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        引水方案對(duì)人工湖內(nèi)換水率影響的數(shù)值模擬

        2019-10-21 19:42:29馮丹田淳吳月勇
        人民黃河 2019年5期
        關(guān)鍵詞:人工湖數(shù)值模擬

        馮丹 田淳 吳月勇

        摘要:針對(duì)缺水城市人工湖富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題,以引水口數(shù)量、位置和引水方式為研究要素,采用MIKE21軟件對(duì)青海省海東市湟水河治理工程樂(lè)都主城段南側(cè)人工湖10種引水方案的引水效果進(jìn)行數(shù)值模擬,分析對(duì)比了不同引水方案下水體的換水率,以尋求最佳引水方案。結(jié)果表明:主引水口位置應(yīng)設(shè)置在離出水口較遠(yuǎn)的地方:當(dāng)引水流量一定時(shí),相較于單一引水口補(bǔ)水方案,多引水口交錯(cuò)補(bǔ)水的方案引水效果較好,其平均換水率和最小換水率均有顯著提高,水體流動(dòng)情況較好,循環(huán)程度較高。

        關(guān)鍵詞:人工湖;引水方案;換水率;數(shù)值模擬

        中圖分類號(hào):TV133.2

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        doi:10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.05 .016

        人工湖作為城市的景觀水體,不僅可以改善城市水環(huán)境,而且可以為大眾提供良好的游憩場(chǎng)所,對(duì)提升城市環(huán)境和居民生活的舒適度具有重要意義。近年來(lái),隨著“生態(tài)城市”[1]概念深入人心以及人們對(duì)更好環(huán)境質(zhì)量的需求,越來(lái)越多的城市修建了人工湖,但是在修建人工湖的過(guò)程中,注重點(diǎn)往往在于人工湖的“形態(tài)”,而忽略了人工湖的水流條件,以及對(duì)流態(tài)的科學(xué)調(diào)控,導(dǎo)致很多人工湖出現(xiàn)不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化,不僅沒(méi)有達(dá)到改善城市水環(huán)境的目的,而且造成了新的污染,與修建人工湖的初衷背道而馳。部分學(xué)者開(kāi)始注意到這個(gè)問(wèn)題并展開(kāi)了這方面的研究.Jia Y F等[2]采用有限元法建立了深度平均的平面二維水動(dòng)力一水質(zhì)模型,考慮氮、磷、溶解氧等多個(gè)水質(zhì)變量之間的互相轉(zhuǎn)化及遷移,并將該模型應(yīng)用于淺牛扼湖的水質(zhì)變化研究中:馬骎等[3]以某住宅小區(qū)人工湖為例,建立二維水動(dòng)力模型,模擬了多工況下人工湖流速分布情況,研究表明湖中存在“死角”,并提出了改進(jìn)方案;余成等[4]以武漢東湖為例,模擬了4種補(bǔ)水工況,結(jié)果表明在設(shè)置兩個(gè)補(bǔ)水口以及考慮風(fēng)速影響的情況下,東湖水體中TN、TP濃度分布最均勻;郭鵬程等[5]采用水動(dòng)力模型模擬計(jì)算了不同方案下北川河生態(tài)河道10#生態(tài)湖的流場(chǎng)及水體交換情況,結(jié)果表明在湖體西北部新開(kāi)一個(gè)引水口,既能大幅度改善湖體水環(huán)境質(zhì)量,又能減少調(diào)水時(shí)間并節(jié)約水量。這些研究大多是針對(duì)人工湖水源相對(duì)豐富的地區(qū),對(duì)于缺水城市人工湖運(yùn)行方式的研究尚顯不足。缺水城市人工湖缺少與天然水體的連通,來(lái)水(補(bǔ)水)流量受限,再加上湖體形態(tài)復(fù)雜,水體流動(dòng)性差,不利于污染物的稀釋與擴(kuò)散[6]。本文利用MIKE21軟件包中的FlowModel FM模塊建立數(shù)學(xué)模型,對(duì)青海省海東市湟水河治理工程樂(lè)都主城段南側(cè)人工湖的引水方式進(jìn)行優(yōu)化分析,確定最佳引水方式,以期為具有相似問(wèn)題的人工湖建設(shè)提供借鑒。

        1 數(shù)學(xué)模型原理

        1.1 水動(dòng)力模型

        水動(dòng)力模型是基于求解沿水深積分的二維不可壓縮雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程和連續(xù)方程建立的,并服從Boussinesq假定和靜水壓力假定。模型控制方程:

        2 模型應(yīng)用

        2.1 研究區(qū)概況

        青海省屬于半干旱大陸性氣候區(qū),具有高寒干旱、蒸發(fā)量大等特點(diǎn)。年平均氣溫6.9℃,降水量為319.2-531.9 mm,蒸發(fā)能力為1 275.6-1 861.0 mm。研究區(qū)人工湖位于海東市湟水河(黃河一級(jí)支流)東大橋與水磨營(yíng)大橋之間堤防的南側(cè),東西長(zhǎng)約460 m.南北寬約380 m.湖面總面積約11萬(wàn)m2,人工湖容積15.6萬(wàn)m3,平均水深2m,水面高程1969 m,湖底高程1966 m。由于湟水河含沙量較大,水體黃濁,因此不宜作為湖區(qū)主水源,僅作為應(yīng)急備用水源。主水源為湖區(qū)南側(cè)水質(zhì)較好的一條天然溝道崗子溝,受崗子溝水源水量分配限制,供水量為5 200 m3/d,通過(guò)管道向湖區(qū)供水,湖區(qū)出水排至湟水河,湖區(qū)內(nèi)設(shè)有10座島嶼,因此內(nèi)部形態(tài)不規(guī)則,水流流態(tài)復(fù)雜。

        2.2 網(wǎng)格地形圖

        該人工湖湖深較淺,最大深度為3m,湖面面積約11萬(wàn)m2,水域垂向尺寸遠(yuǎn)小于水平尺寸,因此采用二維水動(dòng)力一水質(zhì)耦合數(shù)值模擬模型。由于人工湖圍堤邊界和湖內(nèi)水系較復(fù)雜,對(duì)網(wǎng)格精度要求較高,因此采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分計(jì)算水域,共劃分了3 333個(gè)網(wǎng)格,人工湖網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。

        2.3 模型參數(shù)設(shè)置

        該人工湖正常蓄水位為1 969 m,引水量為5 200m2/d.即0.06 m2/s。由于人工湖受到的污染一般為有機(jī)污染,因此在水體交換模擬時(shí)COD為污染控制因子[7]。模型中將初始條件設(shè)置為固定水位1 969 m,湖區(qū)初始COD濃度為40 mg/L。邊界條件設(shè)置為進(jìn)、出口流量0.06 m2/s。進(jìn)水口采用點(diǎn)源的方式設(shè)置,依據(jù)實(shí)測(cè)資料,引水水源處COD濃度為30 mg/L,將其作為進(jìn)口控制條件。出水口將湖區(qū)水體自然出流作為出口控制條件,根據(jù)不同的引水方案給各進(jìn)水口分配不同的進(jìn)水流量。模型輸出結(jié)果為水體中COD的濃度,通過(guò)水體中COD濃度變化來(lái)反映湖區(qū)水體置換率,間接反映引水效果。計(jì)算中,湖區(qū)水體COD濃度始終為30 - 40 mg/L,濃度越接近30 mg/L,說(shuō)明該處水體置換率越高。在此特引入無(wú)量綱換水率的概念來(lái)表示湖區(qū)水體置換情況,采用湖區(qū)初始COD濃度與某時(shí)刻模型計(jì)算COD濃度的差值比上湖區(qū)初始COD濃度與引水COD濃度的差值來(lái)表示換水率。據(jù)此可以得出湖區(qū)各點(diǎn)的換水率,換水率越大,表示該處水體流動(dòng)情況越好,水體循環(huán)程度高。

        3 計(jì)算結(jié)果

        3.1 方案的制定

        結(jié)合該人工湖的引水周期和進(jìn)口布置形式,在不考慮沿程損耗的情況下,假定每天將5 200 m2的水全部注入人工湖,擬定以下7種引水方案??紤]到湖區(qū)的地形條件和周?chē)泳W(wǎng)分布情況,出水口只能在圖1中的位置。方案一、二、三均為單口進(jìn)水;方案四、五、六為雙口進(jìn)水,2個(gè)進(jìn)水口平分進(jìn)水流量:方案七為3個(gè)進(jìn)水口同時(shí)進(jìn)水,3個(gè)進(jìn)水口平分進(jìn)水流量。具體引水方案見(jiàn)表1。

        3.2 計(jì)算結(jié)果分析

        引水30 d后,對(duì)換水周期末時(shí)刻湖區(qū)內(nèi)所有位置的COD濃度進(jìn)行提取,計(jì)算換水率,各方案湖區(qū)換水率見(jiàn)表2。

        從表2可以看出,在連續(xù)引水一個(gè)月后,方案一、方案二、方案四的最小換水率為0,這說(shuō)明湖區(qū)存在水體流動(dòng)性較差甚至是完全不流動(dòng)的“死角”,由此得出,不宜采用進(jìn)口1單獨(dú)進(jìn)水、進(jìn)口2單獨(dú)進(jìn)水、進(jìn)口1與進(jìn)口2同時(shí)進(jìn)水的方案。其余4種方案中,方案三、方案五的平均換水率較大,表明采用進(jìn)口3單獨(dú)進(jìn)水或者進(jìn)口2與進(jìn)口3同時(shí)進(jìn)水的方案較優(yōu)。但表2只列出了湖區(qū)換水率的統(tǒng)計(jì)值,并不能反映湖區(qū)換水率的分布情況。一個(gè)換水周期(30 d)后,各方案湖區(qū)換水率分布情況見(jiàn)圖2-圖8.圖中單位區(qū)域換水率越高,表示該區(qū)域水質(zhì)條件越好。

        方案一在湖區(qū)西部、南部均會(huì)出現(xiàn)大面積的湖體死角;方案二、方案四則會(huì)在西北處出現(xiàn)湖體死角,主要集中在1#島、2#島、10#島的西側(cè)。主要原因是,進(jìn)口1和進(jìn)口2的位置布置不合理,離出水口較近,再加上湖中島嶼對(duì)水流的阻礙作用,補(bǔ)充水流到達(dá)出水口時(shí),直接從出水口流出,難以到達(dá)人工湖的最西側(cè),人工湖西側(cè)水體交換能力差,水質(zhì)得不到保障。由此可見(jiàn),進(jìn)水口不可離出水口太近,這樣不利于湖區(qū)水體循環(huán)。其余4種方案使用了離出水口較遠(yuǎn)的進(jìn)口3,從圖中可以看出這4種方案有效減少了引水過(guò)程中的湖體“死角”現(xiàn)象。方案七雖然利用多個(gè)分散進(jìn)水口來(lái)引水,但仍不是較優(yōu)方案,由圖8可以看出,在3#島西側(cè)的湖心處換水率最低。原因是,3#島西側(cè)存在內(nèi)凹的岬角,進(jìn)口2、進(jìn)口3流入的水體會(huì)形成對(duì)流,在湖心地帶形成一條低換水率的狹長(zhǎng)帶,一直延伸至3#島西側(cè);平均進(jìn)水的方式分散了每個(gè)進(jìn)水口的流量,使得各進(jìn)水口的作用范圍和作用強(qiáng)度減小。此外,方案三也有明顯不足,由圖4可以看出,8#島南側(cè)、6#島附近水域,即模型東南角換水率較低,這些區(qū)域水體循環(huán)相對(duì)較差,原因是進(jìn)口3位于湖區(qū)西北角,距離出水口較遠(yuǎn),可以保證湖區(qū)大部分水體有較好的流動(dòng)性,但無(wú)法保證距離進(jìn)口3較遠(yuǎn)處及被3#島左側(cè)遮蔽處水體的流動(dòng)性。

        綜上所述,進(jìn)水口不能距離出水口太近,不然會(huì)出現(xiàn)換水“死角”:?jiǎn)蝹€(gè)進(jìn)水口方案即使距離出口較遠(yuǎn),在湖區(qū)島嶼地形復(fù)雜時(shí)也難以保證整個(gè)湖區(qū)水體循環(huán)良好,因此采取多個(gè)進(jìn)水口方案是十分必要的。

        3.3 方案比選

        3.3.1 進(jìn)水口位置優(yōu)化

        在上述幾種方案中,進(jìn)口2位置布置得不合理,進(jìn)口2并不能發(fā)揮較好的引水效果,進(jìn)口2距離9#島太近,9#島的存在,會(huì)對(duì)引水來(lái)流產(chǎn)生頂托作用,產(chǎn)生局部旋滾,水流流速降低,這使得引入的水體難以到達(dá)湖區(qū)北部。為了發(fā)揮進(jìn)口2的作用,應(yīng)將其位置適當(dāng)北移,可以放置在9#島、10#島之間,且引水時(shí)最好與進(jìn)口3的引水時(shí)間錯(cuò)開(kāi)。進(jìn)口2位置調(diào)整后,方案二湖區(qū)換水率分布(連續(xù)引水30 d)見(jiàn)圖9。進(jìn)口2位置調(diào)整后,方案二的湖區(qū)換水率大大提高,湖區(qū)最大換水率為84.30%,平均換水率為72.30%.最小換水率為25.91%。湖區(qū)北部的“死角”已基本消除,但湖區(qū)西北角和東南角距離進(jìn)口2較遠(yuǎn),換水率較其他區(qū)域水體稍低??偟膩?lái)說(shuō),進(jìn)口2的位置調(diào)整后對(duì)湖區(qū)引水效果有較好的改善作用。

        3.3.2 進(jìn)水形式優(yōu)化

        由方案一至方案七的分析結(jié)果可知,人工湖采用多口進(jìn)水方案比較合適,且應(yīng)區(qū)分主次進(jìn)水口,引水時(shí)應(yīng)以進(jìn)口2或進(jìn)口3為主。因此,在上述方案的基礎(chǔ)上提出了方案八、方案九和方案十,其中方案八、方案九以進(jìn)口3為主,方案十以進(jìn)口2為主,見(jiàn)表3。新增引水方案換水率見(jiàn)表4。

        由圖10和圖11可知,采取多引水口交錯(cuò)補(bǔ)水的方式,湖區(qū)水體的換水率均有顯著提高。方案八與方案九雖然均以進(jìn)口3為主進(jìn)水口,但方案九湖區(qū)局部區(qū)域換水率較低。這再一次說(shuō)明在進(jìn)行多口引水時(shí),不宜采用分散進(jìn)水的方式,這樣會(huì)使單個(gè)進(jìn)水口的引水流量降低,水流流速減小,新舊水體之間的混摻作用減弱,換水效果變差,換水作用范圍減小,不利于局部區(qū)域“死角”的消除。對(duì)比圖10與圖12,方案八與方案十的換水率分布較為均勻,引水效果較優(yōu)。但相較方案八,方案十的平均換水率更高,且最小換水率提升較大,故方案十相較方案八為更優(yōu)換水方案,再次說(shuō)明在引水時(shí)應(yīng)該以進(jìn)口2或者進(jìn)口3為主引水口,并采用多引水口交錯(cuò)引水的方式。

        4 結(jié)論

        基于MIKE21軟件對(duì)湟水河治理工程樂(lè)都主城段南側(cè)人工湖進(jìn)行二維水動(dòng)力一水質(zhì)數(shù)值模擬,綜合考慮進(jìn)水口數(shù)量、位置以及不同引水方式等因素,模擬了10種不同的引水方案,經(jīng)分析,在換水過(guò)程中根據(jù)人工湖的形態(tài)制定主次進(jìn)水口,并科學(xué)確定各進(jìn)水口的進(jìn)水時(shí)間的方案,即方案十為較優(yōu)方案,湖區(qū)內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)湖體“死角”,且整個(gè)湖區(qū)內(nèi)的換水率較高,對(duì)水質(zhì)改善效果較好。

        在供水流量一定的情況,相較于多個(gè)進(jìn)水口同時(shí)補(bǔ)水,多進(jìn)水口交錯(cuò)補(bǔ)水的方式,會(huì)使引水的流速明顯增大,較大的水流流速會(huì)增強(qiáng)新舊水體之間的混摻作用,換水效果顯著提高,換水的湖區(qū)面積明顯擴(kuò)大。當(dāng)湖區(qū)島嶼較多、地形條件復(fù)雜時(shí),為保證整個(gè)湖區(qū)內(nèi)水體循環(huán)良好,在總的引水規(guī)模不變時(shí),出水口與進(jìn)水口的連線應(yīng)盡可能貫通整個(gè)湖面,并且進(jìn)水口和出水口最好不要正對(duì)島嶼,這種布置能夠?qū)λ鞯臄U(kuò)散起到積極作用,在一定程度上提高人工湖的引水效率。

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