李金華，李一平**，唐春燕，程一鑫，施媛媛，程 月，伍 欣

(1：河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098)(2：河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098)(3：肇慶市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，肇慶市環(huán)境科學(xué)研究所，肇慶 526000)

城市景觀湖泊通常兼具景觀生態(tài)、接納雨污、儲(chǔ)蓄調(diào)洪等多種功能[1]，由于地處人口相對(duì)密集的區(qū)域，周邊分布著復(fù)雜的小區(qū)、工廠、商戶(hù)，城市景觀湖泊的水質(zhì)往往更容易受到人為排污等活動(dòng)的影響，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，加之此類(lèi)湖泊水系連通性差，缺少補(bǔ)水源水，出入流河道、閘門(mén)較少，湖泊相對(duì)封閉，導(dǎo)致湖泊換水周期較長(zhǎng). 城市景觀湖泊在人為布局下往往呈現(xiàn)形狀不規(guī)整的特點(diǎn)，容易使湖灣水體滯留形成死水區(qū)，在夏季高溫時(shí)期，藻類(lèi)極易滋生堆積形成水華，湖泊水體健康面臨嚴(yán)重危機(jī)[2]. 星湖位于廣東省肇慶市，是國(guó)家級(jí)重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)，近年來(lái)星湖富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益加劇，為改善部分湖區(qū)水體流通性差、水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)狀，肇慶市政府提出“一滴污水不進(jìn)星湖”，并對(duì)星湖周邊排污口、排水溝實(shí)行嚴(yán)格的控源截污，同時(shí)為縮短星湖換水周期，改善星湖水質(zhì)，提升星湖水體透明度，提出了“引江濟(jì)星”工程，即引西江水和北嶺山山水進(jìn)入星湖.

對(duì)于大型湖泊而言，入湖流量和風(fēng)場(chǎng)在驅(qū)動(dòng)湖泊水體運(yùn)動(dòng)和水動(dòng)力交換過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，水齡作為衡量水體交換速率的重要指標(biāo)，已有大量關(guān)于水齡研究的成果. Li等[3]引入水齡的概念，分析“引江濟(jì)太”工程引水量對(duì)太湖水動(dòng)力調(diào)控效果的影響，研究表明太湖水體的輸移過(guò)程受出入流水動(dòng)力條件和風(fēng)場(chǎng)的強(qiáng)烈影響；Gao等[4]研究了引水工程對(duì)人為布局下的城市人工湖水齡的影響，揭示了引水量和湖區(qū)布局與水體交換速率間的關(guān)系，并基于EFDC模型模擬了風(fēng)場(chǎng)及水位對(duì)七里海瀉湖水體更新能力的影響[5]，發(fā)現(xiàn)東北風(fēng)顯著提升了七里海瀉湖的水體更新能力；王鐘等[6]分析“引江濟(jì)淮”工程和風(fēng)應(yīng)力對(duì)蔡子湖水齡分布的影響，結(jié)果表明：風(fēng)應(yīng)力對(duì)蔡子湖水齡分布有重要影響；黃春琳等[7]基于EFDC模型研究“引江濟(jì)太”工程對(duì)太湖水齡分布的影響；張素香等[8]構(gòu)建鄱陽(yáng)湖染色劑和水齡模型，計(jì)算不同入流河道對(duì)湖區(qū)的影響，論證了鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程調(diào)水方案的合理性；戚文等[9]利用EFDC模型建立天鏡湖的三維非穩(wěn)態(tài)水量、水齡、污染物顆粒追蹤數(shù)學(xué)模型. 此外，通過(guò)建立水齡和水質(zhì)的相關(guān)關(guān)系，可便于明晰水體中營(yíng)養(yǎng)鹽含量與水齡的聯(lián)系；Zhang等[10]構(gòu)建三維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型，分析牛欄山引水工程對(duì)滇池水齡和水質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)滇池水齡的大小與總磷濃度呈正相關(guān)，與總氮、葉綠素a濃度無(wú)明顯相關(guān)性. 以上研究雖然都取得了很多有意義的成果，但大多是針對(duì)引調(diào)水工程、風(fēng)場(chǎng)或季節(jié)變化對(duì)大型湖泊水體輸移速率方面的研究，涵概因素單一，特別是針對(duì)南方季風(fēng)氣候區(qū)城市景觀湖泊，缺少全面考慮進(jìn)出水通道布局、流量配比及風(fēng)場(chǎng)對(duì)工程效益的影響等方面的研究.

近年來(lái)，隨著引調(diào)水工程在西湖[11]、太湖、滇池的成功運(yùn)用，調(diào)水引流已經(jīng)作為提升湖泊水體交換速率、改善湖泊水質(zhì)的重要措施之一[12]，本研究以南方季風(fēng)氣候地區(qū)典型城市景觀湖泊——星湖為例，以EFDC模型為工具，基于實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)、水位和地形數(shù)據(jù)以及基于湖泊水量平衡換算的流量數(shù)據(jù)構(gòu)建星湖三維水動(dòng)力—風(fēng)場(chǎng)耦合模型，綜合考慮季節(jié)變化、風(fēng)場(chǎng)、調(diào)水引流工程對(duì)星湖水齡時(shí)空分布的影響，并結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)進(jìn)水線(xiàn)路和進(jìn)水比例進(jìn)行優(yōu)化，全面考慮引調(diào)水工程的效益、經(jīng)濟(jì)投資、生態(tài)占地和生態(tài)開(kāi)發(fā)等各個(gè)方面，遴選最優(yōu)引調(diào)水方案、最佳調(diào)水季節(jié)和風(fēng)向，從水動(dòng)力的角度模擬星湖在不同調(diào)水引流情景下以及不同風(fēng)向下星湖水齡的時(shí)空分布情況，以提供星湖平均水齡較低的最優(yōu)調(diào)水引流方案，為“引江濟(jì)星”工程的實(shí)施管理提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)域概況

星湖(23°3′27″～23°5′15″N, 112°26′38″～112°29′20″E)位于廣東省肇慶七星巖風(fēng)景區(qū)內(nèi)，北倚北嶺山，南接端州城區(qū)，地處南亞熱帶，年均溫度21.2℃，氣候溫暖濕潤(rùn)，屬于季風(fēng)氣候，且降水主要集中在4-9月，年平均降水量約1650 mm，2018年全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，年平均風(fēng)速約1.25 m/s，星湖為城市內(nèi)景觀湖泊，平均水深為2.34 m，最大水深為3.65 m，總面積約為5.82×106m2(相應(yīng)水位為4.91 m)，總?cè)莘e約為13×106m3，目前星湖水生植物較少，常見(jiàn)水生植物約15種，其中沉水植物僅有4種，群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[13].

星湖由波海湖、中心湖、青蓮湖、仙女湖、里湖五大湖區(qū)組成(圖1)，其中波海湖、仙女湖、中心湖和青蓮湖通過(guò)橋涵互相連通，水可以自由流動(dòng)，補(bǔ)水源水由北部及周邊集水區(qū)的澇水和北嶺截洪渠的山洪溢流提供，里湖相對(duì)封閉，主要由湖面降雨和中心湖補(bǔ)給水量，且與其他湖區(qū)存在約1 m的水位落差，本文以波海湖、中心湖、青蓮湖、仙女湖4個(gè)子湖區(qū)為主要研究對(duì)象，由于自然條件下里湖與其它4個(gè)子湖區(qū)互不存在水體交換，故暫不考慮引水工程及風(fēng)場(chǎng)對(duì)里湖水齡分布的影響. 星湖的主要入湖口為外坑A1、盤(pán)古坑A2、石牌坑A3以及概化的雨水口B1、排污口B2、排污口B3，主要出水口為中心湖南部的牌坊換水涵C1、青蓮湖東南部的芹田水閘C2以及仙女湖北部的東崗節(jié)制閘C5，青蓮湖出水口C3和仙女湖出水口C4為規(guī)劃擬建的出水口.

圖1 研究區(qū)域概況

1.2 模型的構(gòu)建及率定驗(yàn)證

1.2.1 模型構(gòu)建 EFDC模型最早由美國(guó)美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)和海洋科學(xué)研究所開(kāi)發(fā)，應(yīng)用笛卡爾坐標(biāo)或曲線(xiàn)正交坐標(biāo)系統(tǒng)[14]，在空間上運(yùn)用二階精度有限差分格式，水平擴(kuò)散方程采用時(shí)間顯示、空間隱式格式，水平輸運(yùn)方程采用 Blumberg-Mellor 模型的中心差分格式或者正定迎風(fēng)差分格式[15]. 被廣泛應(yīng)用于河流[16]、湖泊[17]、濕地[18]、河口[19]以及水庫(kù)[20]的水動(dòng)力、水質(zhì)和水生態(tài)模擬中，能夠動(dòng)態(tài)展現(xiàn)三維水動(dòng)力及污染物遷移擴(kuò)散的軌跡. 本文將EFDC模型應(yīng)用于星湖的水動(dòng)力模擬研究中，構(gòu)建三維水動(dòng)力模型，在水平上采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，垂向上采用Sigma坐標(biāo)，水平網(wǎng)格數(shù)共計(jì)2212個(gè)，網(wǎng)格空間分辨率為52 m，垂向分為3層，每層厚度由水面高度和湖底地形決定. EFDC模型以風(fēng)速、風(fēng)向、入湖流量、出湖水位為水動(dòng)力模塊的邊界條件，其中入湖邊界為3條排水坑(外坑、盤(pán)古坑、石牌坑)、6個(gè)排污口和1個(gè)雨水口，出湖邊界包括3個(gè)出水閘門(mén)(牌坊換水涵、芹田水閘和東崗節(jié)制閘).

由4215個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)位高程數(shù)據(jù)內(nèi)插形成星湖底部地形，初始水位為2018年1月1日星湖水位監(jiān)測(cè)站實(shí)測(cè)水位(4.88 m)，四季風(fēng)速(圖2)數(shù)據(jù)采用2018年實(shí)測(cè)值(數(shù)據(jù)來(lái)源：http://data.cma.cn/)，模擬時(shí)間2018年1月1日—12月31日，動(dòng)態(tài)時(shí)間步長(zhǎng)取0.5 s. 為了適應(yīng)水位波動(dòng)，尤其是相對(duì)淺水區(qū)域，模型設(shè)置臨界干水深0.05 m.

圖2 星湖2018年風(fēng)玫瑰圖

1.2.2 模型率定驗(yàn)證 模型中的參數(shù)取值會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生重要的影響，本研究重點(diǎn)率定風(fēng)場(chǎng)參數(shù)及底部粗糙系數(shù)，最終取糙率參數(shù)為0.02 ，風(fēng)拖曳系數(shù)為3×10-3，風(fēng)遮擋系數(shù)為1. 通過(guò)對(duì)星湖水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)位2018年全年的模擬值與實(shí)測(cè)值比較可知(圖3)，星湖水位的絕對(duì)誤差為0.007 m，均方根誤差為4.4%，選取2017年星湖水位監(jiān)測(cè)站實(shí)測(cè)水位及基于水位平衡換算的出入流量數(shù)據(jù)作為模型的驗(yàn)證數(shù)據(jù)，模擬值與實(shí)測(cè)值比較可知(圖3)，2017年星湖水位絕對(duì)誤差為0.024 m，均方根誤差為3.4%，模擬值與實(shí)測(cè)值誤差較小且吻合較好，說(shuō)明模型的模擬結(jié)果能較好地反映星湖的水位變化情況.

1.2.3 水齡的定義 本研究利用水齡和拉格朗日顆粒物追蹤的概念來(lái)描述湖體交換快慢及交換程度，獲取最佳調(diào)水流量、調(diào)水時(shí)機(jī)，提出多種改善湖體水齡、加速水體交換的有效組合.

圖3 星湖水動(dòng)力模型率定(2018年)和驗(yàn)證(2017年)結(jié)果(珠基高程)

水齡模型是基于對(duì)流擴(kuò)散模型發(fā)展起來(lái)，用于衡量湖泊和水庫(kù)污染物遷移的有效參數(shù)[21]. 水齡定義為：對(duì)單個(gè)粒子來(lái)說(shuō)，粒子從進(jìn)入水體到達(dá)指定位置所需的時(shí)間. 針對(duì)不同的研究問(wèn)題，水齡可以定義為不同的形式. 例如研究水體垂向交換時(shí)，水齡定義為水體離開(kāi)水體表面，到達(dá)垂向某一位置所需的時(shí)間；當(dāng)研究水體與外部水體交換時(shí)可定義為顆粒物從入口傳輸?shù)街付c(diǎn)的時(shí)間(往往入口的水齡設(shè)為零). 水齡能夠反映出水質(zhì)點(diǎn)或者污染物從邊界傳輸?shù)窖芯繀^(qū)域內(nèi)任何一點(diǎn)的時(shí)間，定量反映出水體交換能力的時(shí)間和空間異質(zhì)性，定性反映污染物傳輸特征和水體富營(yíng)養(yǎng)化程度. 水齡越小，說(shuō)明水體交換程度越強(qiáng)，反之亦然. 水齡計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

1.2.4 計(jì)算方案 為確定入湖口通道布局、入湖流量分配比例、出入湖口數(shù)量以及風(fēng)場(chǎng)對(duì)星湖水齡的影響，本文共設(shè)計(jì)4個(gè)方案共計(jì)12種工況(表1)進(jìn)行計(jì)算. 星湖是典型的城景觀湖泊，湖區(qū)面積較小，工況1和工況10分別計(jì)算現(xiàn)狀情景下有風(fēng)和無(wú)風(fēng)時(shí)星湖的水齡分布，并基于實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)模擬星湖水齡的季節(jié)性變化規(guī)律，方案一、方案二和方案三分別計(jì)算了不同引調(diào)水方案下星湖的水齡空間分布，其中工況3、4、5、7、8、9計(jì)算不同入湖口位置分布和入湖流量比例情景下星湖水齡空間分布，工況6模擬擬建的青蓮湖出水口和仙女湖出水口對(duì)星湖水齡的影響，工況61～16則模擬恒定風(fēng)速，16種不同風(fēng)向下星湖水齡的時(shí)空分布特征.

表1 模型計(jì)算方案*

2 結(jié)果與討論

2.1 星湖水齡時(shí)空分布特征及風(fēng)場(chǎng)對(duì)水齡分布的影響

現(xiàn)狀情景下工況1和工況10分別計(jì)算了有風(fēng)和無(wú)風(fēng)情景下星湖水齡的季節(jié)性分布情況(圖4)，在無(wú)風(fēng)情景下水齡的季節(jié)性變化從小到大依次為：秋季(123.95 d)<夏季(131.89 d)<冬季(155.21 d)<春季(182.23 d)，而有風(fēng)情景下四季水齡從小大依次為：秋季(96.63 d)<夏季(114.78 d)<冬季(142.42 d)<春季(179.77 d)，較無(wú)風(fēng)情景而言，有風(fēng)情景下星湖春、夏、秋、冬季整體平均水齡分別降低了2.46、17.11、27.31、12.78 d，主要原因是秋季入流流量大，且秋季主導(dǎo)風(fēng)向與湖流運(yùn)動(dòng)方向相近，利于水體交換，而春、冬季節(jié)出入流流量小，水體交換速率較弱；由于湖區(qū)邊界形狀差異，水齡的季節(jié)變化在湖區(qū)空間分布上也有顯著區(qū)別，對(duì)比無(wú)風(fēng)情景，有風(fēng)情景下中心湖、青蓮湖、仙女湖水齡分別降低了52.37、11.65、43.95 d，波海湖水齡反而增加了21.6 d，主要是因?yàn)椴ê：?、西、北三面為岸線(xiàn)形成“小湖灣”，A1、A2兩個(gè)入流口與風(fēng)向相悖，唯一的出流口僅為波海湖與中心湖中間的相通橋涵，因此主導(dǎo)風(fēng)抑制了波海湖的水體交換，而中心湖、青蓮湖和仙女湖的水體交換受到風(fēng)場(chǎng)正向驅(qū)動(dòng). 夏、秋季風(fēng)(西南風(fēng))作用提升了星湖的水體交換速率，而春季季風(fēng)(南西南風(fēng))對(duì)星湖的水齡分布影響較小.

圖4 星湖水齡季節(jié)性差異(a)和空間分布差異(b)

對(duì)于大型淺水湖泊，風(fēng)應(yīng)力是湖泊形成環(huán)流的主要驅(qū)動(dòng)力之一，分析不同風(fēng)向下湖泊水齡的時(shí)空分布特征可以更好地論證調(diào)水引流工程對(duì)湖泊水體交換速率的改善效益，同時(shí)，水齡的時(shí)空分布也可以作為評(píng)估調(diào)水引流對(duì)湖泊水質(zhì)改善效益的重要參考指標(biāo).

研究中模擬了恒定風(fēng)速2 m/s時(shí)16種不同風(fēng)向下、以及強(qiáng)風(fēng)向(南東南風(fēng))下不同風(fēng)速時(shí)星湖湖體水齡的時(shí)空分布，計(jì)算了波海湖、中心湖、青蓮湖以及仙女湖在不同風(fēng)向下的水齡，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5. 模擬結(jié)果表明：在相同風(fēng)速、不同風(fēng)向下，南東南風(fēng)對(duì)星湖整體水齡的改善最為顯著(湖區(qū)整體平均水齡為19.95 d)，北東北風(fēng)對(duì)水體交換的影響最弱(湖區(qū)整體平均水齡為27.76 d)，不同子湖區(qū)的影響結(jié)果也有很大的差異，青蓮湖是水齡最大的湖區(qū)，仙女湖是受風(fēng)場(chǎng)影響最小的湖區(qū)(16個(gè)風(fēng)向下水齡在13.52～21.54 d之間)，這表明靠近引水點(diǎn)區(qū)域的水體最先被交換，其它區(qū)域在不同風(fēng)向情景下呈現(xiàn)不同的差異，波海湖平均水齡范圍為6.53 d(南風(fēng))～21.54 d(西西北風(fēng))；中心湖平均水齡范圍為16.89 d(南西南風(fēng))～27.93 d(東北風(fēng))；青蓮湖平均水齡范圍為39.86 d(西風(fēng))～63.46 d(北風(fēng))；仙女湖平均水齡范圍為13.52 d(西南風(fēng))～21.54 d(北風(fēng)).

在南東南風(fēng)(強(qiáng)風(fēng)向)0、2、4、6 m/s風(fēng)速下，星湖平均水齡分別為18.44、19.95、18.18和18.35 d，對(duì)于同一湖區(qū)，由風(fēng)向差異引起的水齡的最大差值為34.38 d(波海湖)，最小為8.03 d(仙女湖)，不同湖區(qū)在對(duì)同一風(fēng)向(南東南風(fēng))不同風(fēng)速下水齡的表現(xiàn)也有所差異，最小為2.50 d(波海湖)，最大為26.31 d(青蓮湖)；不同風(fēng)向?qū)π呛w水齡的影響在0.02～7.81 d之間，因此風(fēng)場(chǎng)對(duì)星湖水齡時(shí)空分布影響較小. 研究結(jié)果表明：不同風(fēng)向?qū)π呛鱾€(gè)湖區(qū)的改善效果不同，南風(fēng)有助于波海湖的水體交換，南西南風(fēng)有助于中心湖的水體交換，西西南風(fēng)有助于青蓮湖的水體交換，東風(fēng)有助于仙女湖的水體交換，而對(duì)于星湖整體而言，風(fēng)向?yàn)槟蠔|南風(fēng)時(shí)水齡較小，表明南東南風(fēng)是“引江濟(jì)星”工程提升星湖換水速率和改善水質(zhì)最有效的風(fēng)向.

圖5 各湖區(qū)水齡受風(fēng)向影響情況

2.2 不同出入湖點(diǎn)位設(shè)置及入流配比情景下水齡分布特征

為了進(jìn)一步明晰不同入湖通道布局以及配水比例下“引江濟(jì)星”工程對(duì)星湖水齡的影響，結(jié)合星湖現(xiàn)有進(jìn)水通道和“引江濟(jì)星”工程擬規(guī)劃設(shè)計(jì)3個(gè)進(jìn)水口，對(duì)于波海湖入湖口的選擇，一是由外坑直接入波海湖，二是新建輸水管道后由盤(pán)古坑入波海湖，其入湖點(diǎn)需進(jìn)一步評(píng)估，其余入中心湖和仙女湖的點(diǎn)位相對(duì)明確；補(bǔ)水進(jìn)入星湖后，通過(guò)芹田水閘、牌坊換水涵和東崗節(jié)制閘3處向外排水，星湖形成“三進(jìn)三出”的水體交換格局，讓星湖各個(gè)湖區(qū)的水體得到充分交換，減少死水區(qū)面積，通過(guò)增強(qiáng)水體循環(huán)來(lái)改善水質(zhì)，由模擬結(jié)果可知，經(jīng)外坑入波海湖的配水點(diǎn)位設(shè)置要略?xún)?yōu)于經(jīng)盤(pán)古坑入湖的路線(xiàn)，其中波海湖的改善效果尤為顯著，波海湖水齡由68 d降至43 d，水體交換速率提高了37%，但對(duì)其它湖區(qū)影響甚微.

此外，進(jìn)水口的配水比例也會(huì)對(duì)湖泊水體交換產(chǎn)生一定的影響，本文模擬了4種配水比例工況下“引江濟(jì)星”工程對(duì)星湖水動(dòng)力的影響，結(jié)果表明：工況5為最優(yōu)方案，即波海湖入湖口、中心湖入湖口、仙女湖入湖口的配水比例為4∶3∶3時(shí)星湖整體水齡最低，此時(shí)波海湖、中心湖、青蓮湖、仙女湖以及星湖整體平均水齡分別為42.79、33.20、73.28、28.25和37.40 d(表2).

表2 不同工況下各湖區(qū)水齡統(tǒng)計(jì)

2.3 不同引調(diào)水方案下星湖水齡分布特征

為評(píng)估不同工況下“引江濟(jì)星”工程對(duì)星湖水動(dòng)力的改善效果，基于最優(yōu)入湖通道布局以及最優(yōu)入湖流量比例，模擬3種調(diào)水引流方案下星湖的水齡分布情況，即方案一：北嶺山來(lái)水(q=0.988 m3/s)，方案二：西江引水(q=6 m3/s)，方案三：北嶺山來(lái)水+西江引水(q=0.988 m3/s+5.8 m3/s)，方案一充分考慮北嶺山山洪和降雨資源，通過(guò)新修截洪渠和集水池收集水資源，并利用現(xiàn)有進(jìn)水坑道(盤(pán)古坑和石牌坑)對(duì)星湖實(shí)施補(bǔ)水；方案二從西江引水，通過(guò)修建引配水管道達(dá)到合理分配引水資源、盤(pán)活星湖水體和提升星湖換水速率的目的；方案三綜合考慮利用北嶺山山洪、降雨資源和西江引水資源. 星湖現(xiàn)階段主要通過(guò)牌坊換水涵、芹田水閘和東崗節(jié)制閘向外排水，另有兩處規(guī)劃建設(shè)排水口，即青蓮湖出水口和仙女湖出水口，本研究在評(píng)估“引江濟(jì)星”工程對(duì)星湖水動(dòng)力改善的過(guò)程中，假定：1)忽略風(fēng)場(chǎng)的影響；2)各個(gè)工況除入、出湖邊界條件(邊界位置及入流流量)等不同之外，其它條件及參數(shù)設(shè)定均相同，模型模擬時(shí)長(zhǎng)為365 d.

基于水動(dòng)力-風(fēng)場(chǎng)耦合模型得出的不同引調(diào)水工況下星湖的水齡空間分布(圖6～圖9)，顏色為藍(lán)色代表水齡越小，顏色為紅色則說(shuō)明該點(diǎn)水齡越大，模擬結(jié)果表明，入湖流量與水齡呈反比，即隨著流量的提升，湖區(qū)整體水齡水齡越小，且隨著流量的增加，4、15、30、60 d等水齡線(xiàn)分布范圍不斷增加(表3). 其中方案三為降低湖區(qū)水齡值的最優(yōu)調(diào)水引流方案(工況10)，方案二次之(工況5)，方案一對(duì)星湖的水齡改善效果最差(工況1)，三種工況下星湖水齡均值分別為30.62、33.30、106.70 d，表明“引江濟(jì)星”工程可以加快星湖的水體交換速率，減小星湖水齡，特別針對(duì)波海湖、中心湖和仙女湖中北部，水體交換速率有很大的提升，但青蓮湖仍存在水體交換速率較差的區(qū)域，而青蓮湖東部恰是藻類(lèi)暴發(fā)的高發(fā)區(qū).

表3 不同工況下水齡區(qū)間所占湖區(qū)面積

為減少青蓮湖東部和仙女湖東部“死水區(qū)”的分布范圍，降低水華的暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，“引江濟(jì)星”工程規(guī)劃擬建青蓮湖出水口和仙女湖出水口，其建設(shè)的效果和必要性仍需進(jìn)一步評(píng)估，工況6模擬了新增青蓮湖出水口和仙女湖出水口對(duì)青蓮湖和仙女湖的水齡改善，結(jié)果表明，工況6情景下青蓮湖和仙女湖水齡分別為30.45和12.92 d，工況5情景下青蓮湖和仙女湖水齡分別為73.70和33.30 d，較工況5而言，工況6情景下青蓮湖和仙女湖水體交換速率分別提升了58.68%和61.20%，說(shuō)明青蓮湖出水口和仙女湖出水口能有效增加青蓮湖和仙女湖的水體交換速率.

圖6 現(xiàn)狀情景水齡時(shí)空變化

圖7 方案一(工況1)水齡時(shí)空變化

圖8 方案二(工況5)水齡時(shí)空變化

圖9 方案三(工況10)水齡時(shí)空變化

2.4 調(diào)水引流工程及湖泊水齡改善的討論

基于EFDC構(gòu)建的三維水動(dòng)力模型對(duì)“引江濟(jì)星”工程的評(píng)估是以水齡為定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)考慮風(fēng)場(chǎng)對(duì)湖流運(yùn)動(dòng)的影響，能夠準(zhǔn)確反映不同引調(diào)水方案實(shí)施后對(duì)星湖水體交換速率的提升效果，為工程方案選取、實(shí)施及管理提供科學(xué)依據(jù)，并已成功應(yīng)用到蔡子湖[6]、鄱陽(yáng)湖[8]、滇池[10]、太湖[22]等引調(diào)水工程評(píng)估中，但由于湖泊類(lèi)型不同，所受風(fēng)場(chǎng)的影響也有所差異，導(dǎo)致各研究結(jié)果均有所差異. 太湖是大型淺水湖泊，其出流入邊界明確，湖邊帶相對(duì)平滑，風(fēng)生流在湖流運(yùn)動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用，在相同點(diǎn)位由風(fēng)向引起的水齡差異大于100 d，在不同點(diǎn)位的水齡差異則超過(guò)150 d[22]. 星湖是小型景觀湖泊，其在人為布局的影響下呈現(xiàn)形狀不規(guī)整的特點(diǎn)，各湖區(qū)水體連通性較弱，在湖灣地區(qū)易發(fā)生水體滯留形成死水區(qū)，其水動(dòng)力交換過(guò)程主要受到入湖通道布局(包括流量配比、點(diǎn)位設(shè)置、出入湖道數(shù)量)的影響，受風(fēng)場(chǎng)影響較小，其由風(fēng)向引起的水齡最大差值為34.38 d，由風(fēng)向引起的水齡最小差值為26.18 d. 引調(diào)水工程對(duì)湖泊的影響表現(xiàn)在水質(zhì)、水動(dòng)力、透明度、水生生物群落等各個(gè)方面，為得出更為科學(xué)客觀的引調(diào)水方案，水齡值不能作為選定調(diào)水引流工程的唯一判據(jù)，引調(diào)水工程的實(shí)施需綜合考慮以上指標(biāo)并結(jié)合當(dāng)?shù)厮Y源的配置、引水工程的經(jīng)濟(jì)投資[23]、對(duì)生態(tài)環(huán)境的開(kāi)發(fā)及影響[24]等進(jìn)行綜合評(píng)定. 在論證調(diào)水引流方案可達(dá)性、合理性、可行性的過(guò)程中，本文以減小水齡為主要目標(biāo)的同時(shí)，綜合了調(diào)水引流方案在實(shí)施過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)投資、生態(tài)占地和開(kāi)發(fā)，最終擬定方案二為最優(yōu)調(diào)水引流方案，方案二(西江引水)和方案三(西江引水+北嶺山來(lái)水)情景下星湖平均水齡分別為33.30和30.62 d，方案三水齡略小于方案二，但方案三需新建更多的箱涵、集水池、輸水管道，其中涉及對(duì)北嶺山森林資源的開(kāi)發(fā)，相較于方案二，方案三需多投資近四千萬(wàn)(其中不含征地、拆遷費(fèi)用).

3 結(jié)論

“引江濟(jì)星”工程對(duì)星湖的影響可通過(guò)水齡的時(shí)空分布來(lái)體現(xiàn)，本文基于EFDC構(gòu)建了星湖三維水動(dòng)力—風(fēng)場(chǎng)耦合模型，研究了星湖水齡的季節(jié)性分布特征、不同入湖通道布局和不同流量配比下星湖的水齡時(shí)空分布及“引江濟(jì)星”工程和風(fēng)場(chǎng)對(duì)湖泊水齡時(shí)空分布的影響. 模擬結(jié)果表明，“引江濟(jì)星”工程對(duì)星湖水齡時(shí)空分布有十分重要的影響，風(fēng)場(chǎng)對(duì)星湖水齡的時(shí)空分布影響較小.

1)星湖水齡分布存在季節(jié)和空間差異. 季風(fēng)作用有效地降低了星湖平均水齡，秋季季風(fēng)對(duì)水體交換影響最顯著；風(fēng)場(chǎng)促進(jìn)了中心湖、青蓮湖、仙女湖的水體交換，抑制了波海湖的水體交換，對(duì)于星湖整體而言，由風(fēng)向?yàn)槟蠔|南風(fēng)時(shí)水齡最小.

2)波海湖的最優(yōu)入湖線(xiàn)路河道為外坑，且波海湖入流流量∶中心湖入流流量∶仙女湖入流流量最優(yōu)分配比為4∶3∶3. 綜合比較“引江濟(jì)星”工程的不同方案的平均水齡，結(jié)合考慮調(diào)水引流綜合效益、經(jīng)濟(jì)投資、生態(tài)開(kāi)發(fā)和和占地等成本，方案二(工況5，引西江水由外坑、雨水口和石牌坑入星湖)為最優(yōu)調(diào)水引流方案. 規(guī)劃擬建的青蓮湖出水口和仙女湖出水口能有效加快青蓮湖東北部和仙女湖東南部的水體交換速率.

3)針對(duì)形狀不規(guī)則的城市內(nèi)湖，在湖心大面積敞風(fēng)區(qū)，風(fēng)場(chǎng)是驅(qū)動(dòng)湖體環(huán)流的主導(dǎo)因素，在岸線(xiàn)復(fù)雜的湖灣區(qū)，出入湖口布局及風(fēng)場(chǎng)風(fēng)向的一致性是影響湖區(qū)水齡的主控因素.