譚 超,黃廣靈,黃本勝,邱 靜

(廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635)

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城市景觀湖泊水體交換的數(shù)值模擬研究*

譚 超,黃廣靈,黃本勝,邱 靜

(廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635)

通過(guò)水流數(shù)學(xué)模型模擬城市湖泊流場(chǎng)分布是評(píng)估水體交換能力的重要依據(jù)。利用二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型研究了惠州西湖的水動(dòng)力優(yōu)化調(diào)控方案,探明了惠州西湖各狀條件下水動(dòng)力較差的區(qū)域,評(píng)估了引水對(duì)于惠州西湖湖水動(dòng)力的改善程度,并對(duì)比了不同方案的的引水效果,進(jìn)而提出了較好的引水方案。其成果可為惠州西湖和其他城市湖泊水質(zhì)改善工程提供參考和借鑒。

惠州西湖；水體交換；二維水流數(shù)學(xué)模型；流場(chǎng)分布

城市湖泊作為城市中重要的景觀元素,對(duì)人類 生活有著重大意義。它既是風(fēng)光優(yōu)美,景色宜人的景觀工程與旅游勝地,也起到調(diào)蓄洪水、防洪減災(zāi)、保護(hù)生物多樣性、維持生態(tài)平衡、保存淡水資源、補(bǔ)充地下水、調(diào)節(jié)氣候、降解污染物等作用,具有良好的生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益[1]。然而近年來(lái)隨著城市化的急劇發(fā)展,城市湖泊的開發(fā)強(qiáng)度也逐漸變大,但是城市湖泊人工設(shè)計(jì)不夠科學(xué),如為滿足人們的景觀需求,多將湖岸設(shè)計(jì)成不規(guī)則形狀,曲折多彎,易出現(xiàn)湖泊水體的“死角”,“死角”中水體流動(dòng)性較差,得不到置換,隨著使用時(shí)期延長(zhǎng),各種污染物發(fā)生沉積,最終導(dǎo)致水質(zhì)惡化,并擴(kuò)散到整個(gè)湖泊范圍; “死角”越多,所占范圍越大,水質(zhì)惡化也就越快; 達(dá)不到引水改善湖泊水質(zhì)的總體效果。城市湖泊具有水體流動(dòng)性較差,水域 面積較小、水生生態(tài)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、水環(huán)境容量小、水體 自凈能力低、人類活動(dòng)影響大等特性,導(dǎo)致其生態(tài)相當(dāng)脆弱,污染負(fù)荷超過(guò)水體自凈能力,易引起水生動(dòng)、植物種類的減少,湖水變黑發(fā)臭,造成水質(zhì)變差 和惡化,嚴(yán)重影響水體功能、用途和景觀效果,并且難以冶理和修復(fù)。 城市湖泊的水動(dòng)力條件主要依賴于人工水循環(huán)過(guò)程,由于湖泊水體一般都比較封閉,水體流動(dòng)性相對(duì)較差,其流速場(chǎng)的分布是水環(huán)境質(zhì)量的重要體現(xiàn)[4-7]。利用人工水循環(huán)措施改善城市湖泊水質(zhì)是 一種常見的物理方法,可以通過(guò)人為的選擇和設(shè)定不同的進(jìn)出水口位置、組合以及換水周期,調(diào)節(jié)和 改變換水量和換水時(shí)間,改善城市湖泊的水動(dòng)力條件,進(jìn)而增大水體循環(huán)速度,改變湖泊的水動(dòng)力學(xué)過(guò)程,縮短水力滯留時(shí)間,改善湖泊水環(huán)境。

為此,本文利用二維水動(dòng)力模型研究了惠州西湖的水動(dòng)力優(yōu)化調(diào)控方案,發(fā)現(xiàn)了惠州西湖狀條件下水動(dòng)力較差的區(qū)域,評(píng)估了引水對(duì)于惠州西湖湖水動(dòng)力的改善程度,并對(duì)比了不同方案的的引水效果,進(jìn)而提出了較好的引水方案,成果可為惠州西湖和其他城市湖泊水質(zhì)改善工程提供參考和借鑒。

1 模型建立與方案設(shè)計(jì)

1.1 模型建立

1.1.1 基本方程

本文采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行納污能力計(jì)算,模型計(jì)算方法如下[8]。

連續(xù)方程：

(1)

運(yùn)動(dòng)方程：

(2)

(3)

其中 u、 v為垂向平均流速在X、 Y方向的分量， m/s； H=h0+η； h0靜水時(shí)的水深， m； η自由水面在豎直方向的位移， m； QS為排水流量， m3/s； ε為紊動(dòng)粘性系數(shù)， m2/s； f是科氏力系數(shù)； Ex、 Ey是X、 Y方向的混合系數(shù)， m2/s。

二維水流方程利用有限元法求解。

1.1.2 模型網(wǎng)格布置

由于湖底地形平緩,在這里湖底高程統(tǒng)一采用-2.0 m,岸邊10～15 m寬的地方有從-1.0 m到-2.0 m的放坡,計(jì)算水位采用0 m。

模型模擬邊界由注水點(diǎn)和出水點(diǎn)組成,其中注水點(diǎn)采用點(diǎn)源流量的處理方法,出水口處則設(shè)置開邊界,由水位控制,控制水位取0 m。

本次模擬采用三角形網(wǎng)格,湖區(qū)數(shù)值模型的網(wǎng)格數(shù)為19 255個(gè),網(wǎng)格邊長(zhǎng)在10 m左右,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)35 196 個(gè),模型水面總面積1.51 km2。網(wǎng)格的劃分如圖1所示。

圖1 惠州西湖湖區(qū)模型網(wǎng)格示意

1.2 方案方案

惠州西湖從北向南分別由菱湖、平湖、鱷湖、豐湖及南湖組成,湖區(qū)南北長(zhǎng)約3.5 km,東西長(zhǎng)約2.3 km,湖區(qū)水域面積約1.51 km2。西湖設(shè)計(jì)水深為2.0 m,岸邊水深1 m,并有10～15 m寬的放坡,出水口水位控制。在湖泊地形、形狀不變及不受其它因素影響的一般情況下,湖泊的流動(dòng)性與進(jìn)水量的大小有關(guān),進(jìn)水口流量越大則湖泊的動(dòng)力越強(qiáng),流動(dòng)性也越好,反之亦然。

根據(jù)惠州西湖引清工程設(shè)計(jì)方案,該湖現(xiàn)有注水點(diǎn)15個(gè),其中引自紅花湖水庫(kù)的注水口現(xiàn)已廢棄,設(shè)計(jì)總引水量7萬(wàn)m3/d。西湖現(xiàn)原有出水口3個(gè),目前1個(gè)已經(jīng)不可用,可用的僅存2個(gè)。二期初步設(shè)想增加注水口共3個(gè)。湖泊平面形狀及一期湖區(qū)注水口如圖2所示。

圖2 惠州西湖湖區(qū)形狀及進(jìn)出水口位置示意

為了分析不同引水方案下的西湖的水動(dòng)力的變化情況,本次模擬共設(shè)計(jì)了4組工況進(jìn)行計(jì)算。其中各工況具體設(shè)計(jì)見表1。

表1 模型計(jì)算工況設(shè)計(jì)

其中,現(xiàn)有引水方案及二期初步設(shè)想方案的注水口位置布置見圖1所示；優(yōu)化方案一的各引水口布置如圖3a、3b所示,優(yōu)化方案二的各引水口布置如圖4所示。其中優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二各新增注水口位置一樣,僅是幾個(gè)注水口的設(shè)計(jì)流量有所差別。優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二各新增注水口的引水量如表2所示,各注口編號(hào)如圖3a、圖3b所示。

圖3a 優(yōu)化方案一的各引水口布置示意

圖3b 優(yōu)化方案二的各引水口布置示意

表2 各新增注水口設(shè)計(jì)流量

2 數(shù)值模擬結(jié)果及方案比選

2.1 數(shù)模模擬結(jié)果分析

不同工況下惠州西湖湖區(qū)的水動(dòng)力數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果如表3及圖4～5所示。

從各工況模擬結(jié)果來(lái)看,現(xiàn)狀情況下,雖然補(bǔ)水增加了部分水域的水體流動(dòng)性,但是總的水體流動(dòng)性仍較弱,流速小于0.01 cm/s的水域面積為806 390 m2,占整個(gè)湖區(qū)面積的53.40%,流速小于0.1 cm/s的水域面積更是占了整個(gè)湖區(qū)面積的95.92%。初步方案實(shí)施后(增加了3個(gè)注水點(diǎn)),水體流動(dòng)性改善程度也極有限,如流速小于0.01 cm/s的滯水區(qū)面積仍有593 853 m2,占總湖面積百分比為39.32%,較之現(xiàn)狀降低了14.07個(gè)百分點(diǎn)；流速小于0.1 cm/s的水域面積也仍有1 288 134 m2,仍占總湖區(qū)面積的85.29%。通過(guò)對(duì)注水口位置、數(shù)量及注水流量進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化后(工況三、工況四),水體的流動(dòng)性有較大改善。

如圖4所示,工況三中西湖的平均流速已經(jīng)達(dá)到0.149 cm/s,整體流動(dòng)性較好,流速小于0.01 cm/s的水域面積減小,僅有64 562 m2,僅占總湖面積的4.27%；流速小于0.1 cm/s的水域面積同樣也有較大幅度減小,為890 450 m2,占總面積的58.96%。通過(guò)增加引水量,可以進(jìn)一步增強(qiáng)水體的流動(dòng)力,因此,在工況三基礎(chǔ)上進(jìn)行了工況四的計(jì)算,從結(jié)果可知,工況四的水體流動(dòng)性有進(jìn)一步改善,全湖平均流速為0.169 cm/s,流速小于0.01 cm/s的滯水區(qū)面積為60 581 m2,比工況三減小3 981 m2；流速小于0.1 cm/s的區(qū)域與工況三有稍大區(qū)別,流速小于0.1 cm/s的區(qū)域占總湖區(qū)的54.94%,比工況三少了4.02%。

2.2 方案比選

從湖泊的流動(dòng)性來(lái)看,工況四為最優(yōu),但其需增加注水點(diǎn)15個(gè),增加引水量17萬(wàn)m3/d；從工程量的角度來(lái)看,工況三較好,其增加的注水點(diǎn)與工況四一致,但其需增加的引水量比工況三小,為14萬(wàn)m3/d。從各湖區(qū)的流場(chǎng)分布情況來(lái)看,各湖區(qū)的流動(dòng)性均較好,湖泊死水區(qū)較小。湖內(nèi)總的流動(dòng)趨勢(shì)為從注水點(diǎn)流向2個(gè)主要出口,因此,注水點(diǎn)的設(shè)置需據(jù)此原理進(jìn)行設(shè)置,使其流動(dòng)路徑能遍及整個(gè)湖區(qū)。

表3 不同工況湖區(qū)流場(chǎng)特征統(tǒng)計(jì)

圖4 惠州西湖流場(chǎng)分布(方案四，推薦方案)

圖5a 工況一湖區(qū)流速分布示意

圖5b 工況二湖區(qū)流速分布示意

圖5c 工況三湖區(qū)流速分布示意

圖5d 工況四湖區(qū)流速分布示意

3 結(jié)語(yǔ)

城市人工湖泊有利于構(gòu)建城市景觀和改善城市生態(tài)環(huán)境,本文開展了惠州西湖水體交換的二維水流數(shù)值模擬研究,分析了4種不同進(jìn)、出水口布置情況下,不同引、出水方案下的流場(chǎng)數(shù)值模擬,對(duì)比分析了改善城市湖泊水體的人工水循環(huán)模式。

1) 通過(guò)對(duì)該人工湖的流場(chǎng)數(shù)值模擬,預(yù)測(cè)與分析了人工水循環(huán)過(guò)程中湖泊水體的流場(chǎng)分布情況,可知人工水循環(huán)措施是改善城市湖泊水體流態(tài)的一種有效的物理方法。

2) 通過(guò)對(duì)不同工況下的流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析,從湖泊的流動(dòng)性來(lái)看,工況四為最優(yōu),但是其需增加注水點(diǎn)15個(gè),增加引水量17萬(wàn)m3/d；從工程量的角度來(lái)看,工況三較好,其增加的注水點(diǎn)與工況四一致,但其需增加的引水量比工況三小,為14萬(wàn)m3/d。從各湖區(qū)的流場(chǎng)分布情況來(lái)看,各湖區(qū)的流動(dòng)性均較好,湖泊死水區(qū)較小。湖內(nèi)總的流動(dòng)趨勢(shì)為從注水點(diǎn)流向二個(gè)主要出口,因此,注水點(diǎn)的設(shè)置需據(jù)此原理進(jìn)行設(shè)置,使其流動(dòng)路徑能遍及整個(gè)湖區(qū)。

3) 數(shù)學(xué)模型方法是城市人工湖泊進(jìn)行合理的生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)的有效工具,能夠作為以后的城市人工湖泊水環(huán)境治理的重要手段。

[1] 李世杰,竇鴻身,舒金華，等.我國(guó)湖泊水環(huán)境問(wèn)題與水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的探討[J].中國(guó)水利,2006,3(3):14-17．

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(本文責(zé)任編輯 王瑞蘭)

Flowfield Numerical Simulation on the Water Exchange of Urban Lakes

TAN Chao, HUANG Guangling, HUANG Bensheng, QIU Jing

(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower, Guangdong Provincial Key Laboratory of Hydrodynamics, National Engineering Laboratory of Estuary Hydropower Technology, Guangzhou 510635, China)

Simulating the urban lake flow field by mathematical model is an important basis for the assessment of water exchange capacity. A two-dimensional hydrodynamic model is established to study the hydrodynamic optimization of the control schemes of West Lake in Huizhou. Assessment of hydrodynamic poor region in different Hydrological condition and the degree of improvement for hydrodynamic conditions of West lake has been done. And effects of different diversion programs have been compared, then suggestions of programs have been made. The results can provide reference for the West Lake and other lake water quality improvement projects.

West Lake； water exchange；2-D hydrodynamic model；flow field

2016-04-04;

2016-06-08

廣東省水利科技創(chuàng)新重大專題(2014-06)，廣東省水利科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2011-08,2012-03)。

譚超(1985),男,博士,高級(jí)工程師,主要從事水資源利用與保護(hù)研究工作。

TV143

A

1008-0112(2016)06-0006-06