邵詠絮， 逄 勇， 宋為威

(1.河海大學 淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098； 2.河海大學 環(huán)境學院， 江蘇 南京 210098)

1 研究背景

湖泊、水庫等封閉式水體的富營養(yǎng)化問題已逐漸成為一個全球性的水環(huán)境問題[1]。湖體富營養(yǎng)化將帶來藻類的爆發(fā)，影響藻類生長不僅包括物理、化學和生物等外部因素，比如營養(yǎng)鹽類、水溫、陽光、透明度和 pH 值等，同時水體中的水動力條件也對富營養(yǎng)化有影響，比如流速[2]、流量[3]和水體擾動[4]等。湖泊富營養(yǎng)化防治歷經了從營養(yǎng)鹽的控制、直接進行除藻，再到對生物進行調控、實施生態(tài)工程及進行生態(tài)恢復等過程[5]。從20世紀60年代起，富營養(yǎng)化模型經歷了單層、單室、單成分、零維模型到多層、多室、多成分、三維模型的技術發(fā)展[6]。同時，隨著監(jiān)測、計算等技術的發(fā)展，湖泊富營養(yǎng)化水質預測模型也得到較大發(fā)展，目前模擬河湖水動力過程的模型有很多，比如 MIKE、EFDC、QUAL2K及WASP等[7]。

本文以鎮(zhèn)江市典型游樂場景觀河流魔幻海洋世界為例，主要通過二維水動力/水生態(tài)模型，開展對鎮(zhèn)江市魔幻海洋世界水動力、水質改善措施的研究。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域

鎮(zhèn)江位于東經119°28′，北緯32°15′，屬暖溫帶向北亞熱帶過渡的季風氣候，屬半濕潤區(qū)，濕潤溫和，四季分明，雨量適中，多年平均降雨量為1 043.8 mm，年平均年蒸發(fā)量為925.4 mm，年內最大日蒸發(fā)量一般發(fā)生在7、8月，最小蒸發(fā)量一般發(fā)生在每年的1月份。歷年來平均氣溫15.4℃，歷史最高氣溫40.9℃，最低氣溫-12℃。日照比較充實，多年平均日照時數(shù)為2 073.8 h，年日照百分率為47～49%。根據(jù)統(tǒng)計資料，全年主導風向E、ENE、ESE(各9%)，多年夏季主導風向ESE(13%)，多年冬季主導風向ENE(9%)。鎮(zhèn)江市盛行為東北到東偏南向風，其平均風速偏大，常年平均風速3.4 m/s。引江航道的COD、氨氮、TP、TN和葉綠素a(Chl-a)的濃度分別為3.03、 0.15、 0.039、1.182及0.016 mg/L。

鎮(zhèn)江魔幻海洋世界項目所在地塊，北為引航道西岸，南為原試辦引河，東南側為金山湖，地塊三面環(huán)水，項目面積10×104m2。目前項目尚未建成，本文研究內容從規(guī)劃角度出發(fā)，從建設合理性進行論證，對運營后的水質進行預測，以防止出現(xiàn)游樂場水質富營養(yǎng)化及水質滿足娛樂用水要求，從而為鎮(zhèn)江魔幻海洋世界項目的后期管理提供科學依據(jù)。研究區(qū)域周邊水系和水利工程見圖1，項目涉水區(qū)內水系、水利工程及土地利用情況見圖2。

2.2 計算模型

(1)二維水動力、水質及富營養(yǎng)化模型。計算模型主要包括水動力二維模型、水質及富營養(yǎng)化模型計算。笛卡爾坐標系下的二維水動力控制方程是不可壓流體三維雷諾Navier-Stokes平均方程沿水深方向積分的連續(xù)方程和動量方程[8]。水質模型是以質量平衡方程為基礎的。由于三維水質輸移方程包涵很多不可確定的參數(shù)，在現(xiàn)有條件下，模型的驗證存在困難，考慮到資料及模型計算工作量等因素，采用垂向平均的二維水質模型[9-10]。在富營養(yǎng)化模型計算中，Chl-a的含量是水體富營養(yǎng)化評價的重要指標，主要會受到溫度、光照、降水量、酸堿度和營養(yǎng)鹽的影響，因而本文以Chl-a濃度作為評價指標，考察營養(yǎng)鹽濃度對藻類生長的影響。

(2)模型水質及富營養(yǎng)化參數(shù)。光照強度與太陽輻射能量、日照時數(shù)、云量有關。日照時數(shù)選用鄰近城市逐日實測值，結合相關經驗公式，求得光照強度，作為模型計算值。水質參數(shù)見表1。

表1 水質主要模型參數(shù)取值表

根據(jù)規(guī)劃，項目完成后只有游客在各旅游環(huán)節(jié)會產生一些面源污染。根據(jù)《旅游者排污行為與旅游區(qū)水環(huán)境干擾模式研究》，旅游季主要集中在5月到10月，大量旅游生活污水和種種廢棄物不斷通過各種途徑進入研究區(qū)域水體中，該期間游人行為主要集中為觀魚喂魚和水上娛樂項目(游船)等。計算得游樂場主要環(huán)節(jié)污染物濃度見表2。

表2 游樂場主要環(huán)節(jié)污染物濃度(mg/L)

2.3 地形概化

本文采用三、四邊形混合網格將鎮(zhèn)江市魔幻海洋世界劃分了3 812個網格，網格間距為8～10 m左右[11-13]。假定初始時刻湖面是靜止的，沒有擾動，時間步長Δt=60 s。模型網格以及地形高程示意見圖3。

2.4 方案設置

為保障涉水區(qū)水質及富營養(yǎng)化滿足景觀娛樂用水要求，提出兩種引水方案控制涉水區(qū)水體富營養(yǎng)化，分別如下：

(1)自引方案：當長江水位高于金山湖開閘(機)水位0.3 m時，利用入口1、入口2與出口(位置及自引路線見圖4)間的水位差，通過自流方式引水進入涉水區(qū)，改善涉水區(qū)水質及富營養(yǎng)化。

模型邊界條件：初始水位為2.67 m，初始溫度為28℃，初始流速為0。

(2)泵引方案：通過1#泵站引引江航道水進入涉水區(qū)，改善涉水區(qū)水體水質及富營養(yǎng)化狀況，“三閘一涵”的位置見圖2，規(guī)格參數(shù)見表3。

涉水區(qū)庫容約35×104m3，1#水泵單臺泵引水設計流量為1.85 m3/s，初步計算開雙泵引水27 h即可換水一次，因泵引流量小，不會對水上船只運行等娛樂活動造成影響，所以可以持續(xù)泵引。為了保證水體被完全置換，擬定泵引持續(xù)時長為30 h。如果關閉1#閘，開啟1#泵、2#閘、3#閘4#涵對整個涉水區(qū)泵引換水，則大部分水都將從2#閘流出，不能對摩崖區(qū)進行有效的換水，因此要對三閘一涵合理調配才能使水體得到徹底的更換；又因為水街區(qū)+中心景觀湖區(qū)庫容：摩崖區(qū)庫容≈3∶1，所以設計泵引方式為第1天0點至22點(持續(xù)22 h)沖洗水街區(qū)和中心景觀湖區(qū)，第1天22點至第2天6點(持續(xù)8 h)沖洗摩崖區(qū)。泵引期間“三閘一涵”及泵開關情況見表4。

鎮(zhèn)江魔幻海洋世界受風場影響，但由于風速風向的變化范圍較大，難以形成穩(wěn)定流場，致使得到的湖流規(guī)律性不是很好。為了較好地反映風場對涉水區(qū)流場的影響，在模型模擬中采用3種頻率較高的風速風向，風向分別為E、SE、S，風速均為3.4m/s，模擬這3種風向無引水條件下涉水區(qū)流場、水質及富營養(yǎng)化，由于涉水區(qū)面積小，引水流量較大，涉水區(qū)流場主要受到引水影響，風向對流場影響幾乎可以忽略不計，所以僅模擬風頻最大的東南風條件下泵引與自引涉水區(qū)流場、水質及富營養(yǎng)化。模型計算方案見表5。

表3 “三閘一涵”規(guī)格參數(shù)

表4 泵引期各時段“三閘一涵”及泵開關情況

表5 模型計算方案

3 結果與討論

3.1 粒子追蹤

結合粒子追蹤，在河道入口2#處放置了4個粒子，每個粒子在流場中的運動軌跡及每隔5 h在流場的位置見圖5。

分析3種風向下粒子追蹤與停留時圖可知：

(1)粒子在3種風向下的停留時間為東風>東南風>南風。其中粒子在東風下最大停留時間為125 h，在東南風下最大停留時間為115 h，在南風下最大停留時間為95 h。

(2)粒子在3種風向下均不通過摩崖區(qū)，幾乎所有粒子都是通過中心景觀湖區(qū)進入水街一區(qū)、二區(qū)再進入引江航道，僅在東風作用下有一粒子附著在涉水區(qū)東側岸邊。

(3)粒子在景觀中心湖區(qū)均出現(xiàn)了往復的情況，但最終還是通過水街區(qū)流出。

3.2 水動力變化

3.2.1 無引水條件下涉水區(qū)流場計算分析 利用構建的鎮(zhèn)江魔幻海洋世界水量數(shù)學模型，根據(jù)上述鎮(zhèn)江魔幻海洋世界流場計算方案，計算得到無引水方案下不同風向條件下鎮(zhèn)江魔幻海洋世界湖區(qū)流場見圖6，不同風向條件下模型模擬10 d均能形成穩(wěn)定流場。

由圖6分析穩(wěn)定后不引水鎮(zhèn)江魔幻海洋世界的流場可知：

(1)3個風向條件下中心景觀湖區(qū)流速均較小，沿岸水深較淺處受風速影響較大，在不同風向下呈現(xiàn)出稍大流速。

(2)3個風向條件下摩崖景區(qū)段流場流速很小，僅表面流隨風向有輕微移動。

(3)在東風作用下，由于該風向與水街一、二、三期河道垂直，導致流速幾乎為0，而在東南風及南風作用下水街一、二期流速變大。

3.2.2 泵引條件下涉水區(qū)流場計算分析 結合歷年風場資料，取最常見的東南風模擬出泵引22、30 h后涉水區(qū)流場圖，見圖7～8。由圖7～8可知：

(1)引水22 h，在中心景觀湖西側由于交界口涉水區(qū)驟然變寬，使得水流從運動波變?yōu)閿U散波，沿著擴散波的方向，相應流量發(fā)生變化，流速減小。中心景觀湖中區(qū)和東區(qū)由于水流逐漸穩(wěn)定，流速也有所恢復。

(2)引水30 h，關閉2#閘，開3#閘和4#涵洞，沖洗摩崖區(qū)，摩崖區(qū)及出口區(qū)流速變大，河道水體很快得到交換，在涉水區(qū)東南部位河流轉彎處及摩崖區(qū)中部，由于寬度比平均河道寬，速度相對減慢。2#閘由于關閉附近形成滯流區(qū)。

3.2.3 自引水條件下涉水區(qū)流場計算分析 結合歷年風場資料，取最常見的東南風模擬出涉水區(qū)入口1、入口2與出口水位差(用Δh表示，下同)為0.3 m時流場圖見圖9。分析穩(wěn)定后自引條件下的鎮(zhèn)江魔幻海洋世界流場可知：

(1)摩崖區(qū)的流場在整個涉水區(qū)最大，其次是水街區(qū)，中心景觀湖區(qū)流速較小，且部分地區(qū)流速小于0.01 m/s，存在滯流區(qū)。

(2)對于水街區(qū)，水流從河道入口1進入流場，大部分水流通過水街二區(qū)、一區(qū)進入景觀中心湖區(qū)，少部分流經水街三區(qū)，可知水街二區(qū)、一區(qū)的流速大于三區(qū)。

3.3 水質及富營養(yǎng)化變化

3.3.1 無引水條件下涉水區(qū)水質及富營養(yǎng)化計算分析 不同風向條件下模型達到完全穩(wěn)定狀態(tài)后得到的涉水區(qū)Chl-a分布見圖10,TN分布見圖11，TP分布見圖12，富營養(yǎng)評價綜合得分見圖13。

(1)3種風向下Chl-a、TN、TP濃度和富營養(yǎng)化綜合得分分別為0.014、1.49、0.11 mg/L和58.0分。與流場相契合，3種常風風向無引水條件下，水街區(qū)、摩崖區(qū)以及與涵洞連接的出口區(qū)域的水體水質得不到有效地交換，水流滯留導致水體Chl-a、TN、TP含量均較高。

(2)東風無引水條件下，由于該風向與水街一、二、三期河道垂直，該區(qū)域水體Chl-a、TN、TP含量均比其他兩個方向的大；東風、東南風條件下，中心湖區(qū)Chl-a、TN、TP含量較南風條件下好，前兩個風向下中心湖區(qū)水體受2#閘門入流的影響較大，中心湖區(qū)水體水質一定程度上得到改善；而受出口入流的影響，南風作用下出口區(qū)水質較好的范圍最大，其次為東南風，最后為東風。

3.3.2 泵引水條件下涉水區(qū)水質及富營養(yǎng)化計算分析 泵引水22 h后得到的涉水區(qū)Chl-a、TN、TP濃度及富營養(yǎng)化綜合評分見圖14，泵引水30 h后得到的涉水區(qū)Chl-a、TN、TP濃度及富營養(yǎng)化綜合評分見圖15。

由圖14可知：除局部岸邊滯留區(qū)，東部湖區(qū)水體整體得到明顯改善，水街區(qū)和中心景觀湖區(qū)的Chl-a、TN、TP均顯著降低，分別為0.01、1.42、0.06 mg/L，富營養(yǎng)化綜合評分為51.4分。富營養(yǎng)化得分明顯降低，為輕度富營養(yǎng)化。

由圖15可知：泵引水30 h，摩崖區(qū)水體水質得到明顯改善，水街區(qū)和中心景觀湖區(qū)的Chl-a、TN、TP均顯著降低，分別為0.009、1.36、0.02 mg/L，富營養(yǎng)化綜合評分為47.7分。說明引水對湖區(qū)水體水質改善效果明顯。

3.3.3 自引水條件下涉水區(qū)水質及富營養(yǎng)化計算分析 自引條件下涉水區(qū)Chl-a、TN、TP濃度及富營養(yǎng)化綜合評分圖見圖16，由圖16可知：

(1)自引水對流場水質的改善十分迅速和明顯，整個流場的水質與流場規(guī)律契合。Δh越大流速越大水質越好富營養(yǎng)化評價得分越低。

(2)對于整個涉水區(qū)，在自引期間，Chl-a、TN、TP濃度和富營養(yǎng)化綜合得分分別為0.01、1.57、0.03 mg/L和49.8分。中心景觀湖區(qū)和水街三區(qū)的水質相對較差，易發(fā)生富營養(yǎng)化。

圖1研究區(qū)域周邊水系和水利工程圖圖2項目涉水區(qū)內水系、水利工程及土地利用情況圖

圖3模型區(qū)域網格及地形高程示意圖圖4自引線路圖

圖5 不同風向下粒子追蹤與停留時間圖

圖6 不同風向條件下無引水流速分布

圖7泵引水22 h流場圖圖8泵引水30 h流場圖圖9自引條件下流場圖

圖10 不同風向條件下無引水Chl-a分布圖

圖11 不同風向條件下無引水TN分布圖

圖12 不同風向條件下無引水TP分布圖

圖13 不同風向條件下無引水富營養(yǎng)化綜合得分圖

圖14 泵引水22 h后Chl-a、TN、TP和富營養(yǎng)化綜合得分

圖15 泵引水30 h后Chl-a、TN、TP和富營養(yǎng)化綜合得分

4 結 論

(1)粒子在3種風向下的停留時間為東風>東南風>南風。其中粒子在東風下最大停留時間為125 h，在東南風下最大停留時間為115 h，在南風下最大停留時間為95 h。粒子在3種風向下均不通過摩崖區(qū)，幾乎所有粒子都是通過中心景觀湖區(qū)進入水街一區(qū)、二區(qū)再進入引江航道，僅在東風作用下有1粒子附著在涉水區(qū)東側岸邊。粒子在景觀中心湖區(qū)均出現(xiàn)了往復的情況，但最終還是通過水街區(qū)流出。

(2)分析水動力、水質及富營養(yǎng)化表明：無引水時，3個風向條件下中心景觀湖區(qū)流速均較小，沿岸水深較淺處受風速影響較大，在不同風向下呈現(xiàn)出稍大流速。泵引水時，連續(xù)泵引30 h的水質好于20 h。自引水時，引江河道與人工湖水位差Δh越大，人工湖水質越好。