2022, Vol. 34 
(2: 北京师范大学教育部水沙科学重点实验室, 北京 100875)
(3: 北京师范大学自然科学高等研究院, 珠海 519087)
(2: State Key Laboratory of Water Environmental Simulation, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, P. R. China)
(3: Advanced Institute of Natural Sciences, Beijing Normal University at Zhuhai, Zhuhai 519087, P. R. China)
巢湖流域位于安徽省中部，属长江下游左岸一级水系，是安徽省会经济圈主体，作为蓄洪、灌溉、航运、渔业、城市供水、旅游观光等多种功能的重要载体，为安徽地区区域经济持续发展以及人类生存提供了重要保证，同时面临社会经济发展与环境生态保护双重压力[1]. 伴随着流域城市化和工农业生产活动步伐加快，从1970s开始，巢湖水质恶化，经治理后水质有所改善，东湖区水质接近Ⅲ类，但西湖区水质仍难以稳定达到Ⅳ类水质目标[2-3]. 水量与水动力是河湖生态系统的重要基础变量[4]，为改善和维护区域水环境，增强水动力条件成为治理水环境的措施之一，其中调水引流是较为常见且重要的一种手段[5]. “引江济巢”是安徽省水资源配置的重要战略工程. 引长江清水入巢湖，并通过增加长江和巢湖之间的水量交换，缩短湖泊水体置换时间以改善巢湖水质. 同时“引江济巢”是引江济淮的起始段工程，需要保证济淮水质以改善淮河水生态[6-7]. 因此，“引江济巢”工程调引的江水能否入湖、以何种线路入湖既关系巢湖水质改善，又影响后续济淮工程的效果[8-9].
结合巢湖水质空间分布特点和工程建设成本，“引江济巢”工程先后提出多条调水路线和多种调水方案[8, 10]，并基于试验、统计、遥感、数值模拟等方法对比了不同调水方式对巢湖水质的影响[6, 11-13]. 对湖泊水质评估通常以监测点为基础，开展监测点区域、监测点流域等评估单元的湖泊健康状态评估研究[14-15]. 其中在2007年进行了试验性调水，结果表明调水自兆河入湖对巢湖水动力条件影响较小，对东湖区水质有一定改善作用，但对西湖区水质影响较小[6, 12, 16]. 相关数值模拟结果表明若改变调水路线，自白石天河入湖对西湖区和中湖区的水质改善作用明显[11]. 然而，基于某一年巢湖的水质情况分析调水对湖区水质影响的研究，难以反映巢湖在丰水年、平水年和枯水年下，入湖流量、水质年际变化等原因所导致的调水对水质影响的差异[17-18]. 相较试验、统计、遥感等方法，数值模拟可以更好地考虑多因素影响[19-29]. EFDC一般应用于河流、湖泊、近岸水域，在模拟水质方面有较广的应用，可以较好地拟合固定河岸边界和底部地形；传播速度慢，允许较大的模拟时间步长. 但在实际模拟过程中涉及的参数众多，部分参数难以确定. Delft3D主要应用于河口、河流、海洋等区域，具有灵活的框架，能够模拟二维和三维的水流、波浪、水质、生态、泥沙输移各个过程之间的相互作用，但模型较为复杂，计算工作量较大. MIKE21在模拟河流、湖泊、波浪、泥沙及生态等方面应用非常广泛，软件界面友好，前、后处理功能强大，具有便于应用和模拟精度较高的优点[25-26]. 本文通过水动力水质模型模拟了巢湖不同典型年的流场和总氮、总磷分布特征，探究了不同调水路线在不同典型年条件下对巢湖水动力条件的影响以及对水质的改善作用，以期为后续“引江济巢”调水方案和巢湖水环境治理提供科学依据.
1 研究方法 1.1 研究区域巢湖(31°40′~32°12′N, 117°28′~118°25′E)是我国五大淡水湖之一，位于安徽省合肥市下游，属长江下游左岸一级水系. 巢湖多年平均水位8.52 m，平均水深2.69 m，湖泊面积769 km2. 巢湖流域面积13680 km2，地势西高东低，流域涉及合肥、芜湖、马鞍山、六安、安庆五市共17个县(市、区). 2020年流域人口总计约1187万人，占全省人口的19.5 %. 流域经济发展水平较高，2020年巢湖流域地区生产总值达11224亿元，占安徽省经济总量的29 %，经济发展以工业和旅游服务业为主[7].
巢湖入湖主要支流中流域面积在500 km2以上的有杭埠河、南淝河、白石天河、十五里河、派河、兆河等，呈放射状汇入巢湖(图 1)，其中杭埠河、南淝河、白石天河3条河流入湖径流量占75 % 以上，杭埠河水量最大[9].
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图 1 巢湖湖区监测点、不同调水路线分布、巢湖网格划分及巢湖流域降雨站分布 Fig.1 Monitoring points in Lake Chaohu area, distribution of different water transfer routes, grid division of Lake Chaohu and distribution of rainfall stations in Lake Chaohu Basin |
安徽省自2007年启动“引江济巢”调水试验，巢湖通过庐江县和巢湖市内的西河凤凰颈闸站、裕溪闸、牛屯河分洪道新桥闸与长江干流沟通, 具备引江灌溉和排除内水的双向功能[19, 30].
1.2 模型构建及验证 1.2.1 模型构建巢湖为浅水湖泊(最大水深低于10 m[24])，垂向分层不明显，MIKE21的三角形非结构网格具有复杂区域适宜性好、局部加密灵活和便于自适应的优点，能很好地模拟自然边界及复杂的水下地形，同时计算速度较快，可以模拟因各种作用力产生的水位和水流变化及模拟忽略分层的二维自由表面流[25-26]. 因此本研究采用二维水动力水质模型MIKE21模拟巢湖水动力水质特征及不同“引江济巢”线路的影响. 湖泊地形通过ADCP实测得到，水位流量数据来自安徽省水利厅.
入湖支流中杭埠河、南淝河、白石天河、十五里河、派河、兆河、柘皋河7条河流入湖径流总量占全湖入湖径流量的90 % 以上，因此模型单独考虑该7条河流的入湖流量过程，其他支流作为区间入流，主要出湖河流为裕溪河. 以上述各入湖支流流量为上边界，裕溪河实测水位为下边界(图 1). 巢湖湖区地形采用实测地形资料，综合考虑模型计算稳定性及计算效率，模型采用三角网格，包括3100个节点，5188个单元，单元平均边长800 m. 在河流入湖口进行局部网格加密，加密单元平均边长400 m.
本次模拟选取时间步长为30 s；根据巢湖实地调研情况和对前人总结经验的分析，定义干水深hdry=0.005 m，淹没水深hflood=0.05 m，湿水深hwet=0.1 m. 巢湖属于浅水湖泊，垂向密度变化不大，密度梯度可以忽略不计. 本次模拟水体密度计算采取正压模式，即定义温度和盐度为定值，模拟过程中水体密度保持不变.
基于巢湖7个国家站(图 1)降雨历史时间序列分析，2010--2021年巢湖年均降雨量为1178 mm，选定2016年(1533 mm)、2021(1165 mm)和2019年(697 mm)分别作为丰水年、平水年和枯水年的代表年份，各年入湖总水量、出湖平均水位、入湖总氮总磷年负荷如表 1所示. 采用径流系数法推算得到各入湖支流月流量作为入湖边界条件，出湖河流裕溪河闸上日均实测水位作为出湖边界条件. 基于湖区8个监测点实测值，通过插值法得到总氮、总磷初始浓度分布作为水质模块初始条件，各支流月均浓度作为边界条件. 以巢湖水文站实测日降雨量作为降雨输入；巢湖蒸发量年际差异较小[27]，采用巢湖闸上多年平均月蒸发量.
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表 1 不同典型年巢湖入湖水量、水位、总氮负荷及总磷负荷 Tab. 1 Inlet water volume, water level, total nitrogen load and total phosphorus load of Lake Chaohu in different typical years |
运用2016年实测日均水位对水动力模块进行率定，曼宁系数为25 m1/3/s，涡流粘性系数为0.25，预测值与实测值的R2为0.99；总氮、总磷的扩散系数取值为15~25 m2/s，降解系数为0.001~0.015 d-1[28-29]. 运用巢湖湖区8个监测点2016年总氮、总磷的月均浓度率定，总氮的扩散系数和降解系数分别为25 m2/s和0.00907200 d-1，总磷的扩散系数和降解系数分别为25 m2/s和0.00603072 d-1，率定后总氮、总磷模拟值与实测值的R2分别为0.64和0.65；运用2021年对应的实测数据对水动力水质模型进行验证，水动力模型预测值与实测值的R2为0.99，总氮、总磷模拟值与实测值的R2分别为0.65和0.61(图 2). 总氮、总磷确定性系数R2大于0.6，表明模型精度合理[31].
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图 2 模型验证实测值与模拟值对比 Fig.2 Model validation comparison of measured and simulated values |
“引江济巢”工程通过引长江清水改善巢湖湖区水环境，根据工程布局，方案一为通过凤凰颈排灌站提水，经西河、兆河进入巢湖后，从裕溪河注入长江；方案二为通过枞阳闸枢纽，途经菜子湖、孔城河及白石天河进入巢湖后，经由派河出流. 两种调水方案在各典型年对湖区水动力水质的影响仍需深入讨论. 不同典型年的进一步调水路线尚需根据湖区水质状况及实际需要进行论证[8, 12](图 1).
2017年7月16日-8月7日，安徽省为改善巢湖水质，以兆河为入口调水入巢，总计调水2.69亿m3(图 3)，入湖的总氮浓度为1.44 mg/L，总磷浓度为0.059 mg/L[6]. 由于目前关于调水对湖区水体改善的影响程度尚不清楚. 本研究基于此次调水，以日均实际调水量和入湖水质设定调水情景的水动力水质边界条件，模拟白石天河、兆河两条调水路线在不同典型年——丰水年(2016年)、平水年(2021年)和枯水年(2019年)对巢湖水质的影响. 结合实际调水工程布局，白石天河入水时设定关闭巢湖闸，出水口由裕溪河变为派河；兆河入水时，出水口仍为裕溪河.
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图 3 “引江济巢”调水流量过程 Fig.3 Flow process of water diversion from Yangtze River to Lake Chaohu |
各典型年不同季节流场模拟结果如图 4所示. 入湖水流由西湖区经中湖心流向东湖区，由于派河、十五里河、南淝河入湖流量相对较小，西湖区流速整体低于中湖心和东湖区. 7条河流入湖后均从裕溪河出流，裕溪河口出口区域流速显著高于湖区其他部分，尤其在流量较大的丰水年更为明显.
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图 4 不同典型年巢湖季节流场分布 Fig.4 Distribution of seasonal flow field in Lake Chaohu in different typical years |
年际变化上，受入湖流量影响，不同典型年春季流场差异较小，西湖区流速普遍低于0.4 cm/s，中湖心流速在0.6 cm/s左右，东湖区流速在裕溪河出口流域速度较快，在1.2 cm/s以上. 其余季节内，丰水年流速最大，枯水年流速最小. 年内变化上，丰水年、平水年不同季节间流场变化较大. 由于夏、秋季入湖流量大且风速较高，丰水年夏秋季流场强于春、冬季，且主要体现在中湖心和东湖区，西湖区流场变化相对较小. 在丰水年与平水年的夏秋季，西湖区与中湖心连接处的姥山岛附近流速较快，在1.2 cm/s以上，西湖区流速在0.5~0.7 cm/s左右，部分河口位置可超过1.2 cm/s，春冬季则基本在0.4 cm/s以下. 枯水年不同季节间，尤其是夏秋冬季流场变化相对较小. 巢湖西湖区流场的年际、年内变化较小，流速整体较小普遍在0.3 cm/s以下，在部分流量较大的杭埠河口附近以及裕溪河口出口区域流速相对较高在0.8 cm/s以上.
2.2 不同典型年巢湖水质分布特征与湖区8个监测点实测总氮总磷对比，模拟值与实测值一致，总氮的平均误差率为11 %，总磷的平均误差率为13 %. 各典型年巢湖的总氮、总磷分布均呈现明显的空间分异性，西湖区的总氮、总磷浓度显著高于东湖区(图 5，图 6). 各典型年西湖区总氮浓度总体大于1.5 mg/L，总磷浓度总体大于0.1 mg/L，属于Ⅴ类水或劣Ⅴ类水；中湖心总氮浓度在1.0~1.5 mg/L左右，总磷浓度在0.1 mg/L左右，属于Ⅳ类水或Ⅴ类水；东湖区总氮浓度在1.0 mg/L左右，总磷浓度在0.07 mg/L左右，属于Ⅲ类水或Ⅳ类水. 由于平水年夏秋季降水量较大，且湖泊水位较高蓄水量较大，湖泊氮磷稀释作用较强，因此西湖区总氮浓度在1.2~1.5 mg/L左右. 由于西湖区入湖支流较多且入湖支流沿岸聚集着城市生活区、工业生产区和农业耕作区，氮磷入湖负荷高[32]. 同时，裕溪河上巢湖闸的修建导致巢湖水体环境相对封闭，更新周期延长. 西湖区流速滞缓(图 4)，水动力条件不利于氮磷入湖后的扩散. 尤其是污染较重的南淝河，其入湖口附近区域为污染聚集区，各典型年浓度基本大于3.5 mg/L. 而东湖区入湖支流较少，接纳的外源污染物输入较少，且东湖区水动力条件相对较强，加之污染物可经由巢湖闸排出，污染物浓度较西湖区显著偏低[32]. 年际变化上，丰水年与平水年由于入湖负荷较大，湖泊氮磷浓度整体高于枯水年. 由于平水年降雨量较大，湖泊氮磷产生稀释作用，且枯水年西湖区入湖支流夏、冬季污染物负荷相较于平水年更高，因此枯水年西湖区在夏、冬季的总氮浓度高于平水年. 由于夏、秋季丰水年中湖心的水动力条件较强(图 4)，利于总氮、总磷扩散，因此丰水年中湖心，在夏、秋季的总氮、总磷浓度明显高于平水年与枯水年. 年内变化上，受入湖负荷差异影响，总氮浓度表现为春冬季高于夏秋季，总磷浓度表现为春冬季低于夏秋季. 枯水年春季总磷浓度较高是由于污染物负荷最高的南淝河春季流量较大. 枯水年秋季杭埠河污染物浓度异常升高，因此增加了西湖区入湖负荷.
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图 5 不同典型年巢湖不同季节总氮分布 Fig.5 Distribution of total nitrogen in different seasons of Lake Chaohu in different typical years |
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图 6 不同典型年巢湖不同季节总磷分布 Fig.6 Distribution of total phosphorus in different seasons of Lake Chaohu in different typical years |
“引江济巢”不同调水路线下巢湖的流场模拟结果如图 7所示. 结果表明，自兆河调水提高了巢湖中湖心、东湖区和裕溪河的流速，丰水年、平水年、枯水年的中湖心流速分别提高了8 %、5 %、23 %，东湖区流速分别提高了14 %、13 %、20 %. 由于枯水年水动力条件较差，因此兆河调水对枯水年中湖心、东湖区的水动力改善效果最好. 由于西湖区入湖流量的减小，因此兆河调水对西湖区的流场影响表现出水动力条件丰水年最弱，枯水年最强的情况. 污染物自中湖心向东湖区、裕溪河的水动力条件增强. 自白石天河调水由于出水由裕溪河变为派河，巢湖流场发生改变，由中湖心流向西湖区. 巢湖闸的关闭降低了中湖心和东湖区流速，派河出水提高了西湖区的流速，丰水年、平水年、枯水年的西湖区流速分别提高了136 %、38 %、34 %. 由于枯水年的水动力条件更弱，因此白石天河调水对西湖区的水动力条件影响最为明显. 不同典型年间，调水期间均表现出丰水年水动力条件最强，枯水年水动力条件最弱的特征.
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图 7 不同典型年调水期间巢湖流场分布 Fig.7 Distribution of flow field in Lake Chaohu during water transfer in different typical years |
图 8所示为西湖区、中湖心、东湖区在不同典型年、不同调水路线条件下总氮和总磷时空分布的模拟结果，不同湖区所选代表点如图 1所示. 可以看出，白石天河入流相较兆河入流对巢湖水质的改善作用更明显. 至调水结束，相较兆河入流丰水年经白石天河入流总氮和总磷在各典型站位降低，分别为西湖区29 %、53 %；中湖心26 %、9 %；东湖区45 %、13 %；而对于东湖区，兆河入流对水质的改善效果优于白石天河. 自白石天河入流在丰水年对水质的改善作用高于平水年和枯水年. 在平水年，相较兆河入流经白石天河入流总氮、总磷在西湖区分别降低31 %、20 %；而对于东湖区相较兆河入流经白石天河入流对流场的改变，使得西湖区浓度较高的湖水对东湖区的影响更小，因此白石天河入流对东湖区水质改善效果优于兆河入流. 两条调水路线在枯水年对总磷的影响差异较小，这是由于丰水年和平水年巢湖水体总氮、总磷浓度高于枯水年，水质较好的长江水入湖后对湖水的稀释作用明显，以及枯水年水动力条件较差，西湖区污染物浓度较高的湖水向东湖区推流作用相较丰水年、枯水年不明显. 同时，白石天河入流对应派河出流，此调水路线加强了西湖区水动力条件(图 7)，加快了氮磷在西湖区的扩散，更有利于改善西湖区水质. 基于模拟结果，本研究建议考虑白石天河入流调水路线.
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图 8 不同典型年下不同调水路线对巢湖水质的影响 Fig.8 Impacts of different water transfer routes on water quality of Lake Chaohu in different typical years |
本研究模拟了巢湖丰水年、平水年、枯水年流场和总氮、总磷的分布特征，以及不同调水路线在不同典型年条件下对湖区水质的改善作用. 模拟结果与巢湖实测数据拟合较好. 模拟结果表明，巢湖流场和水质分布有明显的空间差异性，西湖区入湖负荷大、流速小，污染物易于聚集，东湖区入湖负荷小、水动力扩散条件较好，水质优于西湖区. 相较于枯水年，丰水年与平水年氮磷负荷较高，巢湖水质较差，因此“引江济巢”工程在丰水年和平水年对巢湖水质的改善作用显著. 相较兆河入流，白石天河入流对应派河出流，改变了西湖区流场，加大了西湖区流速，强化了长江水入湖后对巢湖西湖区的稀释作用，同时由于西湖区流场的改变，西湖区浓度较高的湖水对东湖区的影响减小，因此白石天河入流对巢湖水质的改善作用更明显. 本研究针对不同典型年，探究了不同调水路线对巢湖水动力条件的影响以及对水质的改善作用，结果可为调水工程方案的评估与优化和巢湖水环境治理提供建议.
致谢: 感谢青悦数据(data.epmap.org)提供的环境数据处理支持.
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