2018, Vol. 30 
(2: 环境保护部华南环境科学研究所, 水环境研究中心, 广州 510655)
(3: 河海大学环境学院, 南京 210098)
(2: Research Center of Water Environment, South China Institute of Environmental Science, Ministry of Environment Protection of PRC, Guangzhou 510655, P. R. China)
(3: College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098, P. R. China)
菜子湖是长江中下游典型的通江浅水湖泊，近年来，随着社会经济的快速发展，该湖泊水质逐渐下降[1-3]，水生态系统有退化趋势，如水生植被覆盖度显著下降，鸟类多样性减少[4-5].安徽省2016年启动“引江济淮”工程，预计2020年试运营，该工程是以城乡供水、发展江淮航运为主，结合农业灌溉补水，兼顾改善巢湖及淮河水生态环境等综合利用的大型跨流域调水工程.工程自南向北分为“引江济巢”、“江淮运河”和“淮水北调”三段，“引江济巢”段将长江水经枞阳闸穿越菜子湖，北出孔城河，输送至巢湖流域.菜子湖是“引江济淮”工程的重要输水通道，输水工程运行后，将影响菜子湖的水动力特征，湖泊生态系统也将随之调整.
跨流域调水工程是解决地区间水资源分配不均的途径之一[6]，这些工程在取得显著的经济效益、社会效益和环境效益的同时，也会影响湖泊水动力特征及生态环境效益，近年来很多学者围绕调水工程的生态环境影响开展了诸多有意义的研究. Li等[7]建立EFDC三维水动力模型，研究了“引江济太”工程引水量对太湖水动力的调控效果，研究显示，“引江济太”工程对太湖湖体水动力过程的作用效果很大程度上取决于风速风向以及出入湖的流量.黄春琳等[8]通过建立染色剂模型和水龄模型，分析了太湖水龄季节性分布特征以及望虞河调水运行和新沟河工程对太湖水龄分布的影响.熊鸿斌等[9]提出MIKE11模型结合稀释流量比m值法计算了“引江济淮”工程涡河段水环境容量.杨倩倩等[10]通过对太湖贡湖湾一次夏季短期调水前后水环境的分析研究，发现调水对贡湖湾水质影响显著，调水后受水湖区pH略降，总氮、总磷及高锰酸盐指数等理化指标浓度较调水前升高，蓝藻种属比例有所下降，绿藻和硅藻等非蓝藻种属比例则有所上升.
迄今为止，对菜子湖的研究主要集中于生物多样性及其结构特征分析[5, 11-13]，而关于菜子湖水动力的研究却鲜有报道，因此在菜子湖水动力特征及环境效应等方面还需深入研究.风场是浅水湖泊的重要驱动因素，对于湖泊的流场影响较大[14]，此外，“引江济淮”工程在解决水资源短缺和改善受水地区水质的同时，也会对沿线湖泊的生态环境产生影响.鉴此，本文基于EFDC建立了菜子湖水动力模型，引用水龄的概念[15-16]，分析“引江济淮”工程和风场对菜子湖水龄分布特征的影响，可为输水工程方案的实施管理提供科学依据.
1 研究区概况菜子湖(30°43′~30°58′N，117°01′~117°10′E)位于安徽省安庆市，地处北亚热带湿润气候区，气候四季分明.多年平均气温为16.5℃，全年主导风向为东北风，夏季为西南风，春、秋、冬季均为东北风，年平均风速为1.6~5.0 m/s[17].流域内降水受季风气候的影响较为明显，夏季明显多于冬季，多年平均降雨量为1389.1 mm.菜子湖面积全年变化极大，丰水期水域总面积为242.9 km2(相应水位为15.1 m)，总容积为16.1亿m3，而枯水期水域总面积为145.2 km2(相应水位8.1 m)，总容积为2.87亿m3.
菜子湖由东部L1湖、西部L2湖和南部L3湖3个彼此连通的湖泊组成，上游主要入湖河流有孔城河、龙眠河、挂车河和大沙河，其中大沙河的入湖流量占菜子湖入湖总流量的47.3 %.下游的主要出湖河流为位于东南部的长河，水体流向是自西向东、自北向南.菜子湖的地理位置见图 1.
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图 1 菜子湖地理位置 Fig.1 The location of Lake Caizi |
EFDC模型最早由美国弗吉尼亚大学和海洋科学研究所开发[18]，应用笛卡尔坐标或曲线正交坐标系统，可广泛用于解决三维水动力以及污染物运移与扩散的环境问题，本文用笛卡尔直角坐标网格建立菜子湖水动力模型，水平面总计6021个网格，网格空间分辨率为200 m，垂直分为3层，每层的厚度用湖底地形以及水面高程来决定. EFDC模型以风力和入湖流量、出湖水位为动力边界条件(数据来源：http://60.171.153.178:9000/shw/Query/RiverQueryConfig).入湖河流边界条件为4条河流流量：孔城河、龙眠河、挂车河和大沙河，出湖水位边界为枞阳闸上水位序列，水深根据水位和湖底高程得出，并且设置初始流速为0 m/s.
初始条件：提取菜子湖枯水期遥感影像的湖泊边界线在EFDC中插值当做底高程，初始水位为2015年4月1日车富岭水位站的水位(9.13 m).四季风速数据采用1981—2010年的多年月均值(数据来源：http://data.cma.cn/)，风向设置为春、秋、冬季为东北向，夏季为西南向(图 2).在假设湖面水平条件下，初始水位设置为模拟时段第1天的平均值.模拟时间为2015年4月1日—2016年4月1日，时间步长取为10 s，共计算365 d.
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图 2 菜子湖四季风场变化 Fig.2 Variation of wind field during four seasons in Lake Caizi |
EFDC模型中，水动力包含水位、流量、流速、温度和盐度，本文利用车富岭站2015年4月1日—2016年4月1日的实测水位数据和模型计算结果进行对比验证(图 3). 2015年8月拟合效果稍差，其余月份水位的模拟值和实测值拟合情况良好.通过MAE(平均绝对误差)、RMSE(均方根误差)和RE(相对误差)可以直观地反映模型精度[19]，误差分析结果见表 1，模拟结果偏差最大的时段出现在2015年8月，可能与此段水位快速下落有关，其余时间模型偏差较小，MAE和RMSE均小于0.5 m，相对误差均小于5 %，表明模型结果可以比较准确地模拟湖区水量平衡.
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图 3 车富岭站计算水位和实测水位的对比验证(2015春季至2016春季，黄海基面) Fig.3 Comparison of water levels beween measured and simulated results in Chefuling Station (from spring of 2015 to spring of 2016, National 85 Yellow Sea Datum) |
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表 1 车富岭站实测水位与模拟水位MAE、RMSE和RE Tab.1 MAE, RMSE and RE between measured and simulated water levels in Chefuling Station |
水龄是指某一区域水体被交换所需要的时间，可根据示踪剂来计算[15]，假设系统中只有一种示踪剂，那么示踪剂浓度和水龄浓度满足以下两个控制方程[20]：
| $ \frac{{\partial c\left( {t, \vec x} \right)}}{{\partial t}} + \nabla \left( {\vec uc\left( {t, \vec x} \right) - \vec K\nabla c\left( {t, \vec x} \right)} \right) = 0 $ | (1) |
| $ \frac{{\partial \alpha \left( {t, \vec x} \right)}}{{\partial t}} + \nabla \left( {\vec u\alpha \left( {t, \vec x} \right)} \right) - \vec K\nabla \alpha \left( {t, \vec x} \right) = c\left( {t, \vec x} \right) $ | (2) |
式中, t为时间, c为示踪剂浓度,
| $ a\left( {t, \vec x} \right) = \frac{{\alpha \left( {t, \vec x} \right)}}{{c\left( {t, \vec x} \right)}} $ | (3) |
本文的计算将菜子湖视为一个封闭的区域，为了确定调水量及风场对水龄的影响，设计了14个方案(表 2)进行计算.菜子湖是长江中下游典型的浅水湖泊，风场对湖泊的水龄影响甚大，故方案S1和S2分别讨论现状条件下有风和无风时的水龄分布的差异，模型计算时长为365 d；菜子湖是“引江济淮”工程的重要输水通道，方案S3~S5考虑的是调水工程实施期间丰、平、枯季孔城河不同输水能力下菜子湖的水龄分布，根据孔城河丰、平、枯季不同输水能力[21]，以及大沙河、挂车河和龙眠河在丰、平、枯季的平均入湖流量，分别设置-43.5、-3.6和50.1 m3/s，代表长河丰、平、枯季流量，模型计算时长为200 d；结合调水工程和风场，方案S6~S13讨论的是枯水季8种风向下的水龄影响；方案S5、S7和S14则讨论的是枯水季强风向下风速分别为0、5和2.5 m/s时的水龄，模型计算时长为200 d.所有方案所采用的模型及参数都是一致的.
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表 2 模型计算方案 Tab.2 Model calculation scenarios |
季风作用下的菜子湖流场和水龄空间分布见图 4(方案S1结果)，方案S1和方案S2的湖体水龄分布统计见表 3，从时间上看，有风条件下，春、夏、秋、冬季湖体的平均水龄分别为75.23、32.45、81.80、66.16 d，四季出湖水龄从小到大依次为夏季>冬季>春季>秋季，而无风条件下，春、夏、秋、冬季的湖体的平均水龄分别为120.93、33.19、92.92、101.48 d，在无风条件下，春、夏、秋、冬季的湖体的平均水龄比有风条件下的水龄分别大45.70、0.74、11.12、35.32 d，夏季水龄在有风和无风条件下相差不大，是因为夏季四河入湖流量较大，湖泊水体交换速度较快，风场对水体交换较弱，而春、秋、冬季水龄相差较大，原因在于此三季湖泊水位较低，为了保持最低蓄水位，枞阳闸一般保持关闭状态，风场会显著加速水体交换.从空间上看，夏季在偏南向季风作用下，L1湖、L2湖大部分湖区以及L3湖的水龄较小，50 d等水龄线分布范围较大；春、秋、冬季在偏北风作用下，L3湖、L2湖南部以及L1湖北部的水龄较小，50 d等水龄线分布范围较小.靠近湖流入口处的地方水龄较小，远离入口的地方水龄较大；水流流向与风向一致时水龄减小，水循环加快，反之则减慢. L3湖是湖体水龄最小的湖区，L1湖则是湖体水龄最大的湖区.
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图 4 季风影响下菜子湖4个季节流场和水龄分布 Fig.4 Distributions of flow field and water ages of Lake Caizi in response to monsoons |
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表 3 不同水龄区间(天数)所占湖区面积 Tab.3 The area covered by different water ages(days) |
“引江济淮”工程自长江引水经枞阳闸入菜子湖，再经孔城河往北输送，工程运行会改变菜子湖的流场，经模型计算，典型位置变化的流速见表 4，流场空间分布见图 5.从表 2方案S2~S5可得出，丰水季时，A、B、C点的流速均有提高，而D点流速略有下降；平水季时，A点流速大幅提升，D点流速大幅下降，B、C点为原来的2~3倍；枯水季时，A点流速急速提升，B、C、D点的流速也分别得到了不同幅度的升高.由此可知，随着孔城河在丰、平、枯季输水能力的增加(枯水季调水)，菜子湖流场在不同区域受到的影响也随之变化，L2湖流速方向未变，流速大小在枯水季得到小幅升高，而L1湖和L3湖流速方向由原先的从北流向南转变为从南流向北，与孔城河相连的L1湖区在平水季和枯水季流速均有较大幅度的提升，L3湖在丰、平季流速均下降，在枯水季时流速加快.因此，枯水季调水可以使L1湖和L3湖的水动力条件得到明显改善，而对L2湖作用不明显.
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表 4 不同方案下典型位置流速统计 Tab.4 The statistics of flow velocities over typical locations under different scenarios |
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图 5 方案S2丰水季(a)、S2平水季(b)、S2枯水季(c)、S3(d)、S4(e)和S5(f)下的流场 Fig.5 The flow field under the flood season of Scenario2(a), the normal season of Scenario2(b), the dry season of Scenario2(c), Scenario3(d), Scenario4(e)and Scenario5(f) |
为了评估“引江济淮”工程对菜子湖水动力改善所起的作用，结合丰、平、枯季孔城河的输水能力，考虑长河3种不同流量出(入)湖的情况，即丰水季-43.45 m3/s，平水季-3.57 m3/s和枯水季50.09 m3/s (方案3~5，表 2)，并假定：①没有风场的影响；②除了长河和孔城河外其他支流都按丰、平、枯季平均流量考虑.模型除了表 2所示的入、出湖边界条件，以及风速、风向等驱动条件不同之外，其他条件和参数设置与方案1相同，模拟时长为200 d.
第200天的模拟结果(模型模拟的最后一天，见图 6)表明，长河流量分别为-43.45、-3.57和50.09 m3/s时，菜子湖的平均水龄分别为122.56、83.42和90.46 d.空间分布来看，丰水季未调水时，L2湖和L3湖整体水龄较L1湖更小，平水季未调水时，L1湖和L2湖整体水龄较L3湖更小，枯水季引水时，L1湖和L3湖整体水龄较L2湖更小，水龄较小的区域从南边的L3湖蔓延到L1湖(水龄等于50 d)，然而，L2湖、L1湖的西部湖汊和东部湖汊水龄基本保持不变(水龄最大的为236 d).说明“引江济淮”工程对于改善L3湖及L1湖湖区的水循环有很大的促进作用.然而，对于改善L2湖的帮助不大，而该湖区刚好是菜子湖水体的水质较差区域.
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图 6 菜子湖在孔城河丰水季(a)、平水季(b)和枯水季(c)模式第200天的水龄分布模拟结果 Fig.6 Simulation results(the 200th day)of water ages distributions in Lake Caizi under the scenarios of the flood season (a), the normal season (b) and the dry season (c) in Kongcheng River |
风应力是浅水湖泊形成环流的主要驱动力，通过对水龄的分析能更好地论证调水工程对湖泊的水质改善效应.研究中模拟了恒定风速5 m/s时8种不同风向下(表 2中方案6~13)、以及强风向(东北风)下不同风速(表 2中方案5(0 m/s，即无风时)、方案7(5 m/s，即NE)和方案14(2.5 m/s，即NE2))时菜子湖湖体水龄的分布情况，计算位于L1湖的分析点A和B、L2湖的分析点C以及位于L3湖的分析点D的水龄(位置见图 1)，计算结果见图 7.模拟结果表明：在相同风速、不同方向下，东北风对整个菜子湖的水体改善最明显(湖区平均水龄为74.26 d)，西风对水体交换影响最弱(湖区平均水龄为82.92 d)，不同点位，影响效果也有差异，D点是水龄最小的点位，且受风场影响不大(8个风向下的水龄在3.90~4.91 d之间)，这表明靠近引水点区域的水体最先得到交换.其他点位根据风场变化呈现不同差异，对于分析点A，最大水龄为33.25 d(东风状况)，最小为24.59 d(西风状况)；对于分析点B，最大水龄为13.13 d(东南风状况)，最小为12.32 d(西南风状况)；对于分析点C，最大水龄为92.10 d(东风状况)，最小为41.97 d(南风状况).在东北风(强风向)0、2.5和5 m/s的风速下，菜子湖平均水龄分别为90.46、83.72和74.26 d，对于同一分析点，由于风向引起的水龄差值最大为50.13 d(C点)，最小为0.81 d(B点)，由于风速引起的水龄差别在不同湖区有不同表现，B点、C点和D点最大水龄和最小水龄相差分别为1.47、13.97和0.17 d；而相同风向在空间分布上不同分析点的水龄差值变化在37.84 d(北风)~88.20 d(东风)之间，因此风场对水龄的时间和空间分布均具有重要影响.研究结果表明：不同风向对菜子湖群的改善条件不同，西南风有助于L1湖水体交换，北风有助于L2湖水体交换，东风有助于L3湖水体交换，而当风向为东北风时，3个湖区水龄均较小，这表明东北风是“引江济淮”工程对菜子湖水质改善最有效的风向.
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图 7 菜子湖4个分析点在不同风向下的水龄对比 Fig.7 Comparison of water ages over four analysis points in Lake Caizi in response to wind directions |
基于EFDC数值模型，本文建立了菜子湖水动力水龄模型，研究了菜子湖水龄的季节性分布特征以及“引江济淮”工程和风场对湖泊水龄分布的影响.菜子湖的水龄模型既反映了“四河”来水在湖区的更新速率，也反映了调入的长江水与湖体的交换程度.模拟结果表明，风场和输水工程对菜子湖水龄的时空分布产生重要的影响：
1) 菜子湖水龄有明显的季节差异.在无风条件下，春、夏、秋、冬季的平均水龄分别为120.93、33.19、92.92、101.48 d，而在季风作用下，春、夏、秋、冬季的平均水龄分别为75.23、32.45、81.80、66.16 d.水龄计算显示，夏季的水龄小于春、秋、冬季，表明夏季的水体交换速率相对较快，而春、秋、冬季的水体交换速率相对较慢，且风场在春、秋、冬季对水体交换的影响较夏季更显著.
2)“引江济淮”工程实施后，可加速L1湖和L3湖的水体交换速率，但对L2湖水体交换作用不明显.此外，调水工程将显著改变L1湖和L3湖的流场，流向转变为由南向北，流速变大，L2湖流向不变，流速略有提升.
3)“引江济淮”工程实施后，东北风可加速湖泊水体交换，湖区平均水龄为74.26 d，西风影响较弱，湖区平均水龄为82.92 d；同风向不同风速下，菜子湖平均水龄在74.26~90.46 d之间.
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