王 彬

（天津?yàn)I海旅游區(qū)投資控股有限公司，天津 300480）

天津市是資源型缺水城市，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水環(huán)境與社會(huì)發(fā)展的矛盾尤為突出。為科學(xué)有效地實(shí)現(xiàn)水量?jī)?yōu)化配置及水動(dòng)循環(huán)連通，學(xué)者進(jìn)行了大量模擬研究，其中建立DHI MIKE數(shù)學(xué)模型是水系循環(huán)模擬的一種方法。吳思等[1]、馮靜[2]、李昂澤[3]、李明[4]利用DHI MIKE軟件在武漢市典型雨水系統(tǒng)評(píng)估、海洋工程環(huán)境評(píng)價(jià)、內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，城市洪水模擬等方面進(jìn)行研究。本文在前人研究成果基礎(chǔ)上，建立模型，通過(guò)新建或改建水工構(gòu)筑物連通各獨(dú)立水體，實(shí)現(xiàn)水系的連通，達(dá)到區(qū)域內(nèi)部循環(huán)。

1 水系循環(huán)數(shù)值模擬建立

1.1 工程概況

中新天津生態(tài)城旅游區(qū)南部現(xiàn)狀水系主要有貝殼堤公園、中央大道東側(cè)水渠、生態(tài)公園一期、生態(tài)公園二期、南堤公園、河口公園、海堤公園等相對(duì)獨(dú)立、大小不一的水體，見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)狀水系

目前存在水系之間不連通，無(wú)補(bǔ)水來(lái)源及排澇出路等問(wèn)題。南部水系各公園水體、中央大道東側(cè)水系的連通，是區(qū)域水系功能發(fā)揮的基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)區(qū)域的水質(zhì)達(dá)標(biāo)，水系的排澇、循環(huán)功能是必要手段，其前提即水系的全面連通。打通中央大道東側(cè)水系各阻水節(jié)點(diǎn)，同時(shí)采用輸水管線連通各公園水體，使中央大道東側(cè)水系—生態(tài)公園一期—生態(tài)公園二期—南堤公園—河口公園—海堤公園—3號(hào)雨水泵站—貝殼堤公園成為環(huán)狀連通水系。為實(shí)現(xiàn)南部水系的連通，共涉及10個(gè)連通節(jié)點(diǎn)，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及路面下現(xiàn)有管線情況，確定節(jié)點(diǎn)形式及規(guī)模。見(jiàn)圖1。

圖1 水系布局及連通節(jié)點(diǎn)

1.2 數(shù)值模擬建立

正常情況下，除雨水補(bǔ)給外，南部水系缺少水源，水系水體流動(dòng)緩慢、交換能力不足，易使一些區(qū)域形成死水區(qū)。與正常河流相比，水流放緩使入流水體帶入的營(yíng)養(yǎng)鹽類大量集聚，造成水體營(yíng)養(yǎng)物超標(biāo)和藻類快速繁殖生長(zhǎng)，最終使水環(huán)境逐步惡化。為保證南部水系水體交換能力，利用現(xiàn)有3號(hào)雨水泵站作為提水循環(huán)泵站，形成內(nèi)部自循環(huán)。采用DHI（丹麥水力研究所）開(kāi)發(fā)的平面二維數(shù)學(xué)模型MIKE21進(jìn)行模擬計(jì)算[5～8]。

根據(jù)貝殼堤公園、生態(tài)公園、南堤公園施工圖和中央水系測(cè)繪斷面、概化管道及連通節(jié)點(diǎn)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，構(gòu)建南部水系地形圖。研究區(qū)域面積約429 hm2，模型構(gòu)建面積約107 hm2；網(wǎng)格尺度0.2～12 m，網(wǎng)格數(shù)量19 807個(gè)。見(jiàn)圖2。

圖2 南部水系地形

1）工況設(shè)置。循環(huán)水量的確定主要依據(jù)換水周期及流速，模擬歷時(shí)10 d。見(jiàn)表2。

表2 排澇工況設(shè)置

2）邊界設(shè)置。利用現(xiàn)有3號(hào)雨水泵站作為循環(huán)泵站，形成內(nèi)部水體自循環(huán)。遵循排澇泵站功能設(shè)置，循環(huán)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，見(jiàn)圖3。

圖3 循環(huán)方向

2 水循環(huán)模擬分析

2.1 對(duì)流擴(kuò)散情況

2.1.1 工況一

循環(huán)流量為1.0 m3/s，循環(huán)10 d后，水體交換仍不徹底。見(jiàn)圖4。

圖4 工況一對(duì)流擴(kuò)散

2.1.2 工況二

循環(huán)流量為2.4 m3/s，循環(huán)5 d后，水體交換比較徹底；10 d后，水體可整體交換一遍。見(jiàn)圖5。

圖5 工況二對(duì)流擴(kuò)散

2.1.3 工況三

循環(huán)流量為4.8 m3/s，循環(huán)5 d后，水體交換已徹底。見(jiàn)圖6。

圖6 工況三對(duì)流擴(kuò)散

2.2 換水周期

循環(huán)流量為1.0 m3/s時(shí)，大部分水體換水周期為8 d以上；循環(huán)流量為2.4 m3/s時(shí)，大部分水體換水周期為4～7 d；循環(huán)流量4.8 m3/s時(shí)，大部分水體換水周期為2～4 d。見(jiàn)圖7。

圖7 各工況下?lián)Q水周期

2.3 循環(huán)流速

3種循環(huán)流量下，河道各點(diǎn)位流速均處于低流速（流速＜10 cm/s）狀態(tài)；各工況流速平穩(wěn)。見(jiàn)圖8。

圖8 各工況下水體流速

3 結(jié)語(yǔ)

綜合換水周期和水體流速，初步確定南部水系循環(huán)方案為循環(huán)流量2.4 m3/s、3 d間隔運(yùn)行。此外，貝殼堤公園東北側(cè)水域循環(huán)線路長(zhǎng)、水體交換緩慢，建議在保證連通性的同時(shí)，通過(guò)推流、曝氣等措施加強(qiáng)換水能力。

模型的建立為中新生態(tài)城南部區(qū)域構(gòu)建區(qū)域協(xié)調(diào)、循環(huán)良好、水量保障、水質(zhì)改善的水生態(tài)系統(tǒng)提供了實(shí)質(zhì)性的技術(shù)支持，為相關(guān)研究提供新的借鑒方法，也為相關(guān)主管部門提供更好地管理依據(jù)。