區(qū)水體的置換程度將顯著下降。

d.由于輸水過程中高郵湖、邵伯湖的生態(tài)保護(hù)區(qū)大部分區(qū)域水體將被長(zhǎng)江水體置換,水質(zhì)的改變可能影響原有的水生態(tài)環(huán)境,不利于保護(hù)區(qū)水生生物的生長(zhǎng),應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。