陳 翔

（1.上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434；2.三峽智慧水務(wù)科技有限公司，上海 200335）

1 概況

滴水湖位于上海蘆潮港東面， 是目前國(guó)內(nèi)在尚未成陸的海灘上開(kāi)挖的最大人工湖，湖面呈圓形，總面積5.56km2， 平均水深3.7m， 湖區(qū)容量可達(dá)1200～1600萬(wàn)m3［1］。 它是上海地區(qū)重點(diǎn)建設(shè)的人工景觀湖，更是臨港新城水系核心和生態(tài)調(diào)整中心， 承擔(dān)著臨港新城防汛排澇、水體置換等功能，同時(shí)對(duì)塑造城市生態(tài)景觀、優(yōu)化區(qū)域小氣候具有重要作用。 然而，自2003年10月開(kāi)始蓄水以來(lái)， 其水質(zhì)一直不容樂(lè)觀，2006—2008年連續(xù)3年湖水年平均富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)均超過(guò)70，透明度呈逐年下降趨勢(shì)［2］。

大量研究表明， 水動(dòng)力是影響污染物輸移、擴(kuò)散、降解的重要因素，與水環(huán)境質(zhì)量息息相關(guān)［3-4］，在實(shí)際中，水利調(diào)度也是滴水湖水質(zhì)維護(hù)的重要手段。據(jù)2015—2016年滴水湖冬、 夏兩季定點(diǎn)水文觀測(cè)結(jié)果，滴水湖水體流速基本小于0.1m/s，總體上水動(dòng)力較弱，在空間分布上流速差異也較大。因而通過(guò)改善滴水湖水動(dòng)力條件提升滴水湖水環(huán)境質(zhì)量是一個(gè)重要方向。目前，對(duì)滴水湖水環(huán)境研究主要在水生態(tài)水質(zhì)監(jiān)測(cè)評(píng)估等方面， 對(duì)其水動(dòng)力特征尤其是存在問(wèn)題等方面研究較少，對(duì)水動(dòng)力改善研究也相對(duì)薄弱。通過(guò)建立滴水湖三維水動(dòng)力模型， 全面深入分析滴水湖水動(dòng)力存在問(wèn)題， 針對(duì)性地提出水動(dòng)力改善措施，并研究各項(xiàng)措施對(duì)滴水湖水動(dòng)力改善效果，為滴水湖水環(huán)境治理提供指導(dǎo)。

2 三維水動(dòng)力模型構(gòu)建

2.1 基本方程

假設(shè)流體不可壓， 垂直方向上服從靜水壓強(qiáng)分布，采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，X軸和Y軸位于水平面，X軸向東為正，Y軸向北為正，Z軸向下為正， 則三維湖泊水動(dòng)力方程［5］為：

式中 u，v，w分別為X，Y，Z方向的流速分量（m/s）；g為重力加速度（m/s2）；P為水壓（N/m2）；籽 為水的密度（kg/m3）；Ah，Az分別為水平和垂直渦粘系數(shù)；f為科氏參數(shù)。

2.2 模型構(gòu)建

2.2.1 模型范圍及網(wǎng)格劃分滴水湖形態(tài)和地形如圖1， 湖面直徑約2.66km，湖面面積約5.56km2，北部、西部、南部及湖中心均有一島嶼，平均水深3.7m，東西側(cè)各有1個(gè)深坑，最深處超6m。

圖1 滴水湖地形

依據(jù)網(wǎng)格劃分基本原則和計(jì)算效率， 滴水湖網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)為20m， 計(jì)算區(qū)域共劃分為13603個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，26469個(gè)三角形網(wǎng)格， 同時(shí)垂向依地形分為3層。網(wǎng)格平面劃分如圖2。

圖2 滴水湖網(wǎng)格平面劃分

2.2.2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

滴水湖水體流動(dòng)主要來(lái)源于風(fēng)驅(qū)動(dòng)， 為真實(shí)刻畫(huà)滴水湖水流動(dòng)力狀況，采用實(shí)測(cè)非定常風(fēng)，糙率高度取值范圍為0.012～0.125m。

2.2.3 模型率定驗(yàn)證

模型模擬了滴水湖2016年夏季實(shí)際風(fēng)場(chǎng)條件下的湖區(qū)流場(chǎng)，并采用實(shí)測(cè)流速、流向資料進(jìn)行率定驗(yàn)證。 由于滴水湖湖面較小，水體流速總體也偏小，極易受風(fēng)速變化或船舶影響，從實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，變風(fēng)場(chǎng)條件下流速、流向也變化頻繁，難以形成穩(wěn)定流場(chǎng)，對(duì)模型率定驗(yàn)證也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

根據(jù)模擬結(jié)果及實(shí)測(cè)資料對(duì)比分析， 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值處于同一量級(jí)，大小基本相符，變化趨勢(shì)基本一致；流向上，計(jì)算與實(shí)測(cè)的主流向基本相符，以西北向和偏南向?yàn)橹鳌１?、中、底層流速上差異不大，流向上表層、中層流向相?duì)集中，與底層水流同時(shí)受地形影響較大關(guān)系。總體上，該水動(dòng)力模型能較好地模擬滴水湖水動(dòng)力實(shí)際狀況， 可進(jìn)一步用于滴水湖水動(dòng)力特征及改善研究。

3 水動(dòng)力特征分析

3.1 典型風(fēng)況分析

為研究滴水湖在典型風(fēng)場(chǎng)下的典型流態(tài)特征，根據(jù)2014年滴水湖全年風(fēng)資料統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果， 滴水湖為典型季風(fēng)氣候，春夏季以東南風(fēng)為主，平均風(fēng)速5.4m/s，秋冬季以西北風(fēng)為主，平均風(fēng)速6.3m/s。 基于已建滴水湖三維水動(dòng)力模型對(duì)典型風(fēng)場(chǎng)下滴水湖水動(dòng)力進(jìn)行模擬分析。

3.2 水動(dòng)力特征分析

3.2.1 東南風(fēng)下水動(dòng)力特征

東南風(fēng)下，滴水湖空間流場(chǎng)如圖3（因篇幅限制，展示中層流場(chǎng)分布）。在平面空間上，滴水湖東北岸、西南岸和北島西側(cè)形成較強(qiáng)的西北向沿岸流， 湖心島四周形成4個(gè)較為明顯的環(huán)流，東、北兩個(gè)方位為逆時(shí)針環(huán)流，西、南兩個(gè)方位為順時(shí)針環(huán)流。 垂向上，表層流場(chǎng)中，環(huán)流靠岸一側(cè)流速較大，東北沿岸、北島西側(cè)、西島東側(cè)和南島東側(cè)表層流速約0.1m/s，離岸一側(cè)流速較小約0.03m/s；中層流場(chǎng)中，環(huán)流靠岸一側(cè)和離岸一側(cè)流速基本相同，約0.06m/s；底層流場(chǎng)中，環(huán)流離岸一側(cè)流速要略大于靠岸一側(cè)，西北-東南連線上有一股較強(qiáng)的東南向水流，流速約0.06m/s，與表層的西北向沿岸流流向完全相反，兩股水流形成垂向上的水體循環(huán)。

圖3 SE、NW風(fēng)下中層流場(chǎng)

東南風(fēng)下， 湖心島周邊4個(gè)環(huán)流中心為滯留區(qū)，流速非常?。淮送?，南島南北兩側(cè)、西島南側(cè)、北島東側(cè)受島嶼阻隔影響水體流動(dòng)性較弱。

3.2.2 西北風(fēng)下水動(dòng)力特征

西北風(fēng)下，滴水湖空間流場(chǎng)如圖4，在平面空間上，滴水湖東岸、西岸和北島兩側(cè)形成較強(qiáng)的東南向沿岸流，湖心島周圍形成若干個(gè)環(huán)流。 從垂向上看，表層流場(chǎng)中，環(huán)流靠岸一側(cè)流速約0.11m/s，環(huán)流離岸一側(cè)流速較小約0.05m/s；中層流場(chǎng)中，環(huán)流靠岸一側(cè)流速約0.08m/s，略大于離岸一側(cè)，約0.07m/s；底層流場(chǎng)中，環(huán)流靠岸一側(cè)約0.055m/s，略小于離岸一側(cè)流速，約0.07m/s。 底層?xùn)|南-西北連線上存在一股較強(qiáng)的西北向水流， 結(jié)合表層較強(qiáng)的東南向沿岸流形成垂向上的水體循環(huán)。

圖4 工程前、后垂向平均流場(chǎng)及變化（左：NW 右：SE）

西北風(fēng)下， 除湖心島周邊4個(gè)環(huán)流中心為滯留區(qū)，流速非常小外；南島南側(cè)、西島南側(cè)、北島東側(cè)受島嶼阻隔水體流動(dòng)性較弱，且較東南風(fēng)下更差。

3.2.3 流速分級(jí)統(tǒng)計(jì)分析

進(jìn)一步按流速大小對(duì)水域面積進(jìn)行量化分析，如表1。

表1 各流速段對(duì)應(yīng)水域面積占比 單位：%

通過(guò)對(duì)滴水湖典型風(fēng)場(chǎng)下水動(dòng)力特征分析發(fā)現(xiàn)，滴水湖流速基本小于0.06m/s，低流速區(qū)占比相對(duì)較大，盡管在風(fēng)速增大時(shí)，這一情況將得到改善，但整體上水動(dòng)力仍較弱。平面空間形態(tài)上，沿岸順風(fēng)向形成較強(qiáng)的沿岸流，湖心區(qū)以環(huán)流結(jié)構(gòu)為主，垂向上形成表層順風(fēng)、底層逆風(fēng)的循環(huán)流動(dòng)。 此外，環(huán)流中心區(qū)及北島、西島、南島附近受島嶼阻隔影響，水動(dòng)力非常弱，易成為藻類和各種污染物的匯集區(qū)，通常也是大范圍水質(zhì)污染的爆發(fā)點(diǎn)。 這與現(xiàn)實(shí)中滴水湖各島嶼附近的水質(zhì)較差也相吻合，尤其是北島周邊，是當(dāng)前滴水湖水環(huán)境治理的重點(diǎn)區(qū)域。

4 水動(dòng)力改善措施及效果研究

基于滴水湖水動(dòng)力特征分析結(jié)果， 針對(duì)局部水動(dòng)力改善及整體水動(dòng)力提升需求， 結(jié)合滴水湖水環(huán)境治理思路，提出兩類工程性改善措施：①針對(duì)北島局部水流較弱問(wèn)題， 采用島嶼環(huán)通工程連通島嶼兩側(cè)水流，削弱島嶼阻隔影響；②針對(duì)環(huán)流中心滯留區(qū)及整體水動(dòng)力改善需求， 采用引排工程控制滴水湖環(huán)湖河道進(jìn)出滴水湖水量來(lái)改善湖區(qū)動(dòng)力。 通過(guò)三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型對(duì)上述措施進(jìn)行研究。

4.1 北島環(huán)通工程

在北島與湖岸連接處， 通過(guò)開(kāi)挖或埋設(shè)管涵連通北島兩側(cè)水流，促進(jìn)局部水體流通，改善北島兩側(cè)夾角水流較弱的問(wèn)題，通道底寬設(shè)為50m。 不同風(fēng)況下，北島環(huán)通工程前后流場(chǎng)變化如圖4。

西北風(fēng)下， 北島西側(cè)沿岸流由環(huán)通通道進(jìn)入東側(cè)原滯流區(qū)，兩側(cè)水動(dòng)力均增強(qiáng)。西側(cè)平均流速由工程前0.026m/s提升至0.041m/s，近岸處流速由0.007m/s提升至0.045m/s；東側(cè)平均流速由工程前0.008m/s提升至0.031m/s， 近岸處流速由0.006m/s 提升至0.069m/s。 通道西側(cè)以南和東側(cè)局部區(qū)域同時(shí)存在流速減小，西側(cè)由于通道分流有所削弱，東側(cè)局部區(qū)域由于原水流與通道出水流相頂沖而有所減弱。但流速減小區(qū)域原本流速較大，削減幅度較小，環(huán)通工程后仍保持較強(qiáng)的水動(dòng)力，尤其是西側(cè)沿岸流仍達(dá)0.5m/s。

東南風(fēng)下，北島東側(cè)沿岸流由環(huán)通通道進(jìn)入西側(cè)原滯流區(qū)，兩側(cè)水動(dòng)力均改善。 西側(cè)平均流速由工程前0.030m/s 提升至0.044m/s， 近岸處流速由0.008m/s提升至0.054m/s； 東側(cè)平均流速由工程前0.014m/s提升至0.034m/s， 近岸處流速由0.009m/s提升至0.069m/s。 北島東側(cè)沿岸流由于管道分流而減小，減小約0.02m/s，主要是中下層流速減小。

垂向上，經(jīng)進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，西北風(fēng)下，北島東西兩側(cè)環(huán)通工程實(shí)施后底層流速較工程前平均增幅117%，中層流速較工程前平均增幅226%，底層流速較工程前平均增幅194%，垂向平均流速較工程前平均增幅243%。 東南風(fēng)下，北島東西兩側(cè)底層流速較工程前平均增幅73%， 中層流速較工程前平均增幅101%，底層流速較工程前平均增幅280%，垂向平均流速較工程前平均增幅104%。

因而，環(huán)通工程對(duì)促進(jìn)北島附近區(qū)域水體流通，打破原滯水格局，提升兩側(cè)水體動(dòng)力具有顯著效果。

4.2 引排工程

滴水湖環(huán)湖口門較多， 為改善湖心滯留區(qū)水動(dòng)力，同時(shí)放大引排工程對(duì)湖區(qū)整體水流的提升、置換效應(yīng)，設(shè)置從西北口門引水、東南口門排水，引排規(guī)模60m3/s，模擬分析引排工程對(duì)滴水湖水動(dòng)力改善效果。 引排前后湖區(qū)流場(chǎng)如圖5。

圖5 引排前、后垂向平均流場(chǎng)

西北口門引水后，西北湖區(qū)流速大幅提升，平均流速近0.2m/s，西北口門附近流速最大近0.5m/s；西北口門與東南口門之間形成一條強(qiáng)流帶，流速介于0.05～0.5m/s之間；同時(shí)改變?cè)h(huán)流格局，原滯留區(qū)水動(dòng)力條件得到顯著改善。 垂向上，經(jīng)進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，強(qiáng)流帶區(qū)域底層流速較引排前平均增幅660%，中層流速較引排前平均增幅1561%， 底層流速較引排前平均增幅426%，垂向平均流速較引流前平均增幅1617%。

因而，引排工程對(duì)促進(jìn)湖區(qū)水體整體流動(dòng)，削弱或打破原環(huán)流格局，改善滴水湖整體水動(dòng)力環(huán)境具有顯著效果。 同時(shí)，可根據(jù)滴水湖水動(dòng)力改善的不同時(shí)間、空間需求，通過(guò)階段性引排水和不同口門之間的組合引排水，有針對(duì)性地控制、改善滴水湖水流形態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）滴水湖現(xiàn)狀水動(dòng)力條件整體較差，流速基本小于0.1m/s。 在典型風(fēng)況下，形成近岸為順風(fēng)向沿岸流、湖心區(qū)多環(huán)流的平面流態(tài)結(jié)構(gòu)；垂向上形成表層順風(fēng)、 底層逆風(fēng)的循環(huán)流動(dòng)。 受環(huán)流及島嶼阻隔影響，環(huán)流中心區(qū)及北島、西島、南島附近水動(dòng)力較弱，是滴水湖水環(huán)境治理的重點(diǎn)。

（2）北島環(huán)通工程實(shí)施后，可有效促進(jìn)北島東西兩側(cè)水體交換流通，顯著提升東西兩側(cè)水動(dòng)力條件，流速增加0.02～0.06m/s不等， 有效削弱島嶼阻隔影響，對(duì)改善局部水環(huán)境具有重要價(jià)值；同時(shí)對(duì)改善南島、西島同類水環(huán)境問(wèn)題具有重要借鑒意義。

（3）引排工程實(shí)施后，在引水口與排水口之間形成強(qiáng)流帶，改變?cè)h(huán)流格局，可顯著提升原環(huán)流中心水體動(dòng)力，促進(jìn)湖區(qū)水體置換、流通，對(duì)改善滴水湖整體水環(huán)境具有顯著效果。