城市景观湖泊水体交换的数值模拟研究*

谭 超,黄广灵,黄本胜,邱 静

(广东省水利水电科学研究院,广东省水动力学应用研究重点实验室, 河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 510635)



城市景观湖泊水体交换的数值模拟研究*

谭 超,黄广灵,黄本胜,邱 静

(广东省水利水电科学研究院,广东省水动力学应用研究重点实验室, 河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 510635)

通过水流数学模型模拟城市湖泊流场分布是评估水体交换能力的重要依据。利用二维水动力数学模型研究了惠州西湖的水动力优化调控方案,探明了惠州西湖各状条件下水动力较差的区域,评估了引水对于惠州西湖湖水动力的改善程度,并对比了不同方案的的引水效果,进而提出了较好的引水方案。其成果可为惠州西湖和其他城市湖泊水质改善工程提供参考和借鉴。

惠州西湖；水体交换；二维水流数学模型；流场分布

城市湖泊作为城市中重要的景观元素,对人类 生活有着重大意义。它既是风光优美,景色宜人的景观工程与旅游胜地,也起到调蓄洪水、防洪减灾、保护生物多样性、维持生态平衡、保存淡水资源、补充地下水、调节气候、降解污染物等作用,具有良好的生态、社会、经济、环境效益[1]。然而近年来随着城市化的急剧发展,城市湖泊的开发强度也逐渐变大,但是城市湖泊人工设计不够科学,如为满足人们的景观需求,多将湖岸设计成不规则形状,曲折多弯,易出现湖泊水体的“死角”,“死角”中水体流动性较差,得不到置换,随着使用时期延长,各种污染物发生沉积,最终导致水质恶化,并扩散到整个湖泊范围; “死角”越多,所占范围越大,水质恶化也就越快; 达不到引水改善湖泊水质的总体效果。城市湖泊具有水体流动性较差,水域 面积较小、水生生态系统简单、水环境容量小、水体 自净能力低、人类活动影响大等特性,导致其生态相当脆弱,污染负荷超过水体自净能力,易引起水生动、植物种类的减少,湖水变黑发臭,造成水质变差 和恶化,严重影响水体功能、用途和景观效果,并且难以冶理和修复。 城市湖泊的水动力条件主要依赖于人工水循环过程,由于湖泊水体一般都比较封闭,水体流动性相对较差,其流速场的分布是水环境质量的重要体现[4-7]。利用人工水循环措施改善城市湖泊水质是 一种常见的物理方法,可以通过人为的选择和设定不同的进出水口位置、组合以及换水周期,调节和 改变换水量和换水时间,改善城市湖泊的水动力条件,进而增大水体循环速度,改变湖泊的水动力学过程,缩短水力滞留时间,改善湖泊水环境。

为此,本文利用二维水动力模型研究了惠州西湖的水动力优化调控方案,发现了惠州西湖状条件下水动力较差的区域,评估了引水对于惠州西湖湖水动力的改善程度,并对比了不同方案的的引水效果,进而提出了较好的引水方案,成果可为惠州西湖和其他城市湖泊水质改善工程提供参考和借鉴。

1 模型建立与方案设计

1.1 模型建立

1.1.1 基本方程

本文采用平面二维水流数学模型进行纳污能力计算,模型计算方法如下[8]。

连续方程：

(1)

运动方程：

(2)

(3)

其中 u、 v为垂向平均流速在X、 Y方向的分量， m/s； H=h0+η； h0静水时的水深， m； η自由水面在竖直方向的位移， m； QS为排水流量， m3/s； ε为紊动粘性系数， m2/s； f是科氏力系数； Ex、 Ey是X、 Y方向的混合系数， m2/s。

二维水流方程利用有限元法求解。

1.1.2 模型网格布置

由于湖底地形平缓,在这里湖底高程统一采用-2.0 m,岸边10～15 m宽的地方有从-1.0 m到-2.0 m的放坡,计算水位采用0 m。

模型模拟边界由注水点和出水点组成,其中注水点采用点源流量的处理方法,出水口处则设置开边界,由水位控制,控制水位取0 m。

本次模拟采用三角形网格,湖区数值模型的网格数为19 255个,网格边长在10 m左右,网格节点35 196 个,模型水面总面积1.51 km2。网格的划分如图1所示。

图1 惠州西湖湖区模型网格示意

1.2 方案方案

惠州西湖从北向南分别由菱湖、平湖、鳄湖、丰湖及南湖组成,湖区南北长约3.5 km,东西长约2.3 km,湖区水域面积约1.51 km2。西湖设计水深为2.0 m,岸边水深1 m,并有10～15 m宽的放坡,出水口水位控制。在湖泊地形、形状不变及不受其它因素影响的一般情况下,湖泊的流动性与进水量的大小有关,进水口流量越大则湖泊的动力越强,流动性也越好,反之亦然。

根据惠州西湖引清工程设计方案,该湖现有注水点15个,其中引自红花湖水库的注水口现已废弃,设计总引水量7万m3/d。西湖现原有出水口3个,目前1个已经不可用,可用的仅存2个。二期初步设想增加注水口共3个。湖泊平面形状及一期湖区注水口如图2所示。

图2 惠州西湖湖区形状及进出水口位置示意

为了分析不同引水方案下的西湖的水动力的变化情况,本次模拟共设计了4组工况进行计算。其中各工况具体设计见表1。

表1 模型计算工况设计

其中,现有引水方案及二期初步设想方案的注水口位置布置见图1所示；优化方案一的各引水口布置如图3a、3b所示,优化方案二的各引水口布置如图4所示。其中优化方案一和优化方案二各新增注水口位置一样,仅是几个注水口的设计流量有所差别。优化方案一和优化方案二各新增注水口的引水量如表2所示,各注口编号如图3a、图3b所示。

图3a 优化方案一的各引水口布置示意

图3b 优化方案二的各引水口布置示意

表2 各新增注水口设计流量

2 数值模拟结果及方案比选

2.1 数模模拟结果分析

不同工况下惠州西湖湖区的水动力数值模型计算结果如表3及图4～5所示。

从各工况模拟结果来看,现状情况下,虽然补水增加了部分水域的水体流动性,但是总的水体流动性仍较弱,流速小于0.01 cm/s的水域面积为806 390 m2,占整个湖区面积的53.40%,流速小于0.1 cm/s的水域面积更是占了整个湖区面积的95.92%。初步方案实施后(增加了3个注水点),水体流动性改善程度也极有限,如流速小于0.01 cm/s的滞水区面积仍有593 853 m2,占总湖面积百分比为39.32%,较之现状降低了14.07个百分点；流速小于0.1 cm/s的水域面积也仍有1 288 134 m2,仍占总湖区面积的85.29%。通过对注水口位置、数量及注水流量进行调整优化后(工况三、工况四),水体的流动性有较大改善。

如图4所示,工况三中西湖的平均流速已经达到0.149 cm/s,整体流动性较好,流速小于0.01 cm/s的水域面积减小,仅有64 562 m2,仅占总湖面积的4.27%；流速小于0.1 cm/s的水域面积同样也有较大幅度减小,为890 450 m2,占总面积的58.96%。通过增加引水量,可以进一步增强水体的流动力,因此,在工况三基础上进行了工况四的计算,从结果可知,工况四的水体流动性有进一步改善,全湖平均流速为0.169 cm/s,流速小于0.01 cm/s的滞水区面积为60 581 m2,比工况三减小3 981 m2；流速小于0.1 cm/s的区域与工况三有稍大区别,流速小于0.1 cm/s的区域占总湖区的54.94%,比工况三少了4.02%。

2.2 方案比选

从湖泊的流动性来看,工况四为最优,但其需增加注水点15个,增加引水量17万m3/d；从工程量的角度来看,工况三较好,其增加的注水点与工况四一致,但其需增加的引水量比工况三小,为14万m3/d。从各湖区的流场分布情况来看,各湖区的流动性均较好,湖泊死水区较小。湖内总的流动趋势为从注水点流向2个主要出口,因此,注水点的设置需据此原理进行设置,使其流动路径能遍及整个湖区。

表3 不同工况湖区流场特征统计

图4 惠州西湖流场分布(方案四，推荐方案)

图5a 工况一湖区流速分布示意

图5b 工况二湖区流速分布示意

图5c 工况三湖区流速分布示意

图5d 工况四湖区流速分布示意

3 结语

城市人工湖泊有利于构建城市景观和改善城市生态环境,本文开展了惠州西湖水体交换的二维水流数值模拟研究,分析了4种不同进、出水口布置情况下,不同引、出水方案下的流场数值模拟,对比分析了改善城市湖泊水体的人工水循环模式。

1) 通过对该人工湖的流场数值模拟,预测与分析了人工水循环过程中湖泊水体的流场分布情况,可知人工水循环措施是改善城市湖泊水体流态的一种有效的物理方法。

2) 通过对不同工况下的流场数值模拟结果的对比分析,从湖泊的流动性来看,工况四为最优,但是其需增加注水点15个,增加引水量17万m3/d；从工程量的角度来看,工况三较好,其增加的注水点与工况四一致,但其需增加的引水量比工况三小,为14万m3/d。从各湖区的流场分布情况来看,各湖区的流动性均较好,湖泊死水区较小。湖内总的流动趋势为从注水点流向二个主要出口,因此,注水点的设置需据此原理进行设置,使其流动路径能遍及整个湖区。

3) 数学模型方法是城市人工湖泊进行合理的生态环境设计的有效工具,能够作为以后的城市人工湖泊水环境治理的重要手段。

[1] 李世杰,窦鸿身,舒金华，等.我国湖泊水环境问题与水生态系统修复的探讨[J].中国水利,2006,3(3):14-17．

[2] 杨桂山,马荣华,张路，等.中国湖泊现状及面临的重大问题与保护策略[J].湖泊科学,2010,22(6):799-810．

[3] 袁文麒,张维佳,黄勇，等.人工水力循环改善园林不规则池塘水质的研究[J].中国给水排水,2008,24(3):17-20．

[4] 王哲,刘凌,宋兰兰.Mike21在人工湖生态设计中的应用[J].水电能源科学,2008,26(5):124-127．

[5] 沈荣,季斐斐,顾娇.基于流场分析的人工湖生态设计的研究[J].水电能源科学,2010,28(4):107-109．

[6] 彭森,谭春晓,刘星.景观水体的循环模式研究与流场分析[J].中国给水排水,2009,25(6): 95-97．

[7] 何文华,黄国如.Mike21软件在白云湖流场分析中的应用[J].广东水利水电,2010(10):43-47．

[8] 黄平. 水环境数学模型及其应用[M] .广州:中山大学出版社, 1996．

(本文责任编辑 王瑞兰)

Flowfield Numerical Simulation on the Water Exchange of Urban Lakes

TAN Chao, HUANG Guangling, HUANG Bensheng, QIU Jing

(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower, Guangdong Provincial Key Laboratory of Hydrodynamics, National Engineering Laboratory of Estuary Hydropower Technology, Guangzhou 510635, China)

Simulating the urban lake flow field by mathematical model is an important basis for the assessment of water exchange capacity. A two-dimensional hydrodynamic model is established to study the hydrodynamic optimization of the control schemes of West Lake in Huizhou. Assessment of hydrodynamic poor region in different Hydrological condition and the degree of improvement for hydrodynamic conditions of West lake has been done. And effects of different diversion programs have been compared, then suggestions of programs have been made. The results can provide reference for the West Lake and other lake water quality improvement projects.

West Lake； water exchange；2-D hydrodynamic model；flow field

2016-04-04;

2016-06-08

广东省水利科技创新重大专题(2014-06)，广东省水利科技创新项目(2011-08,2012-03)。

谭超(1985),男,博士,高级工程师,主要从事水资源利用与保护研究工作。

TV143

A

1008-0112(2016)06-0006-06