陳 娟，潘秀華，張正揚(yáng)

（1.常州市長江堤防工程管理處，江蘇 常州 213000；2.泰州市城區(qū)河道管理處，江蘇 泰州 225300；3.瓜州閘管理所，江蘇 揚(yáng)州 225129）

1 概述

近年來，隨著社會(huì)的發(fā)展，城市規(guī)劃發(fā)展中人工景觀湖建設(shè)越來越多。由于人工景觀湖自身生態(tài)脆弱和水質(zhì)不穩(wěn)定的特點(diǎn)，特別是平原地區(qū)，水流動(dòng)力性小，致使有些人工景觀湖經(jīng)過短暫的運(yùn)行后，水質(zhì)發(fā)生了惡變[1]，水發(fā)黑發(fā)臭或藻類泛濫，影響景觀環(huán)境甚至人類健康。因此，對(duì)人工景觀湖的水動(dòng)力研究很有必要。

人工景觀湖一般通過引水、換水的方式來稀釋水中污染物，達(dá)到自凈的效果。人工的河道、湖泊水流結(jié)構(gòu)和河床演變過程相對(duì)復(fù)雜，通過物理模型試驗(yàn)可以模擬天然湖泊的演變過程及發(fā)展趨勢。本文采用物理模型對(duì)人工景觀湖流場分布進(jìn)行試驗(yàn)研究，選擇進(jìn)水水源，推薦進(jìn)出口，使得整個(gè)湖區(qū)有較好的水動(dòng)力。

2 基本資料

2.1 自然地理資料

上海地處長江三角洲前緣，東瀕東海，南臨杭州灣，西接江蘇、浙江兩省，北界長江入?？?，正當(dāng)我國南北海岸線的中部，交通便利，腹地廣闊，地理位置優(yōu)越，是一個(gè)良好的江海港口。上海境內(nèi)除西南部有少數(shù)丘陵山脈外，全為坦蕩低平的平原，是長江三角洲沖積平原的一部分，平均海拔高度為4 m左右，陸地地勢總趨勢由東向西低微傾斜。

上海嘉定“新城中心區(qū)核心景觀區(qū)”以遠(yuǎn)香湖為主體，地處嘉定新城核心區(qū)的中軸的東端，向四周輻射。人工景觀湖“遠(yuǎn)香湖”是嘉定區(qū)域內(nèi)有統(tǒng)領(lǐng)作用的水面，也是“千米一湖”規(guī)劃中最大的一個(gè)湖面。遠(yuǎn)香湖形態(tài)以“?！弊譃橐庀?，與位于中軸西端的F1賽道的“上”字形態(tài)呼應(yīng)。

人工景觀湖“遠(yuǎn)香湖”主景區(qū)規(guī)劃范圍為：西至富蘊(yùn)路，北至白銀路，東至橫瀝河，南至伊寧路，面積約為1120 m×980 m。該規(guī)劃范圍內(nèi)地勢平坦、低洼，設(shè)計(jì)地面高程為4.50 m，河底高程為-1.0～-0.5 m，一般均在-1.0 m左右。

2.2 水位資料

根據(jù)上海嘉定區(qū)水務(wù)局提供的水文資料，嘉定區(qū)南門地區(qū)（白銀路至伊寧路的橫瀝河）的水位情況見表1。南北向橫瀝河為遠(yuǎn)香湖所在區(qū)域的主要來水河道，水質(zhì)情況較好，水位北高南低，但水位差很小，南北水力坡降約為1/100000。

表1 白銀路至伊寧路的橫瀝河水位

2.3 工程資料

人工景觀湖“遠(yuǎn)香湖”的規(guī)模、形狀具體圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)香湖平面布置圖

3 物理模型試驗(yàn)研究

3.1 模型設(shè)計(jì)與制造

依據(jù)相似性力學(xué)原理及原型條件設(shè)計(jì)、制造模型和進(jìn)行模型試驗(yàn)[2]。模型試驗(yàn)就是按照相似準(zhǔn)則，將原體實(shí)物制成模型，根據(jù)其所受的主要作用力，進(jìn)行試驗(yàn)研究。相似模型的類型主要分為：完全相似模型、近似相似模型、正態(tài)模型和變態(tài)模型，在實(shí)際工程應(yīng)用中一般是采用正態(tài)相似模型。為保證水流各種局部現(xiàn)象都保持相似，本次模型試驗(yàn)采用正態(tài)定床模型。

3.1.1 模型比尺

根據(jù)重力相似準(zhǔn)則，模型按重力相似的Fr準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，即根據(jù)人工湖規(guī)劃尺寸和面積，結(jié)合場地條件，選擇合理的模型比尺，確保模型試驗(yàn)真實(shí)可靠，擬取模型幾何比尺Lr=Lp/Lm=35，由重力相似定律可得其它水流要素相似比尺，具體見表2。

表2 水流要素相似比尺

3.1.2 模型布置

模型為立體架空結(jié)構(gòu)，可直觀地觀測流場流態(tài)等情況。模型范圍取“海”字水系的主體部分，按1：35的比尺制作模型，模型主體范圍約為28 m×32 m。模型底板高程用精密水準(zhǔn)儀對(duì)每個(gè)定位坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，在角鋼支架上鋪設(shè)泡沫展板墊層，保證模型底板高程精度控制在0.2 mm之內(nèi)。在6個(gè)進(jìn)、出水口處分別設(shè)置了穩(wěn)流水箱、控制流量用閥門，在模型中心處設(shè)置一水流進(jìn)出交換用壓力水箱，通過管道與6個(gè)進(jìn)、出水口處的穩(wěn)流水箱連接，在與橫瀝河相通的3個(gè)進(jìn)、出口處，模擬了橫瀝河，以便進(jìn)行自流工況等的試驗(yàn)研究，同時(shí)采用循環(huán)水泵提供水動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)水流的循環(huán)流動(dòng)。管道布置圖具體見圖2。

圖2 管道布置圖

3.1.3 模型材料

根據(jù)模型相似準(zhǔn)則關(guān)于糙率相似的要求，據(jù)模型幾何比尺Lr來推求糙率系數(shù)的比尺，得到糙率比尺：nr=Lr1/6=1.809。由于常見河道的np在0.013～0.03之間[3]，根據(jù)換算后，模型相應(yīng)的糙率nm應(yīng)在0.0072～0.0166之間。模型制作中河道采用聚氨酯塑料板和抹光混凝土制作，糙率系數(shù)分別為0.0086和0.012在常見河道模型糙率范圍內(nèi)，因此能滿足相似要求。模型制作所用材料為：混凝土模擬水體邊界，聚氨酯塑料板模擬河底；角鋼、槽鋼、工字鋼等型材用來制作核心景觀結(jié)構(gòu)框架、測橋等。

3.2 量測方法和設(shè)備

（1）流量：模型流量采用超聲波流量計(jì)測定，超聲波流量計(jì)是通過檢測流體流動(dòng)時(shí)對(duì)超聲速（或超聲脈沖）的作用，以測量體積流量的儀表。該流量計(jì)的流量測試精度高于±0.5%[4]。流量計(jì)布置在6條進(jìn)、出水口管道上以及橫瀝河上，進(jìn)出口編號(hào)見圖3。

圖3 模型進(jìn)出口位置布置圖

（2）流態(tài)：采用專用懸浮粒子對(duì)湖區(qū)面層流態(tài)進(jìn)行觀察，湖區(qū)底層流態(tài)采用化學(xué)示蹤法顯示流場，通過該方法能較清楚地展示水體的回流和旋流等流態(tài)。

（3）流速：各個(gè)斷面的模型流速采用超聲波測速儀（小型StreamPro ADCP測速儀）[3]，可以確定典型工況下主要斷面的流速分布。

（4）水位：水位、水位差等采用水準(zhǔn)儀、鋼尺以及專用穩(wěn)壓差壓箱測定。

3.3 模型試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)工況的設(shè)計(jì)按照循序漸進(jìn)、逐步完善的原則進(jìn)行。水動(dòng)力試驗(yàn)研究工況分成自流工況、自流改進(jìn)工況、輔流工況和輔流改進(jìn)工況4個(gè)階段，逐步深入分析、比較景觀湖的流場分布情況，不斷調(diào)整改善景觀湖的水動(dòng)力，最終選擇出合理的人工景觀湖調(diào)水方案。

進(jìn)出水口在“?！弊种黧w水系中共有6個(gè)，根據(jù)提供的資料及工程換水水質(zhì)的實(shí)際需要，橫瀝河為景觀湖所在區(qū)域主要凈水水源，與景觀湖有3處水源相通（分別為Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)進(jìn)出水口），因而將這3處定為水源的主要進(jìn)水口；另3處定為水源的主要出水口，即與小橫瀝河相通處（即Ⅳ號(hào)進(jìn)出口），與趙涇相通的東云池及荷香潭兩處（即Ⅴ號(hào)、Ⅵ號(hào)進(jìn)出口），詳見圖3。試驗(yàn)中通過控制進(jìn)水流量，使水位差達(dá)到試驗(yàn)要求水位差進(jìn)行試驗(yàn)。

因此，根據(jù)各進(jìn)、出口的組合、流量、水深等情況，模型試驗(yàn)工況如下：

（4）輔流改進(jìn)工況

3.4 水動(dòng)力流態(tài)試驗(yàn)研究

水動(dòng)力流態(tài)試驗(yàn)分成自流工況、自流改進(jìn)工況、輔流工況和輔流改進(jìn)工況這4個(gè)工況進(jìn)行試驗(yàn)，逐步深入分析、比較景觀湖的流場分布情況，不斷調(diào)整改善景觀湖的水動(dòng)力。試驗(yàn)過程中的面層和底層流場情況可以準(zhǔn)確的在整個(gè)模型的定位坐標(biāo)上反映，通過人工記錄的方式對(duì)整個(gè)模型的流場進(jìn)行繪制，最終以電子圖形的形式準(zhǔn)確還原整個(gè)模型的流場情況。

3.4.1 自流工況試驗(yàn)

在歷年最高水位、歷年最低水位、常年平均水位這3種工況下進(jìn)行試驗(yàn)，2個(gè)進(jìn)出口位置的水位差較小，形成的動(dòng)力不足以克服邊界阻力形成水體流動(dòng)，無法通過自流實(shí)現(xiàn)水體自凈。

3.4.2 自流改進(jìn)工況試驗(yàn)

（1）自流改進(jìn)工況Ⅰ

自流改進(jìn)工況Ⅰ拆除對(duì)主體景觀影響微小的小島5、6，并改4號(hào)小島為直立坡進(jìn)行測試。在橫瀝河原型常水位▽P=2.58 m和歷年最低水位▽P=1.91 m，2個(gè)水位下的水位差較小，形成的動(dòng)力不足以克服邊界阻力形成水體流動(dòng)，無法通過自流實(shí)現(xiàn)水體自凈。

（2）自流改進(jìn)工況Ⅱ

局部抬高橫瀝河水位，適當(dāng)抬高“?！弊种饕M(jìn)出水口水位差（非橫瀝河水位差），以提升水流動(dòng)力。當(dāng)“?！弊种饕M(jìn)出水口Ⅰ號(hào)和Ⅳ號(hào)間模型水位差△Hm=0.0014 m時(shí)，即原型為△HP=0.05 m時(shí)，有可能通過自流實(shí)現(xiàn)水體自凈，但需提高主要進(jìn)出水口水位差，這會(huì)影響到橫瀝河上、下游的水位，現(xiàn)實(shí)中很難實(shí)現(xiàn)。

3.4.3 輔流工況試驗(yàn)

輔流工況試驗(yàn)是在6個(gè)進(jìn)出口中某位置設(shè)置泵站或其它水工建筑物來輔助人工景觀湖的水體流動(dòng)，從而達(dá)到水體凈化的目的。輔流工況試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，水位以橫瀝河常年平均水位▽P=2.58 m為主要試驗(yàn)水位，其它水位在工況優(yōu)化后再作比較；從試驗(yàn)方便觀測流態(tài)的角度出發(fā)，試驗(yàn)中擬定總輔流為Qm=30 m3/h左右，由此換算得原型輔流流量約為60 m3/s，流量取值大小可根據(jù)換水時(shí)間和泵站過流量關(guān)系試驗(yàn)研究結(jié)果而定。在此水位和流量條件下采用以下4個(gè)工況進(jìn)行試驗(yàn)。

（1）工況1：Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)分別為進(jìn)水口，其余3個(gè)為出水口。

（2）工況2：Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)分別位為進(jìn)水口，其余4個(gè)為出水口。

（3）工況3：Ⅰ號(hào)為進(jìn)水口，其余5個(gè)為出水口。

（4）工況4：Ⅱ號(hào)為進(jìn)水口，Ⅰ號(hào)關(guān)閉，其余為出水口。

試驗(yàn)結(jié)果表明：這4個(gè)工況的底層均為為靜水區(qū)或微速區(qū)，水動(dòng)力不能滿足要求，具體見圖4～圖7。

圖4 輔流工況1底層流態(tài)示意圖

圖5 輔流工況2底層流態(tài)示意圖

圖6 輔流工況3底層流態(tài)示意圖

圖7 輔流工況4底層流態(tài)示意圖

3.4.4 輔流工況改進(jìn)試驗(yàn)

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果得出最佳工況（輔流改進(jìn)工況6），水流動(dòng)力增強(qiáng)，流態(tài)進(jìn)一步改善，最終確定為人工景觀湖的最佳進(jìn)出口組合工況，具體見圖8～圖11。

3.5 換水時(shí)間和泵站流量關(guān)系的研究

在最佳工況（即輔流改進(jìn)工況6）下，我們進(jìn)行了換水時(shí)間和泵站流量關(guān)系的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)時(shí)，在Ⅱ號(hào)進(jìn)水口放置測試換水時(shí)間的專用浮子，并在浮子上逐一做標(biāo)記，用計(jì)時(shí)器跟蹤計(jì)時(shí)，通過改變流量的大小，測定不同換水流量下所需的換水時(shí)間。

圖8 輔流改進(jìn)工況1底層流態(tài)示意圖

圖9 輔流改進(jìn)工況2底層流態(tài)示意圖

圖10 輔流改進(jìn)工況3底層流態(tài)示意圖

圖11 輔流改進(jìn)工況4底層流態(tài)示意圖

圖12 輔流改進(jìn)工況5底層流態(tài)示意圖

圖13 輔流改進(jìn)工況6底層流態(tài)示意圖

經(jīng)過模型試驗(yàn)得出了不同換水流量下需要的換水時(shí)間，運(yùn)用流量比尺Qr==7247.198和時(shí)間比尺Tr==5.916進(jìn)行換算，得出了原型的換水時(shí)間和泵站過流量的關(guān)系，具體數(shù)據(jù)見表3。

輔流泵站規(guī)模的可以根據(jù)換水時(shí)間要求和經(jīng)濟(jì)效益綜合考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出更為經(jīng)濟(jì)合理的工程造價(jià)。

表3 換水時(shí)間和泵站流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

經(jīng)過數(shù)值分析和曲線的擬合，最終得出了原型的換水時(shí)間和泵站過流量的關(guān)系曲線，見圖14。換水時(shí)間和泵站過流量的關(guān)系用最小二乘法、三次樣條插值函數(shù)來擬合，得出關(guān)系公式：

（注：此公式在本模型試驗(yàn)條件下，可測試流量內(nèi)適用。）

舉例：當(dāng)原型泵站過水流量QP=57600 m3/h（即流量為16 m3/s）時(shí)，代入式（1）得：

Tp=-7×10-15×576003+6×10-9×576002-0.0016×57600+146.68

=73.089（h）≈ 3（d）

圖14 換水時(shí)間和泵站流量的關(guān)系曲線

4 結(jié)語

本文對(duì)遠(yuǎn)香湖的水體水動(dòng)力情況進(jìn)行物理模型試驗(yàn)研究，根據(jù)地形和水位情況提出多種不同的工況，并通過物理模型試驗(yàn)得出相應(yīng)的流態(tài)示意圖，并根據(jù)流場來選擇合理的人工景觀湖進(jìn)出口方案。文中人工景觀湖水動(dòng)力的研究方法和研究結(jié)果具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)人工景觀湖及同類型的其它工程也有重要的借鑒價(jià)值和良好的推廣應(yīng)用前景。