柯橋主城區(qū)清水工程河網(wǎng)湖泊水動(dòng)力二維數(shù)值模型分析

楊伏香，張培佳，陳衛(wèi)金，李東風(fēng)，張紅武

(1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450008；2.鄭州大學(xué) 鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.紹興市第一水利生態(tài)建設(shè)有限公司，浙江 紹興 312000；4.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；5.清華大學(xué)水利工程系,水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

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柯橋主城區(qū)清水工程河網(wǎng)湖泊水動(dòng)力二維數(shù)值模型分析

楊伏香1，張培佳2，陳衛(wèi)金3，李東風(fēng)4，張紅武5

(1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450008；2.鄭州大學(xué) 鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.紹興市第一水利生態(tài)建設(shè)有限公司，浙江 紹興 312000；4.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；5.清華大學(xué)水利工程系,水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

瓜渚湖清水工程水流的流動(dòng)傳播特性，使水流流入流出瓜諸湖的時(shí)間位置不同，流速水位也不同，湖泊水動(dòng)力特性呈現(xiàn)出復(fù)雜性.根據(jù)清水工程河網(wǎng)湖泊水動(dòng)力二維數(shù)學(xué)模型的計(jì)算成果，分析了瓜渚湖及其周圍河網(wǎng)之間水流的相互制約關(guān)系，及其呈現(xiàn)的低流速區(qū)域等復(fù)雜的水動(dòng)力特性.根據(jù)水動(dòng)力特性，提出了水系連通、河道拓寬和在瓜諸湖岸邊設(shè)置觀賞壩、觀賞島、設(shè)置水閘等導(dǎo)控設(shè)施，控導(dǎo)水流加快水體置換率等工程措施.

瓜渚湖；水動(dòng)力；二維數(shù)學(xué)模型

0 引 言

紹興市柯橋區(qū)瓜渚湖位于柯橋中國輕紡城東北，南闊北狹，南北長2 km，東西長約1 km，水面面積1.5 km2.瓜渚湖為紹興平原第三大湖，是柯橋區(qū)重要的對外窗口，優(yōu)美的環(huán)境給城市帶來了巨大的社會(huì)效益.由于瓜諸湖及其附近的平原河網(wǎng)地勢平坦、水體流動(dòng)性小，水體交換速率慢，造成水體自凈能力變差，水體功能退化，如果不及時(shí)治理往往造成水體富營養(yǎng)化等嚴(yán)重的水環(huán)境問題，直接影響到湖區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[1].

河網(wǎng)湖泊水動(dòng)力研究在水問題的研究中得到了廣泛應(yīng)用，強(qiáng)化水動(dòng)力對增加水體流動(dòng)，預(yù)防水體富營養(yǎng)化意義重大[2-4].足夠強(qiáng)的瓜渚湖水動(dòng)力是防止瓜渚湖水體富營養(yǎng)化的條件之一.分析研究瓜渚湖水動(dòng)力特性是探討增強(qiáng)瓜渚湖水動(dòng)力對策的基礎(chǔ).由于瓜諸湖與周圍河網(wǎng)多個(gè)河流相連，隨著時(shí)間的不同，清水工程水流的的流動(dòng)傳播，使清水工程水流從周圍各個(gè)河道流入瓜諸湖的時(shí)間不同，流入流出瓜諸湖的位置不同，流速的大小方向和水位也不同，各個(gè)河流的水動(dòng)力可能相互制約，使得瓜渚湖水動(dòng)力減弱,使瓜諸湖水動(dòng)力特性呈現(xiàn)出復(fù)雜性.根據(jù)清水工程水動(dòng)力二維數(shù)學(xué)模型的計(jì)算成果，分析了瓜渚湖及其周圍河網(wǎng)之間相互制約的關(guān)系下呈現(xiàn)的復(fù)雜的水動(dòng)力特性.提出了可以根據(jù)流入流出特性從瓜渚湖南邊、西邊和北邊三條河流設(shè)置水閘，控制水流從這三個(gè)河道流入入瓜諸湖，從東邊的幾個(gè)河流流出瓜諸湖，避免清水工程水流倒流，從而達(dá)到集中水流向流出的方向，達(dá)到強(qiáng)化瓜諸湖水動(dòng)力的目的.本文即是利用二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的對瓜渚湖水動(dòng)力進(jìn)行的分析.

1 瓜渚湖北部水動(dòng)力特性

1.1 北部水流流入瓜渚湖水動(dòng)力

瓜渚湖北部水動(dòng)力主要受北邊的標(biāo)記PQR的河道水流、標(biāo)記LM的河道水流、標(biāo)記KS的河道水流以及瓜渚湖南半部水流的制約，使得同一河道在不同的時(shí)間呈現(xiàn)出既有流入瓜渚湖又有流出瓜渚湖的特點(diǎn)，而不是僅流入瓜渚湖.根據(jù)計(jì)算的初始條件設(shè)置的整個(gè)水域流速為0.000 0 m/s，水位為常水位3.900 0 m,由于水流相互之間不相互影響，一方面，水流沿K到S方向以0.061 m/s的速度流入瓜渚湖西北部，另一方面，水流沿L到M方向以0.096 m/s的速度和P到Q方向以0.096 m/s的速度流動(dòng)匯總到交叉點(diǎn)Q位置后，沿Q到R方向以0.052 781 m/s的速度流入瓜渚湖北部，流入水流流動(dòng)方向(見圖1)，流速大小等值線圖如圖2所示和圖3水位等值線圖所示.水流不斷從北部和西北部流入瓜渚湖.

從圖3和圖4可以看出,水流從北部R位置流入瓜渚湖,流速從0.052 781 m/s很快較小到0.008 m/s,減少1/6～1/7,水位從3.907 5 m降低到3.903 m，接著又在近500 m距離內(nèi)流速從0.008 m/s減少到0.001 m/s,減少1/8，水位從3.903 m平緩降低到3.902 8 m.

圖1 流速大小方向圖

圖2 流速大小等值線圖

圖3 水位等值線圖

圖4 南部流入瓜渚湖水動(dòng)力圖

由于位置R處河道斷面突然縮小，使得上游河道的水位不斷壅高，對PQ河段的影響來說，水位從位置Q的3.907 5 m突然壅高后有降低到3.902 m，如何又升高到位置P的3.904 1 m，流速從0.052 781 m/s減小到0.013 m/s再到0.008 m/s最后到位置P的0.001 m/s.也圖也可以看出位置R處河道斷面突然縮小，對LQ河段水位不斷壅高的影響，在位置Q處的上游水位等值線密集，水位升高，再向上游水位等值線稀疏水位降低.

從馬山閘西江位置S流入瓜渚湖的水流，流速從0.061 m/s在近200m的范圍內(nèi)減小到0.009 m/s，減少近1/7倍，又在約700 m的范圍內(nèi)減少到0.001，減少約1/9.水位從3.902 3 m降低到3.900 7 m，然后水位不斷壅高到3.902 5 m和3.902 8 m，進(jìn)入瓜渚湖后的水位不斷壅高主要由于從位置R處的水流的頂托和阻止作用.

1.2 北部水流流出瓜渚湖水動(dòng)力

在一定的條件下，南部從V到U流入瓜渚湖的水流對瓜渚湖水動(dòng)力產(chǎn)生重大影響.水流從南部流入瓜渚湖后，對從西部位置T、西北部位置S和北部位置R的水流具有阻止和控導(dǎo)作用(見圖5).

首先在從南部VU河道流入瓜渚湖的水流，具有較強(qiáng)的水動(dòng)力，在此水動(dòng)力的作用下，阻止從西部中澤橫江J到T流入瓜渚湖的水流向瓜渚湖南部流動(dòng)，迫使水流向瓜渚湖北部和東北部流動(dòng).兩股水流的共同作用下不斷的阻止馬山閘西江KS河道水流和QR河道水流流入瓜渚湖，直至水流試圖從這兩條河道流出瓜諸湖(見圖5).

圖5 流出瓜渚湖北部和西北部流速矢量圖

但由于這兩條河道距離清水工程距離比較近，清水工程水動(dòng)力較強(qiáng)，再阻止清水工程一段距離后，兩個(gè)水流勢均力敵，在圖書館和僑都等附近的河段形成滯留區(qū).見箭頭所示的流動(dòng)分析

2 南部水流水動(dòng)力

2.1 流入瓜渚湖水動(dòng)力

當(dāng)北部向南部流動(dòng)的水動(dòng)力較弱，南部水流較強(qiáng)等條件下，水流從瓜渚湖南部流向北部和東北部(見圖4).

2.2 流出瓜渚湖水動(dòng)力

隨著瓜渚湖北部流向南部的水動(dòng)力的增強(qiáng)，西部中澤橫江流入瓜渚湖水動(dòng)力增強(qiáng)，南部水動(dòng)力相對減弱，瓜渚湖水流從南部流出(見圖6).

3 瓜渚湖西部河流中澤橫江水動(dòng)力

瓜渚湖西部中澤橫江水動(dòng)力受清水工程水動(dòng)力和湖泊入口處水動(dòng)力制約.一方面當(dāng)湖泊入口處水動(dòng)力較有利，引清水工程中澤橫江流入瓜渚湖水動(dòng)力較強(qiáng)時(shí)，水流從中澤橫江流入瓜渚湖，見圖7.反過來，瓜渚湖水流流入中澤橫江.為利用中澤橫江水動(dòng)力，可以充分利用中澤橫江水閘的進(jìn)行適時(shí)打開和關(guān)閉水閘進(jìn)行水動(dòng)力調(diào)控.

4 瓜渚湖低流速區(qū)域分析

水流在低流速區(qū)域滯留，清水置換污水的比例較小，水體從圖6和圖7可以看出，在瓜渚湖整個(gè)水域內(nèi)，存在南部、北部和東部三個(gè)明顯的Ⅰ、Ⅱ、和Ⅲ低流速區(qū)域.水流在三個(gè)區(qū)域受到瓜諸湖岸邊界零流速的制約，流速在這部分區(qū)域幾乎為0.

圖6 南部流出瓜渚湖水動(dòng)力圖

圖7 低流速區(qū)塊分布圖

東南部河流寬度小，水流流出瓜渚湖阻力大，也使區(qū)塊I的水流無法暢通流出瓜渚湖，成為低流速區(qū)域.采取工程措施才能增強(qiáng)這部分區(qū)域的水動(dòng)力，增加清水置換污水的置換率.

5 增強(qiáng)瓜渚湖水動(dòng)力對策分析

瓜渚湖水動(dòng)力受制于周圍河網(wǎng)河道的控制，充分利用瓜諸湖湖泊水動(dòng)力特性尋找最佳工程措施，增強(qiáng)湖泊水動(dòng)力特性，增加瓜渚湖污水置換率.可以采取如下工程措施[5-8].

(1)在瓜諸湖岸邊設(shè)置觀賞壩、觀賞島等導(dǎo)流設(shè)施，控導(dǎo)低流速區(qū)域的水流，增加流速，減少低流速區(qū)域的范圍

(2)在東部三個(gè)出口河段設(shè)置水池和優(yōu)化，利用泵站降低水池水位，降低流出瓜諸湖河流的基準(zhǔn)面，增加瓜渚湖水體流速.

(3)拓寬東南部阻水河道，提高低流速區(qū)塊I的水動(dòng)力.

(4)實(shí)施瓜諸湖東岸公園與瓜諸湖東直江水系連通.提高低流速區(qū)塊II的水動(dòng)力.

(5)實(shí)施瓜諸湖北岸公園、和斷頭河與瓜諸湖直江的水系連通，提高區(qū)塊III的水動(dòng)力.

(6)在南部和北部河流設(shè)置水閘，控制流入流出瓜諸湖水流，增加瓜諸湖整個(gè)區(qū)域水動(dòng)力.

6 結(jié) 論

瓜渚湖水動(dòng)力受制于周圍河網(wǎng)河道的控制，分析了瓜諸湖水動(dòng)力特性，找出來瓜諸湖水域的三個(gè)低流速區(qū)塊，提出了充分利用瓜諸湖湖泊水動(dòng)力特性的增加湖泊水動(dòng)力的六個(gè)工程措施.尋找最佳工程措施，還有待于對每個(gè)工程措施的水動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算和分析.

[1] 斯克綱,嚴(yán)永興,來移年.紹興市柯橋主城區(qū)水質(zhì)提升工程的實(shí)踐[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2014(4):51-53.

[2] 陳媛媛.昌黎七里海瀉湖生態(tài)環(huán)境治理水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬研究[D].天津：天津大學(xué),2013.

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Analysis on 2-D Numerical Model of Hydrodynamic
Force for River Networks and Lakes in Keqiao

YANG Fu-xiang1, ZHANG Pei-jia2, CHEN Wei-jin3, LI Dong-feng4, ZHANG Hong-wu5

(1.Henan Vocational College of Water Conservancy and Environment, Zhengzhou 450008, China; 2.College of Water Conservancy and Environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 3.Shaoxing No.1 Construction CO., LTD., Shaoxing 312000, China; 4.School of Hydraulic and Environmental Engineering,Zhejiang Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China; 5.State Key Lab of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Because of its special flowing and transmission characteristics of Guazhu Lake, many factors about Guazhu Lake, such as the different time of inflow and runoff, the different flow velocity and water level, make the hydrodynamic characteristics of the lake water complex. According to the 2-D mathematical model calculating results of the river networks hydrodynamic force in Keqiao Clean-water Project, the mutual restriction relation of water flow between Guazhu Lake and the surrounding river networks is analyzed, as well as the other complex hydrodynamic characteristics, such as low velocity area. According to the hydrodynamic characteristics, some control measures as well as some engineering measures are put forward, including river system connection, channel widening, and the construction of ornamental dam, ornamental island and sluices, therefore, to speed up the water exchange rate.

Guazhu Lake; hydrodynamic force; 2-D mathematic model

2015-03-01

國家自然科學(xué)基金(51039003)；浙江省自然科學(xué)基金(M503254)

楊伏香(1966-)，女，河南安陽人，高級講師，從事水利工程基礎(chǔ)教學(xué)和應(yīng)用研究工作.

TV131.2

A

1008-536X(2015)09-0018-04