王志超 施青松 李 興 李衛(wèi)平 楊文煥 于玲紅

定常風場和吞吐流對烏梁素海流場的影響*

王志超1施青松1李 興2李衛(wèi)平1①楊文煥1于玲紅1

(1. 內(nèi)蒙古科技大學能源與環(huán)境學院 包頭 014010; 2. 內(nèi)蒙古師范大學內(nèi)蒙古節(jié)水農(nóng)業(yè)工程研究中心 呼和浩特 010020)

風場和吞吐流是淺水湖泊運動的主要驅(qū)動力, 影響著湖區(qū)污染物的遷移轉(zhuǎn)化。基于二維非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格, 構(gòu)建了烏梁素海水動力模型。通過對比定常風作用下湖流的方向、環(huán)流的分布及形式與無風條件下的區(qū)別, 模擬不同算例吞吐流作用下湖區(qū)流速及環(huán)流結(jié)構(gòu)的差異, 探究了定常風和吞吐流對烏梁素海流場的影響。結(jié)果表明: 烏梁素海在無風條件下出現(xiàn)大面積的滯流區(qū); 風場會增加湖流的流速, 影響區(qū)域主要在西大灘區(qū)、東大灘區(qū)及湖區(qū)南部明水區(qū), 產(chǎn)生明顯環(huán)流, 風場是烏梁素海主要的驅(qū)動力; SSW與ENE向風場作用下, 典型區(qū)域產(chǎn)生的環(huán)流位置、形態(tài)結(jié)構(gòu)相近, 方向相反; 吞吐流量的增加會增大湖區(qū)整體流速, 對湖區(qū)流場形態(tài)、結(jié)構(gòu)影響較小; 定常風條件下, 吞吐流量的增加(一定范圍)會導(dǎo)致環(huán)流強度減弱。研究結(jié)果為烏梁素海營養(yǎng)鹽、污染物質(zhì)輸移規(guī)律研究奠定基礎(chǔ)。

烏梁素海; 定常風; 吞吐流; 水動力模擬

水動力過程對湖泊中物質(zhì)與能量的遷移轉(zhuǎn)化起到?jīng)Q定性作用, 是湖泊中污染物、泥沙等輸移的重要基礎(chǔ); 湖泊水動力特性主要與湖泊本身輪廓特征、吞吐流、風驅(qū)動力等物理參數(shù)有關(guān)(李一平等, 2012, 2014; Yao, 2019; Chen, 2020)。對于大型淺水湖泊而言, 風和吞吐流為其主要的驅(qū)動力, 風場會改變湖水的運動軌跡, 決定著湖泊的環(huán)流形態(tài)、結(jié)構(gòu)及湖流流速的大小, 影響物質(zhì)在水體中的遷移與擴散, 進而對湖泊水環(huán)境產(chǎn)生影響(姚靜等, 2016; Liu, 2019)。吞吐流也是湖水運動的主要驅(qū)動力之一, 它通過水體交換, 進而對湖泊營養(yǎng)鹽擴散與遷移、泥沙沖淤及湖水污染物濃度場的變化產(chǎn)生影響(Gao, 2015; 趙正文, 2018)。

在大型淺水湖泊水動力研究過程中, 對于湖泊的實時監(jiān)測不易實現(xiàn), 故數(shù)值模擬是研究湖泊水動力的重要手段之一。已有研究對湖泊水動力的數(shù)值模擬開展得比較深入: 如針對太原市迎澤湖的富營養(yǎng)化問題, 武春芳等(2014)通過調(diào)整補水方式、補水頻率、湖泊柔性結(jié)構(gòu)三方面, 提出改變水動力條件的方案并進行數(shù)值模擬, 結(jié)果表明: 通過加大湖泊的水力循環(huán)能力、改善入湖口水質(zhì)的控制方案可以有效改善水質(zhì); 鄱陽湖存在倒灌現(xiàn)象, 唐昌新等(2015)借助EFDC的染色劑模塊及水齡模塊模擬了鄱陽湖的全年水動力變化過程, 長江倒灌的條件是臨界來流大于實際總來流, 2008年鄱陽湖的倒灌入流擴散面積占全湖總面積的0.97%, 6.6%, 3.5%, 12.6%, 鄱陽湖水齡可由長江的頂托作用時間加倒灌水體瀉出時間估算; 北方湖泊冬季出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象, 陳友媛等(2012)針對這一現(xiàn)象在東昌湖水動力模型中引入了冰蓋因素, 分析六種風應(yīng)力拖拽系數(shù)對水動力的影響, 討論了冰蓋面積對水動力的影響, 發(fā)現(xiàn)覆蓋冰蓋的水域, 風應(yīng)力對水動力作用會被減弱甚至抵消。但上述研究通常將風場、吞吐流等物理參數(shù)作為次要影響因素, 對于風場、吞吐流與大型淺水湖泊流場的響應(yīng)關(guān)系鮮有研究。

烏梁素海是我國典型的大型淺水湖泊, 其南北長35—40 km, 東西寬5—10 km。湖區(qū)面積多年維持在293 km2, 庫容在2.5億—3億m3之間。湖區(qū)總體水深淺, 平均水深在0.8—1.5 m之間, 最大水深只有3 m左右。湖底高程變化不明顯, 南北方向呈現(xiàn)北高南低的趨勢, 淤泥層厚, 深水區(qū)多為主航道(李興, 2009; 田偉東等, 2016)。烏梁素海地處西風地帶, 風期較長, 風速較大, 年平均風速在2.5—3.4 m/s之間, 年最大風速18—40 m/s。同時烏梁素海也是河套灌區(qū)重要的組成部分, 是確保黃河內(nèi)蒙古段枯水期不斷流的重要調(diào)蓄補給庫, 承接河套灌區(qū)百分之九十以上的農(nóng)田灌溉排水、生活污水、工業(yè)廢水, 具有改善水質(zhì), 減少污染物質(zhì)對黃河水質(zhì)直接影響的作用(趙鎖志, 2013)。但由于水體流速緩慢、換水周期長、自凈能力差, 導(dǎo)致烏梁素海水環(huán)境受到了一定的影響(田偉東, 2016)。想要研究烏梁素海的水環(huán)境問題, 需要找到根本原因及關(guān)鍵影響因素。水動力特征與規(guī)律的研究對改善烏梁素海水環(huán)境問題具有重要意義, 精準地模擬和評估風場及吞吐流在湖區(qū)的影響形式, 對于湖泊水動力的研究尤為關(guān)鍵, 因此進一步開展烏梁素海水動力的模擬具有寶貴的實際應(yīng)用價值和科學價值。本文基于二維水動力模型, 設(shè)置定常風場和不同算例的吞吐流量, 模擬不同情況下的烏梁素海流場形態(tài), 分析風場及吞吐流對烏梁素海的主要影響區(qū)域、影響量級及流態(tài)響應(yīng)機制, 為研究烏梁素海污染物的遷移轉(zhuǎn)化等研究提供理論支撐。

1 研究方法及方案設(shè)計

1.1 模型控制方程

水動力模型遵循Navier-Stokes方程、Boussinesq假設(shè)和流體的靜定假設(shè)?；痉匠淌饺缦?

1.2 水動力模型建立

烏梁素海水動力模型的構(gòu)建首先需要制作網(wǎng)格文件, 插入湖底地形高程, 然后將網(wǎng)格文件導(dǎo)入水動力模塊, 同時輸入邊界條件、初始條件、相關(guān)參數(shù)等, 最后通過水動力模塊輸出結(jié)果得到模擬數(shù)據(jù)(如水位、水深、流速等)。數(shù)據(jù)的收集整理、模型的構(gòu)建均由作者完成。

1.2.1 計算區(qū)域和網(wǎng)格劃分 烏梁素海主要補給源為總排干渠、八排干渠、九排干渠、十排干渠, 其中總排干渠約占總補給量的88%, 湖水由烏毛計退水口排出。進出口位置、湖底高程如圖1所示。烏梁素海平均水深0.8—1.5 m, 相較于平面尺度很小, 故假設(shè)水體垂向摻混均勻, 選用垂向均勻的平面二維不可壓縮模型。烏梁素海每年11月初至翌年3月末為冰封期, 由于冰蓋作用, 風場對流場影響無需考慮, 故本模型的模擬時間為2018年4月1日—11月1日, 時間步長為3600 s。針對烏梁素海湖岸沿線蜿蜒曲折的特點, 選擇三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格, 三角網(wǎng)格劃分區(qū)域更加細致穩(wěn)定, 能夠更好地擬合地形和湖岸邊界。模型共布置網(wǎng)格單元12005個, 節(jié)點數(shù)為6643個, 網(wǎng)格尺寸最小為150 m, 最大為280 m, 平均尺寸為240 m。生成網(wǎng)格后, 將烏梁素海湖底的坐標及高程值制作成,,格式的文件(為橫坐標,為縱坐標,為高程值), 輸入到模擬軟件中, 生成水下地形圖。

圖1 烏梁素海湖底高程及監(jiān)測點位分布

1.2.2 定解條件 本次模擬的烏梁素海水動力模型上游入湖源匯項包括總排干渠、八排干渠、九排干渠、十排干渠, 下游出湖源匯項為烏梁素海烏毛計退水渠, 各源匯項流量數(shù)據(jù)分別為各排干渠及烏毛計退水渠2018年4月至10月逐日流量數(shù)據(jù)。根據(jù)《烏梁素海綜合治理規(guī)劃》, 到2020年, 烏梁素海水位控制在1018.8—1019.2 m, 故模型運行的初始水位取1019.2 m(水位值和湖底地形高程值都基于海平面)。烏梁素海位于干旱半干旱地區(qū), 太陽輻射強、蒸發(fā)量大、降雨量小、干濕期差異大, 精準的蒸發(fā)量和降雨量數(shù)據(jù)使模型更加穩(wěn)定, 降雨量和蒸發(fā)量數(shù)據(jù)采用氣象站2018年4月至10月每15 min一次的監(jiān)測數(shù)據(jù)。風場數(shù)據(jù)來源與時間區(qū)間同上。

1.2.3 參數(shù)設(shè)置 本模型主要率定的參數(shù)為糙率系數(shù), 糙率系數(shù)是水力學計算的關(guān)鍵參數(shù), 與水深、床面形態(tài)、植被條件等因素有關(guān)(吳喬楓等, 2018)。以蘆葦為主的多種挺水植物大量生長的區(qū)域面積和湖泊明水面積相間分布是烏梁素海主要特征之一, 水面有一半被蘆葦覆蓋, 所以糙率系數(shù)并不是單一的數(shù)值。本模擬將遙感影像圖在Arcgis中劃分為不同的區(qū)域類型, 勾勒出湖區(qū)現(xiàn)狀的各種區(qū)域的輪廓圖, 對蘆葦區(qū)、明水區(qū)、水道等分別定義, 設(shè)置不同的糙率系數(shù)(趙振興, 2013)。相對于比插值法, 這種方法更加準確地定義了湖區(qū)不同區(qū)域的糙率系數(shù), 更適用于烏梁素海的水文特征, 使模型更加精確。糙率系數(shù)值如表1所示。

表1 不同地形糙率系數(shù)及曼寧系數(shù)

Tab.1 Roughness and Manning coefficient of different terrain

1.2.4 模型的驗證 由于缺乏烏梁素海湖區(qū)實測數(shù)據(jù), 故采取人工監(jiān)測的手段。在湖區(qū)設(shè)置了12個監(jiān)測點位(Y1—Y12), 監(jiān)測頻率為每月3次, 監(jiān)測內(nèi)容為湖區(qū)12個點位的水深, 水深值采用SR-100型湖泊水深測深儀測量, 點位分布如圖1所示。為了減小湖泊水深值測定的結(jié)果因環(huán)境、儀器操作原因產(chǎn)生的誤差, 每個點位測量3次, 取平均值作為該點的實測水深值。本研究采用2018年4—10月湖內(nèi)12個樣點的實測數(shù)據(jù)和模型運行結(jié)果數(shù)據(jù)進行對比驗證, 結(jié)果表明: 各點位水深相對誤差均在±3%之內(nèi), 確定性系數(shù)和納什效率系數(shù)也均達到0.96以上。依據(jù)點位區(qū)域分布特點選取4個代表性點位, 分別為西大灘區(qū)Y2、東大灘區(qū)Y4、蘆葦區(qū)Y7、南部明水區(qū)Y11, 制作水深驗證圖(圖2)。

1.3 風場分析及模擬方案

風場數(shù)據(jù)采用位于壩頭村的烏梁素海湖泊濕地觀測研究站實測的2015—2018年逐日每15 min一次的風速、風向資料。烏梁素海湖區(qū)面積較大, 湖區(qū)不同位置風場存在差異, 但由于缺少多個監(jiān)測站的實測風場資料, 故本研究假定全湖風場在空間分布上一致。本文主要研究烏梁素海盛行風場對湖泊的水動力場影響, 故對于收集到的風場資料進行統(tǒng)計, 得到出現(xiàn)頻率較高的風向并同時計算出其對應(yīng)的平均風速, 模擬該風向、風速對湖泊水動力場的影響方式和差異。通過監(jiān)測站數(shù)據(jù)風玫瑰圖(圖3)可知, 烏梁素海4—10月以SSW向風場為主, ENE向風場次之, SSW向風場平均風速為2.46 m/s, ENE向風場平均風速為2.56 m/s, 故分別模擬2018年4月1日—11月1日期間無風、SSW向定常風、ENE向定常風3種情況下的水動力變化過程, 2種風向平均風速均取2.5 m/s。風場是影響湖泊水動力的主要因素, 湖泊水動力影響湖泊污染物的遷移、水質(zhì)的分布等。設(shè)置定常風場主要針對真實風場中出現(xiàn)的頻率較高的、作用時間較長的風場, 模擬得到烏梁素海湖區(qū)大部分時間流場的形態(tài)進行研究, 分析水動力對烏梁素海水質(zhì)分布的影響, 為烏梁素海的水質(zhì)研究提供一定的理論支撐。

1.4 水情分析及算例設(shè)計

根據(jù)2018年4—10月各排干渠數(shù)據(jù)(圖4)得到此期間進出口最大吞吐流量和最小吞吐流量。由于九、十排干渠吞吐流對湖區(qū)南部區(qū)域影響較小, 故主要研究吞吐流對總排干渠和八排干渠口附近區(qū)域的影響。為了對比不同吞吐流量作用下烏梁素海的水流特征, 研究吞吐流與風場2種驅(qū)動力的作用關(guān)系, 設(shè)計了以下4種算例進行模擬, 具體算例如下:

圖2 2018年4—10月水深驗證圖

圖3 2015—2018年風玫瑰圖

注: N: 北風; E: 東風; W: 西風; S: 南風

算例1: 總排干渠入湖流量為47.81 m3/s、八排干渠入湖流量為4.4 m3/s, 烏毛計退水渠出湖流量為49.82 m3/s, 無風;

算例2: 總排干渠入湖流量為16.6 m3/s、八排干渠入湖流量為0.7 m3/s, 烏毛計退水渠出湖流量為19.31 m3/s, 無風;

圖4 2018年烏梁素海進出口水量

算例3: 總排干渠入湖流量為16.6 m3/s、八排干渠入湖流量為0.7 m3/s, 烏毛計退水渠出湖流量為19.31 m3/s, 2.5 m/s的SSW向定常風場;

算例4: 總排干渠入湖流量為47.81 m3/s、八排干渠入湖流量為4.4 m3/s, 烏毛計退水渠出湖流量為49.82 m3/s, 2.5 m/s的SSW向定常風場。

2 結(jié)果與分析

2.1 風場對湖區(qū)流速的影響

為了分析風場對烏梁素海流速的影響, 將有風作用下的湖泊流場與無風條件的流速分布進行比較。在無風狀態(tài)下, 湖區(qū)流速分布不均勻, 西大灘區(qū)流速較大, 而南部湖區(qū)及北部小海子人工濕地水流幾乎靜止, 造成這種現(xiàn)象的主要原因是: 烏梁素海湖底地形整體地勢較為平坦(北高南低), 沒有大的湖底地形高程差, 不會因為高程差產(chǎn)生較大的流速; 總排干渠、八排干渠位于湖區(qū)的西部, 排干渠的水流進入湖體, 水量越大, 流速越大; 湖泊中部是蘆葦茂盛地區(qū), 蘆葦面積占25%以上, 水流經(jīng)過蘆葦區(qū), 流速衰減, 隨水流方向到達南部時, 流速衰減殆盡。北部小海子同樣是蘆葦茂密區(qū), 并且北部地勢略高于南部, 流速衰減更加明顯。由此可以看出, 單一的吞吐流無法滿足烏梁素海湖區(qū)良好的水動力條件, 風驅(qū)動力是烏梁素海流場的關(guān)鍵驅(qū)動力, 風場作用下, 大部分湖區(qū)流速增加, 湖區(qū)明水面出現(xiàn)多處環(huán)流, 蘆葦區(qū)的流速受風場影響較小。

2.2 定常風對湖區(qū)流場的影響

烏梁素海蘆葦區(qū)面積較大, 湖泊被蘆葦區(qū)分成了幾處明水區(qū)域。明水面由于沒有蘆葦遮擋, 出現(xiàn)了受風場影響明顯的環(huán)流區(qū)域。鑒于風場對湖區(qū)不同空間的影響形式和效果存在差異, 劃分出湖區(qū)風生流較為明顯的3處區(qū)域進行研究對比。圖5中A區(qū)域為西大灘區(qū), B區(qū)域為東大灘區(qū), C區(qū)域為南部湖區(qū)。定常風場作用下, 流場于2018年4月1日6:00便趨于穩(wěn)定狀態(tài), 流場形態(tài)基本不發(fā)生變化。八月相較于其他月份為豐水月, 模型中環(huán)流形態(tài)效果呈現(xiàn)更加明顯, 故選擇2018年8月1日10:00的瞬時流場作為典型流場進行分析。

A區(qū)域(圖6)位于湖區(qū)西部, 來自總排干渠、八排干渠的水流匯入該區(qū)域, 在無風條件下, 該區(qū)域流速受排干渠吞吐流影響相對較大, 水由排干渠口進入該區(qū)域?qū)е逻M口附近流速較大, 流速隨著水流方向遞減。在SSW風向作用下, 總排干渠進水口淺水區(qū)流向東南方向的水流受到影響, 改變了原本的流向, 向東北方向偏移, 與該區(qū)域遠離排干渠口的中心區(qū)域向西南方向的補償流形成小尺度順時針環(huán)流, 環(huán)流中心流速近乎為0 m/s。A區(qū)域東南方向靠近蘆葦帶的淺水區(qū)的水流也受到影響, 流向與風向一致, 流速較大, 超過0.01 m/s, 與中部區(qū)域的補償流及排干渠口附近的水流同時作用形成不規(guī)則的“幾”字型。在ENE向風場下, 入湖口附近的淺水區(qū)水流仍然受到風場的影響, 整體流向東南方向。東南部靠近蘆葦帶的淺水區(qū)域水流流向西南方向, 拉動中部形成補償流, 區(qū)域整體水流呈“S”型, 區(qū)域北部伴有小尺度逆時針環(huán)流。2種風向在A區(qū)域產(chǎn)生的環(huán)流形態(tài)呈中心對稱。

圖5 典型環(huán)流區(qū)域(A、B、C)劃分

水流從A區(qū)域流向B區(qū)域(圖7)主要通過連接2個區(qū)域的航道實現(xiàn), 航道內(nèi)部流速相較于蘆葦區(qū)較大, 在無風條件下, 由于蘆葦?shù)淖钃? 到達B區(qū)域后流速逐漸衰減, 水流到達B區(qū)域時東部時, 流速衰減為0 m/s, 出現(xiàn)大面積滯流區(qū)。在SSW向風場作用下, B區(qū)域東南方向淺水區(qū)域受到風向的影響, 沿著B區(qū)域東南部邊緣, 順著風向流向北部, 拉動中部深水區(qū)域形成逆時針環(huán)流; 西北部淺水區(qū)域水流也受到風場影響, 水流向北方, 與中心補償流同時作用, 形成2個順時針的環(huán)流; 相較于SSW向風場, ENE向風場下B區(qū)域流場變化更加復(fù)雜, 由于受到A區(qū)域東部水流的影響, 連接A與B區(qū)域航道水流流速要高于SSW向風場時的流速, B區(qū)域的西北部流場受到航道內(nèi)水流方向的影響, 大環(huán)流被分割, 形成了3個相近的小環(huán)流, 東南部由于水深較淺, 加之島嶼掩蔽作用影響, 形成順時針環(huán)流, 環(huán)流速度大于該區(qū)域其他環(huán)流。對比2種風向?qū)υ搮^(qū)域的影響, 風場對流場的作用形式相似, 方向相反。

圖6 A區(qū)域流場及環(huán)流示意圖

注: a: 無風; b: SSW向; c: ENE向

圖7 B區(qū)域流場及環(huán)流示意圖

注: a: 無風; b: SSW向; c: ENE向

C區(qū)域(圖8)是烏梁素海較大的明水面區(qū)域, 地形呈中間低四周高的趨勢, 無風條件下, 水流經(jīng)過湖區(qū)中部蘆葦區(qū)后, 流速極小, 近乎停滯。在SSW風場作用下, 東南部及西北部湖濱區(qū)沿湖岸方向流動, 由于空曠水面無蘆葦阻礙, 沿岸流速較大, 經(jīng)過中部蘆葦區(qū)的水流順著C區(qū)域北部的航道匯入中部補償流中, 形成了2個方向相反的大尺度環(huán)流, 西南部近岸區(qū)域水流受地形影響, 形成了小尺度逆時針環(huán)流。ENE風向?qū)υ搮^(qū)域影響形式與SSW風相類似, 同樣是東南部及西北部湖濱區(qū)流向變化帶動中心形成環(huán)流, 但由于東方向風向占主導(dǎo), 導(dǎo)致形成的環(huán)流形狀不規(guī)則, 面積較大, 流速較小。X點處由于蘆葦遮擋, 幾乎不受風場影響, 但是水流方向依然發(fā)生偏轉(zhuǎn), 導(dǎo)致西北部形成的環(huán)流區(qū)域遠小于東南部環(huán)流, 這說明湖泊的邊界形態(tài)也是改變水流方向的重要因素之一。

圖8 C區(qū)域流場及環(huán)流示意圖

注: a: 無風; b: SSW向; c: ENE向; 虛線框內(nèi)X點處: 蘆葦區(qū)域

2.3 吞吐流對湖區(qū)流場的影響

吞吐流是湖水運動的主要驅(qū)動力之一, 是影響湖泊水動力的關(guān)鍵因素, 吞吐流量的變化對湖區(qū)流場的影響也比較大(姜恒志等, 2013; 吳青, 2017)。在得到各算例的流速矢量圖(圖9)后, 對比算例1和算例2, 湖區(qū)在僅增大吞吐流量情況下, 湖區(qū)的水流形態(tài)基本未發(fā)生改變, 只是水流的速度發(fā)生變化, 吞吐流量增大, 湖區(qū)流速增加。對比分析算例2和算例3, 在湖區(qū)常規(guī)的吞吐流作用下, 加上定常風場驅(qū)動, 湖區(qū)的水流結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化, 這說明湖區(qū)的水流形態(tài)受風場的影響較大, 單一常規(guī)的吞吐流量不會使湖區(qū)形成環(huán)流; 對比算例3和算例4, 發(fā)現(xiàn)增加了吞吐流量后, 湖區(qū)整體流速增大, 除了A區(qū)域靠近總排干渠口處的環(huán)流形狀受到輕微影響, 大部分環(huán)流區(qū)域位置及環(huán)流形狀不發(fā)生改變, 但環(huán)流的強度隨著吞吐流量的增加而減弱。這說明在吞吐流量增大過程中, 吞吐流驅(qū)動力制約了風生流驅(qū)動力, 導(dǎo)致環(huán)流強度減弱。

3 討論

本文利用相關(guān)資料和數(shù)據(jù)建立了烏梁素海水動力模型, 針對烏梁素海湖區(qū)出現(xiàn)的高頻率風向, 模擬得到烏梁素海定常風作用下湖區(qū)的流速變化、環(huán)流的特點、形態(tài)等, 同時研究了不同算例下流場形態(tài)與流速的變化情況。定常風場對于湖區(qū)流場作用的形式是單一的, 然而真實的風向、風速是隨時間空間持續(xù)變化的, 并非如假設(shè)情況是一成不變的, 故實際的流場也是復(fù)雜多變的。通過實際風場作用與假設(shè)的定常風場作用下的流場形態(tài)進行對比可以得出: 隨著時間推移、風場及吞吐流的變化, 實際流場的運動主要影響因子是風場, 吞吐流對湖泊的流場影響相對較小。本研究涉及的SSW、ENE定常風場下的流場形態(tài)只是實際情況中出現(xiàn)的風向中的2種, 烏梁素海在不同風場(實際風場)轉(zhuǎn)換過程中, 沒有因為風場的轉(zhuǎn)換而影響流場產(chǎn)生特殊的變化(即不同的風場在穩(wěn)定狀態(tài)下會對應(yīng)特定的流場形態(tài))。實際流場的研究基本可以認為是不同時刻的風場對湖泊流場的影響研究。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是烏梁素海湖底地形平坦, 吞吐流量變化小, 即便是豐水期, 吞吐流量也不會有較大的變化, 不會影響湖區(qū)環(huán)流的位置, 形態(tài)等。已有研究表明(韓龍喜等, 2011), 湖泊風生流過程分為3個階段, 為湖水流向與風向基本一致階段、流向逐漸偏離風向的過渡階段、形成環(huán)流的穩(wěn)定階段, 風場的持續(xù)時間也會對湖泊流場造成影響, 但是本文側(cè)重研究特定風向、吞吐流量對湖流瞬時流態(tài)的影響, 極端情況下的風速和吞吐流量對流場的影響以及風場持續(xù)時間對流場的的影響本研究沒有涉及到。

圖9 各算例流速矢量分布圖

注: a: 算例1; b: 算例2; c: 算例3; d: 算例4

以往類似風場和吞吐流對湖泊流場影響研究也有很多, 如韓龍喜(2011)對高鹽度艾比湖進行三維的風流數(shù)值模擬, 結(jié)果表明艾比湖沿岸水深較淺的水體受風應(yīng)力的影響較大, 湖水流向與風向基本相同, 然而水深較大的區(qū)域容易形成與風向相反的補償流。姚靜(2016)模擬了無風、NE和SSW 3種定常風向情景下的鄱陽湖水動力模型, 結(jié)果顯示同一風場作用下, 不同湖區(qū)的環(huán)流結(jié)構(gòu)、影響形式、持續(xù)時間也不盡相同, NE向風場和SSW向風場產(chǎn)生的環(huán)流位置相近, 尺寸相近, 但是方向相反。在對狹長型雁鳴湖水動力模擬過程中, 趙正文等(2018)設(shè)置了幾種吞吐流量來研究湖區(qū)流場的變化, 發(fā)現(xiàn)隨著流量的增加, 湖區(qū)環(huán)流位置區(qū)域和形狀變化不大, 流速大幅度增加, 但是環(huán)流的強度減弱。

本文結(jié)論與以上研究結(jié)論相類似, 即流場的方向受風場方向的影響較大, 同一區(qū)域不同風向會產(chǎn)生不同的流場形態(tài), 空間分布不同的區(qū)域在同一風場作用下也有較大的差異, 湖區(qū)淺水區(qū)域最易受到風場的影響, 一般與風向一致, 湖中心深處往往形成流速較大但與風向相反的補償流, 最終形成穩(wěn)定的環(huán)流區(qū)域。隨著吞吐流量增加, 湖區(qū)的流速增加, 不會改變環(huán)流的位置, 只有局部區(qū)域(排干渠口附近)的環(huán)流形態(tài)發(fā)生微小變化, 但由于吞吐量流量的增加, 增強了吞吐流的驅(qū)動力, 制約了風驅(qū)動力, 導(dǎo)致環(huán)流強度減弱。張亞(2014)模擬了4種入庫工況下水庫的水流特征, 結(jié)果表明隨著吞吐流量增加至極端量, 流場逐漸由受風生流控制轉(zhuǎn)變?yōu)橥掏铝骺刂? 與吞吐流方向一致的區(qū)域流速得到加強, 方向不同的區(qū)域流速先減小后增加。本研究僅模擬了普通算例吞吐流作用下的水流形態(tài), 并未出現(xiàn)受吞吐流影響較大的區(qū)域, 但可以推測, 吞吐流量足夠大時, 吞吐流作用會完全取代風生流作用, 極端情況下的流場形態(tài)會進行進一步研究。

風驅(qū)動力通過改變湖區(qū)環(huán)流形態(tài), 從而導(dǎo)致污染物在局部區(qū)域富集(Ishikawa, 2002; 周健等, 2018; Liu, 2019)。吞吐流通過水體交換, 進而完成湖泊污染物質(zhì)的擴散、遷移(姜恒志等, 2013)。蔣鑫艷(2019)等分析了2014—2017年烏梁素海冰封期和非冰封期營養(yǎng)鹽的時空分布特征, 得到湖區(qū)中部葉綠素含量對全湖貢獻最大的結(jié)論, 葉綠素富集區(qū)域與本文A、B區(qū)域基本一致; 李興(2011)等分析了烏梁素海水體總氮、總磷、葉綠素、化學需氧量等的時空分布, 其中排干渠口附近總氮、總磷含量較高, 葉綠素集中分布在湖區(qū)中部西大灘和東大灘區(qū), 這些污染物富集區(qū)域基本與本文環(huán)流區(qū)域位置高度吻合。以上研究結(jié)果表明本文得到的環(huán)流區(qū)域的分布是合理的, 從水動力學角度解釋了污染物空間分布的規(guī)律。烏梁素海風生流及吞吐流對湖區(qū)流場影響的研究為污染物富集的成因提供有力的理論支撐, 有關(guān)于烏梁素海水質(zhì)方面的數(shù)值模擬會在接下來的研究中進行。

4 結(jié)論

本文基于二維水動力模型, 模擬了烏梁素海在定常風作用下湖區(qū)的流場形態(tài), 并對不同算例下吞吐流量對湖區(qū)流場的差異展開了對比分析, 主要的結(jié)論如下:

1)烏梁素海在無風狀態(tài)下時, 湖區(qū)流速較小, 出現(xiàn)大面積滯流區(qū), 單一的吞吐流無法滿足烏梁素海水動力條件, 風驅(qū)動力才是主要驅(qū)動力;

2)SSW、ENE向2種風場作用下, A區(qū)域?qū)?yīng)環(huán)流形態(tài)呈中心對稱, B、C區(qū)域?qū)?yīng)的環(huán)流位置、形態(tài)結(jié)構(gòu)相似, 但方向相反。淺水湖區(qū)最易受到風的影響, 產(chǎn)生與風向相同的水流, 深水區(qū)形成與風向相反的補償流。

3)吞吐流量的增加會增大湖區(qū)整體流速。定常風場作用下, A區(qū)域由于受到總排干渠的影響, 環(huán)流形態(tài)隨流量增加發(fā)生微小變化, 風生流受到吞吐流影響, 環(huán)流強度隨流量增加而減弱。

4)風生流、吞吐流作用下會促使營養(yǎng)鹽在局部區(qū)域富集, 研究烏梁素海營養(yǎng)鹽空間分布時, 需要考慮風生流及吞吐流作用。

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THE INFLUENCES OF UNIFORM WIND AND THROUGHPUT FLOW ON THE FLOW FIELD OF WULIANGSU LAKE

WANG Zhi-Chao1, SHI Qing-Song1, LI Xing2, LI Wei-Ping1, YANG Wen-Huan1, YU Ling-Hong1

(1. School of Energy and Environment, Inner Mongolia University of Science &Technology, Baotou 014010, China; 2. Inner Mongolia Water Saving Agricultural Engineering Research Center of Inner Mongolia Normal University, Huhehaote 010020, China)

Wind field and throughput flow are the main driving forces of the shallow lake motion, which affect the migration and transformation of pollutants in the lake. In this study, a hydrodynamic model of the Wuliangsu Lake is constructed based on a two-dimensional unstructured grid. The effects of uniform wind and throughput flow on the flow field of the Wuliangsu Lake are investigated by comparing the direction, distribution and form of the lake flow under the effect of uniform wind with those under the condition of no wind, and simulating the differences of flow velocity and circulation structure in the lake area under the effect of throughput flow in different cases. The results show that the wind field increases the flow velocity of the lake, and the influence area is mainly in the west beach area, the east beach area and the bright water area in the south of the lake, producing obvious circulation, and the wind field is the main driving force of the Wuliangsu Lake; the location and morphological structure of the circulation produced in typical areas under the action of the wind field in SSW and ENE are similar, and the direction is opposite; the increase of the throughput flow will increase the overall flow velocity in the lake area, which has less influence on the flow field morphology and structure in the lake area; under the uniform wind conditions, the increase of throughput flow (in a certain range) will lead to the weakening of the circulation intensity. The results of the study lay the foundation for the study of nutrient and pollutant transport patterns in the Wuliangsu Lake.

Wuliangsu Lake; uniform wind; throughput flow; hydrodynamic simulation

* 國家重點研發(fā)計劃項目, 2019YFC0409204號; 內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計劃項目, 2020GG0208號; 內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金項目, 2019BS05004號, 2020MS02017號, 2020LH02008號。王志超, 碩士生導(dǎo)師, E-mail: wzc5658@126.com

李衛(wèi)平, 碩士生導(dǎo)師, 教授, E-mail: sjlwp@163.com

2020-10-12,

2021-01-22

X143

10.11693/hyhz20201000279