引江济太对太湖水龄影响的模拟研究外文翻译资料

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引江济太对太湖水龄影响的模拟研究

摘要

为了改善中国第三大淡水湖太湖的水质，减轻富营养化的状况，2002年启动了引江济太调水工程，从长江引水至太湖以稀释其污染物浓度。我们使用了三维数值模型（EFDC模型），采用水龄的概念，研究水的调度对湖中可分解物质传递过程的影响。特别是支流和风场对水龄的影响。模型结果显示，由风和支流引起的水动力条件的变化极大地影响了水量传输对湖体水流过程的作用。在模拟期间（2005年），太湖的水龄时空变化大，夏季水龄均值约130天，而在其他季节约230天。东南风作为夏季的主导风，能够通过降低水龄来改善太湖东部水域（主要饮用水源地）和重污染区梅梁湾的水质。最有效的引水流量约为100 m3/s。水龄的空间分布显示，水的传输可能会优先提高湖泊的一些水域的水体交换，直到水体中的营养物浓度降至合理水平。本研究为理解湖中复杂的水动力和物质传输过程提供借鉴，这对于区域发展和实施有效的生态恢复策略十分重要。

1.介绍

太湖是中国第三大淡水湖，水面面积约2338平方公里，是典型的水体重度富营养化的地区。由于大量的污染物流入湖中，特别是流入北部的湖中，使得太湖中藻类生长的状况每年都在恶化。这种恶化的情况会影响到饮用水的供应。从1990年开始为了恢复太湖的生态，政府和学者们做了很多努力。政府关闭了大量的重污染企业，建设更多的污水处理厂，禁止使用含磷洗涤剂。学者们研究种植水生植物、底泥疏浚、湿地建设和增加营养盐循环等措施来改善水质。然而，湖泊的水质并没有显著地改善。

在此基础上，至2002年以来实施了一项改善太湖生态系统的重要工程，即引江济太工程，尝试稀释被污染的水并将污染物排出太湖。通过望虞河引长江清水入太湖，并最终由太浦河流出太湖。Wu和Jia等人通过比较部分湖湾如贡湖、梅梁湾的短期监测资料，证明了调水可以改善水质。然而，Hu等人认为水的转移只会降低浮游植物的浓度，并可能增加一些湖区的磷和氮的浓度，而这些水域的营养物浓度低于入流浓度值。这一分歧可能源自于缺乏反映水体质量交换和运输过程的有效时间尺度指标。

许多研究表明，湖泊、河口的营养物与浮游植物生长的变化与汇入的支流流量有关。由于来自支流的任何可溶性物质需要一定量的时间被输送到湖泊中的特定位置，因此选择适合的能够代表物质交换和输运过程的尺度参数很重要。水龄被认为是控制湖泊和水库污染物输移和营养盐收支的有效参数。与水体保持时间等固定的时间尺度不同，水龄可以描述湖泊和水库中水或物质交换的空间和时间的不均匀性。然而，以往对这一技术的应用只集中在由于潮汐和风引起的强烈的水体交换的河流、河口和海洋，在流动很缓慢的大型浅水湖泊如太湖等应用较少。

在本研究中，我们运用一个三维环境流体动力学模型（EFDC），用水龄为研究对象，研究水的调度对湖中可溶物质传递过程的影响。我们研究了引江济太对太湖水龄时空变化的影响，并通过一系列数值模型模拟支流和风对太湖水龄的影响。

2.研究区域

太湖流域位于长江下游三角洲，有一个复杂的河网系统，其河网密度为3.24公里/平方公里。有172条支流连接到太湖。为了方便起见，我们将支流分组到30条河流，包括所有天然或人工的主要河道，编号为1-30。以北边的直湖港及南边的鼓楼港河为边界，太湖流域可分为上游和下游区域。类似地可以将太湖分为8个区域：竺山湾，梅梁湾，贡湖湾，西北湖区，西南湖区，中心湖区，东部沿岸区和东太湖。

调水过程是从长江引水至望虞河，再到贡湖湾，最后向东南经太铺河流出。自2002年以来，在夏季和初秋期间，会定期进行引调水工作。有时调度会早一些，在一月开始（例如2008年）；而其他时候调度一般会在夏季末（例如2003年）。从2003年至2008年的每一年，调水时间由22天至130天不等。每年经望虞河直接进入太湖的平均输水量约为8亿立方米。望虞河的平均出流量约为20~240 m3/s。

太湖夏季的主导风向为东南风，平均风速为3.5~5m/s。考虑到风的吹尘致使传输可溶物质的波浪和湖流的发展，风场对太湖水动力过程的影响是相当强烈的。

3.方法

3.1模型描述

本研究中采用三维水动力学EFDC模型，模拟水位、流量、示踪剂浓度和水龄。EFDC模型的详细信息由哈姆里克记录。该模型已被广泛应用和记录，用于模拟许多湖泊、河流和河口的环流、热分层、泥沙输送、水质和富营养化。

水龄被定义为“所考虑的粒子离开其年龄被规定为零的区域之后经过的时间”。在连接河流的入流入口处，水龄为零，而在水平或垂直区域的某一特定位置的水龄表示溶解物质从源头运输至特定的位置所“经过的时间”。使用给定初始条件和边界条件的EFDC模型，可以根据示踪剂和年龄浓度计算出水龄。

3.2模型建立

采用矩形网格建立太湖模型，在水平平面上有4465个网格，网格尺寸均为750 m。采用均匀分布的三层垂直sigma;坐标可以更好地模拟湖底地形。湖床和水面高程可以用来确定网格的垂直厚度。每个网格中典型的初始平均水深从沿湖地区的0.5m到中央湖区的2.5m不等。水深的平均最大坡度小于0.33，满足静水条件而且避免了sigma;变换中压力梯度的误差。

该模型由大气动力、地面风应力和支流流入/流出驱动。太湖是一个典型的风生流浅水湖泊并且没有分层. 因此，由于温度对计算结果的影响不大，所以将其视为常数。流入/流出支流包括30条主要河流。日降水量数据由太湖周边8个监测站资料平均而得。逐日风场数据来自中国科学院太湖生态系统研究站的气象测站监测资料。初始条件设定为表面高程、流速和水龄。初始表面高程被设定为模拟周期第一天的平均值，并假定湖面是平的。单位浓度为1(任意单位)的示踪剂在所有入流的入口处不断释放。

4.模型率定

Mellor和Yamada湍流模型的相关参数值设置与其他流体力学模型，如普林斯顿海洋模型和河口、海岸和海洋模型相同。同样地，将Smagorinsky公式中的无量纲粘性参数设置为常数0.2。并采用100秒的时间步长，使模型快速、稳定地运行。底面粗糙度高度(Z 0)设为水位校核的典型值0.02m。相关性分析结果表明，粗糙度的变化对如水位和流速等的模型结果的影响很小。水面高程和流速的相对均方根误差小于1%。

2005年4个监测站模拟和观测的水位值表明，大浦口站的平均误差、平均绝对误差和平均绝对相对误差分别为0.001m、0.09m和2.9%；夹浦站的平均误差、平均绝对误差和平均绝对相对误差分别为0.079m，0.11m和3.46%；小梅口站的平均误差、平均绝对误差和平均绝对相对误差分别为0.073m，0.11m和3.49%；西山站的平均误差、平均绝对误差和平均绝对相对误差分别为0.023m，0.06m和1.86%。这些数据表明，模型能够很好的模拟由于风、降水和引水流量的变化引起的水位波动。基于2001年3月12-14日和8月15-19日全湖湖流观测数据的水位率定结果表明，尽管在一些监测站模型的结果与观测结果不一致，但总体趋势与实测结果吻合较好。该模型很好地重现了湖泊风生环流的主要特征。此外，相关性分析的结果还解释了支流对湖泊剖面流速的影响较小，而风对流场的影响较大。

5. 太湖模型在调水中的应用

基于率定过的模型采用适宜时间尺度的水龄研究太湖中水的迁移对物质输移和交换过程的影响。对通过望虞河输水入太湖的营养物质进行了一系列数值试验。由于输移过程高度依赖于望虞河的引水流量和风诱发的湖泊环流，因此在设置各种场景时考虑了典型的流量、风速和风向。案例1使用了2005年望虞河的观测流量和风的资料。案例2也使用了2005年的数据，但假定没有风，因此可以分离出支流的影响。案例3-6在不考虑其他支流流量的情况下，研究了望虞河变流量对理想条件下水龄分布的影响。根据2005的观测值，50、100、150和200m³/s的流速分别代表了来自望虞河的低、中、高和最高流量。案例7-14是为了评估风向变化的影响而制定的。案例8和15以夏季最典型的东南风向为代表，模拟估算了风速对水龄的影响。对于所有情况，模型配置和参数，除表2所示的驱动因素外，与案例1保持相同。每个模型运行365天，时间步长为100S。

5.1太湖水龄的特征

由不同风场和流量的变化引起的时空变化的水龄为了解太湖水体交换和溶解物质的运移提供了有用的信息。根据2005年各支流的风向和流量，模拟了历年的水龄分布。湖心区A点和贡湖湾B点的两个时间序列的垂向平均的水龄表明水龄随着时间和位置的变化而变化。两个测点的水龄随着时间的推移而增加（儒略日第170天到A点位，儒略日第140天到达B点位），这表明由支流汇入的水在那之前没有到达其中任何一个站点。在此之后，水龄在75至202天之间变化，在A站点平均为132天，在B站点为161天。一般说来，在儒略日日第170到270天之间，水龄的波动相对较大。随时间的推移，两个测站的水龄均达到约100天，且A站的变化大于B站。

根据时间序列，A站和B站的水龄在第365天(模拟的最后一天)达到最大值，在第219天(发生输水的时间)达到最小值。因此，这两天被选为2005年在湖中溶解物质缓慢和快速运输的时间尺度的典型。在空间上，在支流入口处发现最小的水龄。在朝向湖面开阔的地方，水龄急剧增加。例如，儒略日第219天垂向平均的水龄的空间分布在0.8至168天之间，平均为100天。儒略日第365日，范围从0.4天到254天，平均为200天。在儒略日第219天，太湖水龄最小的地区(最多50天)位于沿岸水域，清水从邻近的河流如竺山湾和贡湖湾输入湖中。水龄较高的湖区为梅梁湾及湖心区的部分水域(100天)、西南和东部沿岸区(150天)。然而，儒略日第365天与第219天的水龄空间分布有显著差异。水龄从北部地区(例如竺山湾，梅梁湾，贡湖湾)的不到150天开始增加，在南部达到200多天。一般来说，太湖的水龄表现出高度的时空异质性，这取决于太湖风和支流以及从北至南、从西向东的水流路径起的水动力条件。

例2的结果表明，无论在夏季还是冬季，西北水域、竺山湾、梅梁湾和贡湖湾的水龄都较小。这些水域与主要的入流河道相连并且水龄从入口处到湖心区急剧增加。在湖心区、东部沿岸区和东太湖(离入河较远的地区)水龄较大。这表明，支流汇入对水龄分布有很大的影响，特别是在支流进入湖泊的水域。

5.2 水流输移对水龄分布的影响

为评价经望虞河从长江向太湖调水的影响，采用望虞河的四种不同流量进行了模拟：50，100，150，和200m³ /s。在儒略日第365天，湖中垂向平均的水龄小于300天所占的比重分别为26%，53%，71%和78%，望虞河的相应流量分别为50、100、150和200 m³/s。正如预期的那样，这表明流量的增加有利于水体交换。然而，在不同的情况下，交换的比例有很大不同。图6A–D表明，当望虞河入流以50 m³/s的增幅从50 m³/s增加到200 m³/s时，水龄小于365天的水域增量分别为27%、18%和7%。望虞河流量为100 m³/s时变化最大，流量为200 m³/s时变化最小。特别的，7个主要饮用水源地(图1)的水龄总减少数分别为155.2天(50-100 m3/s)、50.8天(100-150 m3/s)和21.5天(150-200 m3/s)。这表明，对于整个湖泊和饮用水源的最有效的饮水量为100 m³/s。湖中水龄较小的水域由贡湖湾及附近地区(lt;30天)向整个湖心区(300天)扩散。然而，梅梁湾、竺山湾和西南水域的水龄保持不变，最大值为365天。

5.3风对水龄分布的影响

由于湖流是影响湖泊水龄的重要控制因素之一，因此有必要评估风对水龄的影响。我们模拟了8种不同风向，恒定幅值为5m/s(表2中为7-14例)。梅梁湾C站点和湖心区B站点(图1)分别被选为半封闭和开放湖域的代表。结果表明，B站点(图7A)的水龄在西北风作用下达到的最大值为335天，在东风时为305天，而在西南风和东北风作用下的最小水龄分别为207天和254天。相反，C站点的水龄最大时为东北风(305天)和西南风(300天)，而水龄最小时为西北风(169天)和东南风 (174天)。在特定地点，风向引起的水龄差异超过100天。在指定风向时，水龄的空间变化超过150天。因此，风向对水龄的时空分布起着重要的作用。

太湖东边分布有7个主要的水厂从个太湖取水（图1），所以我们对评估风对该区域的水量交换的影响很感兴趣。结果表明，西北风和东南风可促进梅梁湾的水交换。湖的北部地区(梅梁湾，竺山湾和北部的中心区)水龄较小(在东南风中，图8A)，而在西北、西南湖区和东太湖等地的水龄较大(为365天)。当风向为西北风(图8b)时，东南湖区的水龄(小于220天)低于西南湖区(达365天)。水龄较低的水域位于七座水厂的取水口附近，这表明在西北风作用下调水对改善太湖东部的饮用水源地水质的效果最好，其次是东南风。

为研究风速大小的影响，我们模拟了夏季太湖定常风东南风向下风速分

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