楊中華，朱政濤，2，槐文信，白鳳朋

（1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；2.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

1 研究背景

鄱陽(yáng)湖是中國(guó)最大的淡水湖，湖區(qū)面積達(dá)3150 km2，位于長(zhǎng)江中下游南岸，湖區(qū)主要承納“五河”來(lái)流（贛江、撫河、信江、饒河、修河），來(lái)流經(jīng)鄱陽(yáng)湖主湖區(qū)調(diào)蓄后由北部狹長(zhǎng)入江水道匯入長(zhǎng)江。近十年來(lái)，鄱陽(yáng)湖已經(jīng)連續(xù)多年出現(xiàn)了枯水期水位降低、枯水天數(shù)增加，低水位時(shí)間提前等不利情況，這些現(xiàn)象都影響到湖區(qū)原有的水文節(jié)律。近年來(lái)，針對(duì)鄱陽(yáng)湖的水文情勢(shì)演變規(guī)律及成因分析開(kāi)展了大量的研究，長(zhǎng)江上游大型水利工程的修建、湖區(qū)上游來(lái)水來(lái)沙條件變化以及采砂等因素被視為導(dǎo)致鄱陽(yáng)湖水文情勢(shì)變化的主要因素［1-3］。為了確保鄱陽(yáng)湖能維持“一湖清水”，江西省政府提出興建鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程的方案，以此實(shí)現(xiàn)湖區(qū)生態(tài)與周邊社會(huì)經(jīng)濟(jì)的和諧發(fā)展。擬建的鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程是Ⅰ等大（1）型水利工程，由開(kāi)放式全閘結(jié)構(gòu)組成，位于湖區(qū)北部的狹長(zhǎng)入江水道（29°32′N(xiāo)，116°07′E），工程距上游星子縣城約12 km，至鄱陽(yáng)湖入江口約27 km。樞紐工程建設(shè)的基本理念是：建閘不建壩，調(diào)枯不調(diào)洪，攔水不發(fā)電，江湖兩利，動(dòng)態(tài)調(diào)控。每年汛期（4—8月）樞紐工程閘門(mén)全部保持打開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)江湖連通；枯水期（9月—次年3月）堅(jiān)持生態(tài)保護(hù)與綜合利用相結(jié)合的原則，根據(jù)當(dāng)年實(shí)際水情對(duì)湖區(qū)水位進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，保證枯季鄱陽(yáng)湖湖區(qū)能維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水位。江西省鄱陽(yáng)湖水利樞紐建設(shè)辦公室在2013年6月初步擬定了鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程規(guī)劃調(diào)度方案［4］。

鄱陽(yáng)湖水利樞紐興建后，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致湖區(qū)水流條件的變化［5］，進(jìn)而影響到湖泊生態(tài)系統(tǒng)，所以探討擬建鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程對(duì)湖區(qū)水文水動(dòng)力的影響是十分必要的［6-13］。通過(guò)對(duì)水文水動(dòng)力的研究，可以進(jìn)一步分析樞紐工程對(duì)鄱陽(yáng)湖湖區(qū)水環(huán)境質(zhì)量可能產(chǎn)生的影響。胡春宏等［6］對(duì)樞紐工程對(duì)水資源、防洪、湖區(qū)水環(huán)境、魚(yú)類影響、工程閘門(mén)型式、水位調(diào)度方案等方面的影響進(jìn)行了初步研究，明確了興建樞紐工程需考慮的各方面內(nèi)容；賴格英等［7-8］采用EFDC模型建立了鄱陽(yáng)湖湖區(qū)二維模型，對(duì)工程前后的水位流場(chǎng)和湖區(qū)換水周期進(jìn)行研究；胡春華等［9］采用EFDC模型模擬了樞紐工程運(yùn)行前后湖區(qū)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的變化特征；杜彥良等［12］模擬預(yù)測(cè)了在現(xiàn)狀外部邊界和現(xiàn)狀污染負(fù)荷條件下，3種不同運(yùn)行方式下鄱陽(yáng)湖湖流的時(shí)空形態(tài)相應(yīng)發(fā)生的變化和相應(yīng)水質(zhì)變化；洪峰等［10］對(duì)工程可能對(duì)浮游生物、底棲生物、水生植物、魚(yú)類及珍稀生物的影響進(jìn)行了分析和探討，認(rèn)為枯水期湖區(qū)蓄水有利于魚(yú)類資源可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)；齊述華等［11］從鄱陽(yáng)湖形態(tài)的歷史演變和鄱陽(yáng)湖越冬候鳥(niǎo)生境保護(hù)的角度，探討鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程的水位調(diào)度方案，提出枯季工程調(diào)控水位不宜超過(guò)12 m；李云良，姚靜等運(yùn)用采用MIKE21軟件，定量研究了鄱陽(yáng)湖天然狀態(tài)下不同季節(jié)湖區(qū)換水周期和示蹤劑傳輸時(shí)間的空間分布。由于鄱陽(yáng)湖樞紐工程尚在論證階段，規(guī)劃調(diào)度方案尚未確定，所以分析不同規(guī)劃調(diào)度方案對(duì)湖泊水文水動(dòng)力的影響是有意義的，本文利用淺水方程和對(duì)流輸運(yùn)方程構(gòu)建鄱陽(yáng)湖二維水流水質(zhì)耦合模型，在鄱陽(yáng)湖水利樞紐建設(shè)辦公室提出的工程規(guī)劃調(diào)度方案基礎(chǔ)上，分析了樞紐工程對(duì)典型豐枯水年全年水流特征的影響，并從定量上研究了樞紐工程興建后湖區(qū)水力滯留時(shí)間和示蹤劑傳輸時(shí)間的變化，揭示湖區(qū)污染物隨水流變化的遷移規(guī)律，為今后鄱陽(yáng)湖湖區(qū)水質(zhì)、水環(huán)境規(guī)劃和水生態(tài)管理維護(hù)提供一定的科學(xué)參考。

2 模型基本原理

2.1 二維水流水質(zhì)控制方程二維水流水質(zhì)控制方程分別由淺水方程和對(duì)流輸運(yùn)方程組成，其守恒型格式為：

式中：η表示水位；h表示水深；u，v表示x，y方向流速；分別表示x，y方向的單寬流量；代表單位體積某組分污染物的量，C表示某污染物的濃度，是一個(gè)標(biāo)量；D表示某組分污染物不同方向的擴(kuò)散系數(shù)，在各項(xiàng)同性介質(zhì)中Dxx=Dyy=Dxy=Dyx=D；QL表示旁側(cè)入流；Szb為底坡項(xiàng)；Sfric為河床摩擦阻力；n為曼寧系數(shù)。

2.2 數(shù)值求解方法對(duì)于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（見(jiàn)圖1），將式（1）轉(zhuǎn)化成在單元網(wǎng)格中的積分形式，利用高斯定理，可以得到有限體積法（FVM）的基本方程：

圖1 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格控制單元

對(duì)控制單元取平均后，可以得到有限體積法的半離散方程為：

式中：對(duì)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，以三角網(wǎng)格為例，i表示單元編號(hào)；k表示邊界在某一單元中的編號(hào)；L表示對(duì)應(yīng)邊的長(zhǎng)度；表示第i個(gè)單元的第k個(gè)邊界的法向數(shù)值通量；Si表示第i個(gè)網(wǎng)格的源項(xiàng)。

式中：Tn及分別表示對(duì)應(yīng)邊界的旋轉(zhuǎn)矩陣及其對(duì)應(yīng)的逆矩陣；為守恒量U投影到外法向得到的矢量，其分量分別沿著邊界的法向和切向；Δt表示計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)。

將式（3）中的守恒量U的時(shí)間導(dǎo)數(shù)采用向前差分，最終得到經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換后水流方程和對(duì)流擴(kuò)散方程的微分守恒形式：

本文使用集成污染物對(duì)流項(xiàng)的HLLC近似黎曼算子耦合求解水流方程及水質(zhì)方程的對(duì)流通量，黎曼解的形式如下：

式中UL和UR分別表示單元邊界左側(cè)及右側(cè)的黎曼守恒量。

3 水動(dòng)力模型參數(shù)率定

3.1 計(jì)算范圍及網(wǎng)格布置綜合考慮河勢(shì)、工程研究?jī)?nèi)容以及水文資料等方面因素，平面二維鄱陽(yáng)湖水流水質(zhì)耦合模型計(jì)算范圍為整個(gè)鄱陽(yáng)湖湖區(qū)，模型進(jìn)口邊界是上游五河來(lái)流，出口邊界是湖口水位。模型共11個(gè)進(jìn)口，分別是修河，對(duì)應(yīng)水文站為虬津站和萬(wàn)家埠站；贛江（贛江主支、贛江北支、贛江中支、贛江南支），對(duì)應(yīng)水文站為外洲站；撫河（撫河北支、撫河南支），對(duì)應(yīng)水文站為李家渡站；信江（信江西支、信江東支），對(duì)應(yīng)水文站為梅港站；饒河（樂(lè)安河、昌江），對(duì)應(yīng)水文站為虎山站和渡峰坑站。

本文二維計(jì)算網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格，其主要優(yōu)點(diǎn)在于能夠很好的模擬自然邊界和水下地形，同時(shí)便于控制網(wǎng)格密度，易作修改和適應(yīng)性調(diào)整。鄱陽(yáng)湖湖區(qū)地形采用2010年實(shí)測(cè)地形資料，湖區(qū)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為9272，單元總數(shù)為17 017，單元邊長(zhǎng)從100 m到1500 m不等。湖區(qū)地形及網(wǎng)格布置參見(jiàn)圖2。

3.2 邊界條件采用1998年全年實(shí)測(cè)水流過(guò)程資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，能夠完整模擬鄱陽(yáng)湖在高、低水位下的水流特征。模型進(jìn)口邊界主要根據(jù)“五河”來(lái)流量的時(shí)間序列給出，其中贛江分4條支流入湖，由于贛江下游四支流水資源分配年內(nèi)變化極大，本文選擇贛江多年平均流量下四支流分流比為代表性分流比，主支流量占比50%，其余3條支流占比50%；撫河分南北兩支入湖，北支流量占比60%，南支占比40%；信江分東西兩支入湖，流量占比均為50%。模型出口邊界則根據(jù)湖口水位的時(shí)間序列設(shè)定。

圖2 鄱陽(yáng)湖湖區(qū)地形及計(jì)算網(wǎng)格

3.3 水位驗(yàn)證圖3是星子、都昌、棠蔭、康山4個(gè)湖區(qū)水文站的年水位過(guò)程驗(yàn)證圖。

圖3 鄱陽(yáng)湖水動(dòng)力模型率定（時(shí)間自1988年1月1日起）

模型的參數(shù)率定時(shí)期選取1998年1月1日—1998年12月31日，該時(shí)段完整地包括了鄱陽(yáng)湖湖區(qū)的豐、枯水期，有利于同時(shí)反映建立的模型在豐、枯水期間的模擬效果，使得率定所得參數(shù)更加可靠。湖區(qū)網(wǎng)格初始水位均為20 m，流速為0，為了更好地反映1998年1月1日實(shí)際來(lái)流過(guò)程，模型有60 d的預(yù)熱過(guò)程，實(shí)際計(jì)算時(shí)間為1997年11月1日—1998年12月31日。采用分布式糙率方法根據(jù)湖底地形高程進(jìn)行糙率賦值，最終通過(guò)水位率定得到鄱陽(yáng)湖湖區(qū)糙率在0.016～0.022區(qū)間內(nèi)，各水文站水位誤差分析結(jié)果參見(jiàn)表1。

表1 模型驗(yàn)證誤差分析

4個(gè)湖區(qū)水文站驗(yàn)證點(diǎn)的水位平均誤差在-0.49～0.02 m之間，絕對(duì)誤差在-0.50～0.02 m之間，水深相對(duì)誤差在-2.6%～12.0%之間，水位RMS誤差在0.35～0.84之間，Nash-Sutcliffe效率系數(shù)在0.894～0.988之間，其中星子、都昌、棠蔭這3個(gè)驗(yàn)證水文站水位率定情況相對(duì)較好，其N(xiāo)ash-Sut?cliffe效率系數(shù)均在0.95以上，而康山站誤差相對(duì)較大。初步分析可能原因是康山站附近局部地形多變，現(xiàn)有模型網(wǎng)格的分辨率未能很好地反映康山站附近的實(shí)際地形變化情況，在地形插值后，原有的深窄主槽受周邊較高灘地的影響地形被抬高，枯季部分水流從灘地過(guò)流，水位降低，影響了模型的計(jì)算結(jié)果。

4 工程興建后湖區(qū)水動(dòng)力水質(zhì)模擬

根據(jù)鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程規(guī)劃調(diào)度方案，研究豐、枯水年樞紐工程對(duì)鄱陽(yáng)湖水位及流速的影響，對(duì)1983—2012年共計(jì)30年的“五河”來(lái)流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表2。2010年年均流量為5515.9 m3/s，在選取的30年中位居第2，僅次于1998年，2011年年均流量為2242.8 m3/s，位居第30。因此選取2010、2011年為典型豐、枯水年，將“五河”來(lái)流過(guò)程及湖口實(shí)測(cè)水位過(guò)程分別作為模型的進(jìn)、出口邊界條件，對(duì)樞紐處網(wǎng)格的邊界條件加以控制，當(dāng)樞紐工程處水位高于調(diào)度方案水位時(shí)，該處邊界設(shè)置為開(kāi)邊界，當(dāng)該處水位小于調(diào)度方案水位時(shí)，將該處邊界設(shè)置為固壁邊界，模擬鄱陽(yáng)湖湖區(qū)蓄水過(guò)程。模型的干濕判斷參數(shù)為0.01 m，模型在參數(shù)率定和模型模擬中均采用自適應(yīng)時(shí)間步長(zhǎng)以提高計(jì)算效率。

表2 1983—2012“五河”來(lái)流年均流量統(tǒng)計(jì) （單位：m3/s）

4.1 豐、枯水年湖區(qū)水文水動(dòng)力變化對(duì)水動(dòng)力的研究主要包括了水位、流速、水資源量3個(gè)方面。

4.1.1 水位變化 分別對(duì)這兩年水利樞紐工程修建前后全年365 d湖區(qū)水流進(jìn)行模擬，選取星子、都昌、棠蔭、康山4個(gè)水文站作為典型水文站，研究豐、枯水年樞紐工程修建后湖區(qū)水文水動(dòng)力條件變化。

鄱陽(yáng)湖湖區(qū)以松門(mén)山為界分為南北兩個(gè)區(qū)域，南部水域?yàn)橹骱^(qū)，湖面面積寬廣，北部水域則為狹長(zhǎng)的入江水道。圖4是各水文站在工程修建前后的水位對(duì)比，根據(jù)規(guī)劃調(diào)度方案，每年的3月底—8月底（90～243 d）是江湖連通期，可以看出在該時(shí)間段各水文站的水位都基本不變，體現(xiàn)了江湖連通的特點(diǎn)。豐水年汛后湖區(qū)水位仍然處于一個(gè)較大的值，在樞紐蓄水期和三峽水庫(kù)蓄水期間，湖區(qū)水位較高，江湖連通，故樞紐工程基本不影響湖區(qū)水位；而在補(bǔ)償調(diào)節(jié)期和低枯水期間，由于樞紐工程在該期間保持10～11 m的控制水深，星子站平均水位提升了約1.49 m，都昌站平均水位提升1.28 m，棠蔭站平均水位提升0.70 m，康山站平均水位提升0.07 m。枯水年汛后湖區(qū)水位較低，在樞紐蓄水期和三峽水庫(kù)蓄水期間，湖區(qū)水位低于樞紐工程節(jié)制水位，星子站平均水位提升約1.88 m，都昌站平均水位提升1.72 m，棠蔭站平均水位提升1.43 m，康山站平均水位提升0.65 m；而在補(bǔ)償調(diào)節(jié)期和低枯水期間，星子站平均水位提升約1.86 m，都昌站平均水位提升1.62 m，棠蔭站平均水位提升約0.96 m，康山站平均水位提升約0.09 m。水利樞紐工程的修建的確有利于改善湖區(qū)枯季低水位現(xiàn)狀，且對(duì)鄱陽(yáng)湖水位的影響滿足由北向南逐漸減小的規(guī)律，同時(shí)枯水年水利樞紐工程對(duì)湖泊水位抬升的變幅值和持續(xù)時(shí)間均高于豐水年。

圖4 鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程修建前后年水位變化（自1月1日起）

4.1.2 流速變化 為了直觀了解樞紐工程對(duì)湖區(qū)流速的影響，分別研究豐枯水年春分、夏至、秋分、冬至工程前后的湖區(qū)流速變化。豐水年夏至、秋分江湖連通，工程前后流速基本不變，所以這里給出春分、冬至工程前后流速變化圖，見(jiàn)圖5（a）（b），春分時(shí)樞紐工程上游湖區(qū)流速最大減小0.119 m/s，流速影響主要集中在樞紐至都昌站區(qū)間內(nèi)，流速減小0.01～0.1 m/s，再往南湖區(qū)流速基本保持不變，局部區(qū)域流速減小約0.01 m/s；冬至?xí)r樞紐工程上游流速以減小為主，局部區(qū)域流速增加，最大減小值和最大增加值分別為0.704 m/s和0.113 m/s，在湖區(qū)主槽區(qū)域，流速以減小為主，在都昌站和棠蔭站附近都有減小值大于0.2 m/s的區(qū)域，流速增加主要位于棠蔭站附近的灘地區(qū)域，且增加值一般在0.1 m/s以內(nèi)?？菟晗闹廖挥诮B通期，湖區(qū)流速基本不變，故只對(duì)春分、秋分、冬至?xí)r的湖區(qū)流速變幅進(jìn)行分析，見(jiàn)圖5（c）（d）（e），春分時(shí)樞紐工程上游湖區(qū)流速最大減小1.07 m/s，最大增加0.117 m/s，流速影響主要集中在樞紐工程至棠蔭站區(qū)間內(nèi)，河道主槽流速減小0.01～0.2 m/s，局部灘地區(qū)域流速有所增加，且增加值基本上在0.1 m/s以內(nèi)；秋分時(shí)，由于工程前湖口水流倒灌進(jìn)入湖區(qū)，所以工程前后流速變化較為復(fù)雜，其中北部入江水道基本均表現(xiàn)為流速增加，主槽流速增幅均在0.2 m/s以上，主湖區(qū)流速也以增加為主，灘地流速增幅基本上在0.1 m/s以內(nèi)，都昌站至康山站區(qū)間內(nèi)主槽流速有所減小，減小值在0.1～0.2 m/s以內(nèi)；冬至?xí)r工程上游湖區(qū)流速最大減小1.40 m/s，最大增加0.10 m/s，流速影響主要集中在樞紐工程至康山站區(qū)間內(nèi)，河道主槽流速減小值在0.01～0.2 m/s，局部灘地區(qū)域流速有所增加，且增加值基本上在0.1 m/s以內(nèi)。

豐枯水年湖區(qū)局部區(qū)域流速增加的主要原因可能是由于樞紐工程作用下，湖區(qū)水位抬升，原先枯季不過(guò)水的灘地區(qū)域又有水流經(jīng)過(guò)，相較于工程前流速增加。在豐水年，樞紐工程對(duì)流速的影響主要集中在枯水期，且湖區(qū)水位越低，樞紐工程對(duì)湖區(qū)流速的影越大；而在枯水年，除了江湖連通期，樞紐工程對(duì)鄱陽(yáng)湖湖區(qū)影響一直存在，且枯水年湖區(qū)流速變幅值和工程影響持續(xù)時(shí)間均遠(yuǎn)大于豐水年。

圖5 湖區(qū)流速變化等值線圖

4.1.3 水面面積、水量變化 圖6是工程前后鄱陽(yáng)湖湖區(qū)水面面積及水量變化圖，江湖連通期水面面積不變。在樞紐蓄水期和三峽水庫(kù)蓄水期間，豐水年湖區(qū)水位較高，不用發(fā)揮樞紐工程蓄水功能即可滿足湖區(qū)水位要求，江湖連通，工程前后水面面積不變；枯水年汛后湖區(qū)水位較低，在樞紐工程控制下，湖區(qū)水位升高，水面面積隨之增加，樞紐工程興建前水面面積均值為2236.3 km2，工程興建后水面面積均值為2791.4 km2，水面面積增加約24.8%。在補(bǔ)償調(diào)節(jié)期和低枯水期間，豐水年樞紐工程興建前水面面積均值為2143.3 km2，工程興建后水面面積均值為2470.8 km2，水面面積增加約15.3%；枯水年樞紐工程興建前水面面積均值為1930.4 km2，工程興建后水面面積均值為2371.3 km2，水面面積增加約22.8%。

圖6 湖區(qū)水面面積及水量變化（以0.01m為臨界水深）

與水面面積規(guī)律相同，江湖連通期水量同樣保持不變。在樞紐蓄水期和三峽水庫(kù)蓄水期間，豐水年工程前后湖區(qū)水量不變；枯水年汛后湖區(qū)水位較低，在樞紐工程控制下，湖區(qū)水位升高，湖區(qū)水量隨之增加，樞紐工程興建前水量均值為33.7億m3，工程興建后水量均值為56.9億m3，水量增加約68.8%。而在補(bǔ)償調(diào)節(jié)期和低枯水期間，豐水年樞紐工程興建前湖區(qū)水量均值為32.9億m3，工程興建后湖區(qū)水量均值為42.5億m3，湖區(qū)水量增加約29.2%；枯水年樞紐工程興建前水量均值為24.4億m3，工程興建后水量均值為37.6億m3，湖區(qū)水量增加約54.1%。

4.2 水力滯留時(shí)間模擬湖泊換水能力有諸多定義方式，如水齡、換水周期和水力滯留時(shí)間等［15］，本文采用水力滯留時(shí)間和示蹤劑傳輸時(shí)間從定量上研究鄱陽(yáng)湖的換水能力。

本文使用Takeoka在1984年提出的水力滯留時(shí)間τ的計(jì)算公式［16-17］，在介紹水力滯留時(shí)間之前，首先引入剩余函數(shù)概念，對(duì)于每一個(gè)單元，剩余函數(shù)可以表示為，其中表示單元濃度初值。水力滯留時(shí)間τ的計(jì)算公式如下：

在對(duì)湖庫(kù)類水體污染物輸移的模擬過(guò)程中，一般將其水體污染物的稀釋過(guò)程視為指數(shù)型分 布［18-19］：

模擬選用2010年和2011年五河水流和湖口實(shí)測(cè)水位作為上、下邊界條件，分別研究豐、枯水年鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程對(duì)湖區(qū)水力滯留時(shí)間的影響。利用所建立模型對(duì)湖區(qū)全部網(wǎng)格添加濃度為1 kg/m3的保守型示蹤劑，來(lái)流濃度值設(shè)為0，下邊界為自由出流邊界。模型以星子站為典型位置，示蹤劑添加時(shí)間分別設(shè)定為當(dāng)年的春分、夏至、秋分、冬至，將水動(dòng)力計(jì)算得到的各季節(jié)流場(chǎng)信息作為模型初始水流條件，研究4個(gè)季節(jié)下星子站在建閘前后的水力滯留時(shí)間變化。

圖7是豐、枯水年星子站在樞紐工程興建前后的各季節(jié)濃度變化曲線，樞紐工程興建后星子站濃度曲線大體上呈指數(shù)型式衰減，湖區(qū)物質(zhì)輸運(yùn)時(shí)間延長(zhǎng)。豐水年春分工程前后水力滯留時(shí)間基本相同，均為3 d，樞紐工程對(duì)濃度曲線稍有影響，且主要發(fā)生在3 d以后；夏至位于樞紐工程的江湖連通期，工程前后濃度曲線不變，豐水年上游來(lái)流很大，湖區(qū)整體流速較大，物質(zhì)輸運(yùn)較快，此時(shí)星子站水力滯留時(shí)間為2 d；秋分時(shí)，汛后水位較高，不用發(fā)揮樞紐工程蓄水功能即可滿足湖區(qū)水位要求，江湖連通，因此工程前后濃度曲線不變，加之汛后上游來(lái)流小，湖區(qū)整體流速較小，水力滯留時(shí)間為10 d；冬至?xí)r，在樞紐工程10～11 m節(jié)制水位作用下，水力滯留時(shí)間由2 d增加到3 d，并在5 d之后濃度曲線有較明顯變化。枯水年春分在樞紐工程作用下，星子站水力滯留時(shí)間由1 d增加至3 d；夏至位于樞紐工程的江湖連通期，工程前后濃度曲線不變，枯水年上游來(lái)流較小，湖區(qū)整體流速較小，因此物質(zhì)輸運(yùn)速度比豐水年同期慢，此時(shí)水力滯留時(shí)間為9 d；秋分情況較為特殊，由于枯水年秋分時(shí)湖區(qū)水位較低，工程修建前湖口水位低于長(zhǎng)江干流水位，江水倒灌進(jìn)入湖區(qū)，所以前8 d濃度曲線較緩而在8～10 d濃度驟降，在10 d以后濃度又有所增加，水力滯留時(shí)間而言，工程前后相差不多，均在8～9 d；枯水年冬至?xí)r湖區(qū)水位較低，湖區(qū)“河態(tài)”特征明顯，河道流速較快，樞紐工程蓄水后，水位抬高，湖區(qū)流速明顯減小，物質(zhì)輸運(yùn)速度減慢，因此工程后濃度曲線明顯比工程前緩，工程興建后水力滯留時(shí)間由1 d增加至9 d。賴格英等［8］發(fā)現(xiàn)水利樞紐工程對(duì)湖區(qū)換水周期作用明顯，豐、枯水年湖區(qū)換水周期分別增加1.9 d、3.2 d。本文已有研究成果表明樞紐工程對(duì)湖區(qū)水里滯留時(shí)間作用同樣明顯，且枯水年工程后水里滯留時(shí)間增幅值同樣高于豐水年數(shù)值。

總的來(lái)說(shuō)，樞紐工程的興建抬升了湖區(qū)水位，減小了南北水面比降，湖區(qū)流速降低，勢(shì)必會(huì)使得湖區(qū)的物質(zhì)輸運(yùn)減慢，因此水力滯留時(shí)間增加。以星子站為例，豐水年工程前后水力滯留時(shí)間變化較小，影響一般在1～2 d；枯水年工程前后水力滯留時(shí)間變化較大，影響一般在2～9 d。同時(shí)工程興建后枯水年水力滯留時(shí)間一般高于豐水年同期數(shù)值。

圖7 工程前后星子站濃度變化曲線

4.3 示蹤劑傳輸時(shí)間模擬示蹤劑傳輸時(shí)間一般定義是某一種保守示蹤劑從其投放位置至某一觀測(cè)位置出現(xiàn)濃度峰值所需要的時(shí)間。示蹤劑傳輸時(shí)間模擬同樣選用2010年和2011年五河水流和湖口實(shí)測(cè)水位作為上、下邊界條件。湖區(qū)全部網(wǎng)格初始濃度設(shè)為0，在主湖區(qū)東、西、南各選取代表性網(wǎng)格，添加濃度值為1 kg/m3的保守型示蹤劑，來(lái)流濃度值設(shè)為0，下邊界為自由出流邊界，取星子站作為觀測(cè)位置，示蹤劑投放時(shí)間分別設(shè)定為當(dāng)年的春分、夏至、秋分、冬至，將水動(dòng)力計(jì)算得到的各季節(jié)流場(chǎng)信息作為模型初始水流條件，研究不同投放位置四個(gè)季節(jié)建閘前后的示蹤劑傳輸時(shí)間變化。

圖8是示蹤劑代表性投放點(diǎn)位置，即P1、P2、P3，圖9是各投放點(diǎn)工程前后示蹤劑傳輸時(shí)間。模擬結(jié)果表明P1—P3的示蹤劑傳輸時(shí)間在季節(jié)變化上有較大差異。豐水年樞紐工程興建前，春季主湖區(qū)示蹤劑傳輸時(shí)間為3～6 d，夏季主湖區(qū)傳輸時(shí)間為2～27 d，秋季主湖區(qū)傳輸時(shí)間為11～22 d，冬季主湖區(qū)傳輸時(shí)間為4～6 d。春冬季節(jié)情況類似，二者均位于枯水期，湖區(qū)呈“河態(tài)”，湖面南北比降較大，水流流速較大，因此P1—P3傳輸時(shí)間較短；夏季位于豐水年汛期，上游“五河”來(lái)流很大，湖區(qū)整體流速較大，P1、P2傳輸時(shí)間較短，但是P3處示蹤劑運(yùn)動(dòng)路徑發(fā)生了變化，在水流的作用下部分示蹤劑在湖區(qū)東北角集聚，該區(qū)域原有水流流速較小，極大地影響了示蹤劑的輸移，因此相對(duì)于其他兩個(gè)投放點(diǎn)，P3的傳輸時(shí)間顯著增加；秋季處于汛后，湖區(qū)水位相對(duì)較高而上游來(lái)流相較于汛期又明顯減小，因此湖區(qū)整體水流流速較小，導(dǎo)致示蹤劑的對(duì)流輸運(yùn)過(guò)程也相對(duì)遲緩，示蹤劑到達(dá)星子站的傳輸時(shí)間較長(zhǎng)。就空間3個(gè)釋放點(diǎn)而言，P1投放點(diǎn)位于贛江主支入口，距離星子站較近，示蹤劑沿主河道的水流運(yùn)動(dòng)路徑較小，加之贛江來(lái)流一般較大，所以在3個(gè)投放點(diǎn)中P1的示蹤劑傳輸時(shí)間在各季節(jié)均是最小的。豐水年春分時(shí)湖區(qū)位于漲水期，水位略低于樞紐控制水位，因此工程對(duì)各點(diǎn)示蹤劑傳輸時(shí)間的影響基本在1d以內(nèi)；夏至位于江湖連通期，工程不發(fā)揮作用，各點(diǎn)示蹤劑傳輸時(shí)間均保持不變；秋分位于汛末，由于豐水年汛末湖區(qū)水位高于樞紐工程節(jié)制水位，江湖連通，各點(diǎn)示蹤劑傳輸時(shí)間均保持不變；冬至位于枯水期，水位較低，樞紐工程對(duì)水位的節(jié)制作用十分明顯，湖區(qū)南北水面比降減小，流速也相應(yīng)減小，因此各點(diǎn)示蹤劑傳輸時(shí)間均有所增加，增加值為1～9 d，且距星子站越遠(yuǎn)，增加值越大。

圖8 示蹤劑代表性投放點(diǎn)位置

圖9 各代表性投放點(diǎn)工程前后示蹤劑傳輸時(shí)間

枯水年樞紐工程興建前，春季主湖區(qū)示蹤劑傳輸時(shí)間為5～8 d，夏季主湖區(qū)示蹤劑傳輸時(shí)間為9～20 d，秋季主湖區(qū)示蹤劑傳輸時(shí)間為9～20 d，冬季主湖區(qū)示蹤劑傳輸時(shí)間為3～6 d，從整體上來(lái)看，枯水全年湖區(qū)示蹤劑傳輸時(shí)間略高于豐水年值。春冬季節(jié)湖區(qū)水位較低，平面上呈現(xiàn)“河態(tài)”，湖面南北比降較大，水流流速較大，因此P1—P3示蹤劑傳輸時(shí)間較短；夏秋時(shí)期，湖區(qū)水位相對(duì)較高而枯水年份上游來(lái)流較小，因此湖區(qū)流速較小，示蹤劑的對(duì)流輸運(yùn)過(guò)程也相對(duì)遲緩?？臻g不同釋放點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與豐水年基本保持一致。枯水年春分時(shí)湖區(qū)位于漲水期，水位略低于樞紐控制水位，因此工程對(duì)各點(diǎn)示蹤劑傳輸時(shí)間的影響基本在1 d以內(nèi)；夏至位于江湖連通期，工程不發(fā)揮作用，各點(diǎn)示蹤劑傳輸時(shí)間均保持不變；秋分位于汛末，由于枯水年汛末水位低于樞紐工程節(jié)制水位，工程對(duì)各點(diǎn)示蹤劑傳輸時(shí)間的影響基本為2～6 d；冬至位于枯水期，水位較低，樞紐工程對(duì)水位的節(jié)制作用十分明顯，湖區(qū)南北水面比降減小，流速也相應(yīng)減小，各點(diǎn)示蹤劑傳輸時(shí)間均有所增加，增加值為14～20 d?？傮w上看，枯水年份湖區(qū)各點(diǎn)示蹤劑傳輸時(shí)間略高于豐水年各點(diǎn)示蹤劑傳輸時(shí)間，同時(shí)枯水年工程后示蹤劑傳輸時(shí)間增幅值也高于豐水年工程后同期數(shù)值。李云良，姚靜等通過(guò)模型計(jì)算得出工程前湖區(qū)示蹤劑傳輸時(shí)間介于4～32 d，且夏秋的傳輸時(shí)間均高于春冬的傳輸時(shí)間。本文工程前示蹤劑傳輸時(shí)間在2～27 d，且同樣夏秋值高于春冬值，這也能說(shuō)明本文計(jì)算結(jié)果的可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

本論文的主要研究工作是基于Godunov有限體積法建立了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格條件下二維淺水水動(dòng)力水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型，選取典型豐、枯水年“五河”來(lái)流條件研究鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程對(duì)湖區(qū)水流的影響，研究?jī)?nèi)容包括了水動(dòng)力模型、水力滯留時(shí)間和示蹤劑傳輸時(shí)間模型，為今后進(jìn)一步定量分析湖區(qū)污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和建立湖泊濕地生態(tài)模型提供必要的基礎(chǔ)。主要研究結(jié)論如下：

（1）樞紐工程的修建的確會(huì)導(dǎo)致湖泊水位的抬高，且對(duì)鄱陽(yáng)湖水位的影響滿足由北向南逐漸減小的規(guī)律。豐水年湖區(qū)水位較高，夏至、秋分時(shí)湖區(qū)水位不受樞紐工程影響；枯水年湖區(qū)汛后水位較低，所以秋分時(shí)湖區(qū)水位也受到工程影響?？偟膩?lái)說(shuō)枯水年水利樞紐工程對(duì)湖泊水位抬升的變幅值和持續(xù)時(shí)間均高于豐水年同期數(shù)值。

（2）與水位變幅相同，豐水年夏至、秋分時(shí)和枯水年夏至湖區(qū)流速不受樞紐工程影響，除枯水年秋分工程前發(fā)生倒灌現(xiàn)象情況特殊外，其余時(shí)間均滿足樞紐工程興建后，平面深槽流速減小，局部灘地區(qū)域流速則有所增加，湖區(qū)整體流速減小。

（3）豐水年汛后湖區(qū)水位較高，江湖保持連通，故工程前后湖區(qū)水面面積、水量基本不變；而在樞紐工程作用下，補(bǔ)償調(diào)節(jié)期和低枯水期間的水面面積增加15.3%，水量增加29.2%?？菟暄春蠛^(qū)水位較低，在樞紐工程控制下，湖區(qū)水位升高，水面面積和水量隨之增加，其中水面面積增加24.8%，水量增加68.8%；而在補(bǔ)償調(diào)節(jié)期和低枯水期，水面面積增加22.8%，水量增加54.1%。與豐水年相比，枯水年湖區(qū)水面面積、水量變化的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，增幅更大。

（4）以星子站為研究站點(diǎn)，研究其豐、枯水年四季濃度曲線變化，在樞紐工程興建后，豐水年水力滯留時(shí)間增幅一般在1～2 d，枯水年水力滯留時(shí)間增幅一般在2～9 d，枯水年水力滯留時(shí)間受到樞紐工程的影響更大。

（5）對(duì)于選定的各示蹤劑代表性投放點(diǎn)，豐水年工程修建后示蹤劑傳輸時(shí)間增加值為1～9 d，枯水年工程修建后示蹤劑傳輸時(shí)間增加值為1～20 d，可見(jiàn)與水力滯留時(shí)間相同，枯水年示蹤劑傳輸時(shí)間受到樞紐工程的影響更大，湖區(qū)物質(zhì)輸運(yùn)過(guò)程明顯減慢。

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