降低瓜渚湖出口水位增加水體流動(dòng)二維數(shù)值研究

童云英，黃 萍

(紹興市河道管理站，浙江 紹興 312000)

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降低瓜渚湖出口水位增加水體流動(dòng)二維數(shù)值研究

童云英，黃 萍

(紹興市河道管理站，浙江 紹興 312000)

利用二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算研究了在出口水位降低10 cm其他條件不變的控制條件下湖泊水域內(nèi)水體流動(dòng)，定量分析了降低瓜渚湖出口水位、增加流入和流出瓜渚湖水域水位差，以及對(duì)瓜渚湖水域流速和瓜渚湖水動(dòng)力的影響，結(jié)果表明，瓜渚湖內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)流速增加明顯，增加速度在1～12倍，個(gè)別時(shí)刻和位置流速增加更多.

瓜渚湖;二維數(shù)學(xué)模型;水位；流速

0 引 言

增加瓜諸湖水流流速是防止瓜渚湖水體產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化的重要條件之一.根據(jù)瓜渚湖水動(dòng)力的控制條件、瓜渚湖水流運(yùn)動(dòng)特性和提出了強(qiáng)化瓜渚湖水動(dòng)力的對(duì)策[1-5]，由于各種對(duì)策對(duì)強(qiáng)化瓜渚湖水動(dòng)力的影響強(qiáng)度不同，需要對(duì)各種對(duì)策進(jìn)行定量化研究分析，研究各種對(duì)策對(duì)強(qiáng)化瓜渚湖水動(dòng)力的可行性.其中降低瓜渚湖出口水位，是利用在流入瓜渚湖水域的其他條件不變的條件下，通過(guò)降低流出水域的水位，增加湖泊流入和流出湖泊的水位差，從而達(dá)到增加瓜渚湖水流運(yùn)動(dòng)的速度，增強(qiáng)瓜渚湖內(nèi)水體流動(dòng)，使得在一定程度上達(dá)到減少瓜渚湖發(fā)生水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的目的.為此本研究在以往研究的基礎(chǔ)上[1-5]，利用已經(jīng)建立的二維數(shù)學(xué)模型對(duì)降低瓜渚湖出口水位增強(qiáng)瓜渚湖水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量的計(jì)算和分析研究.

1 計(jì)算和分析條件

根據(jù)瓜渚湖水動(dòng)力的控制條件、瓜渚湖水流運(yùn)動(dòng)特性，提出了在原來(lái)的模型中在10號(hào)出口位置，降低流出瓜渚湖的水位10 cm的對(duì)策，定量分析本對(duì)策對(duì)增加瓜渚湖水流運(yùn)動(dòng)的影響(見(jiàn)圖1)，降低10號(hào)出口模型，流入模型的流量按照清水工程的引水流量15 m3/s設(shè)定，流出模型10號(hào)出口按照3.8 m進(jìn)行控制，流出模型的其他出口按照3.9 m進(jìn)行控制，在此條件下分析瓜渚湖內(nèi)流速的增加情況.模型及其參數(shù)見(jiàn)相應(yīng)的參考文獻(xiàn).

圖1 流速分析點(diǎn)位置分布圖

2 數(shù)值計(jì)算分析

2.1 典型流速分布分析

從局部流速矢量圖和流速等值線圖(見(jiàn)圖2,圖3).由圖2，圖3可以看出，在出口控制水位降低10 cm的情況下，出口流速顯著增加.

2.2 典型水位分析

從典型整體和局部水位等值線圖圖4可以看出，在10號(hào)出口控制水位降低10 cm的情況下，等值線密度增加，出口水位顯著變陡.

圖2 出口及其附近局部矢量圖

圖3 出口及其附近局部流速大小等值線圖

圖4 出口及其附近局部水位等值線圖

2.3 瓜渚湖南部典型位置流速定量分析

典型位置流速增加分析，即分析設(shè)置10號(hào)出口控制水位3.8 m其他出口3.9 m時(shí)，即10號(hào)出口控制水位比其他出口控制水位降低0.1 m時(shí)瓜渚湖水域水動(dòng)力的增加狀況.

為分析湖泊內(nèi)流動(dòng)性增強(qiáng)的情況，選擇了兩條直線上的點(diǎn)進(jìn)行分析，見(jiàn)圖1.一條是選擇沿模型10號(hào)出口河道軸線及其向瓜渚湖中西部的延長(zhǎng)線的點(diǎn)50個(gè)，分別是標(biāo)記為1號(hào)到50號(hào)，為分析流速增量和增加的倍數(shù)，選擇了直線上的28號(hào)(瓜渚湖內(nèi)，流出瓜渚湖內(nèi)出口附近)和39號(hào)(瓜渚湖內(nèi)，瓜渚湖西南部)；另一條直線是從瓜渚湖西北部到東中部的直線，直線上布設(shè)標(biāo)記了從51號(hào)到65號(hào)的15個(gè)點(diǎn)，選擇了典型的51號(hào)、57號(hào)和63號(hào)分析流速增量.

2.3.1 未降低10號(hào)出口水位

未降低10號(hào)出口水位時(shí)，即全部流出瓜渚湖的水位用3.9 m控制.圖5是在10號(hào)出口不降低水位時(shí)，沿瓜渚湖10號(hào)出口河道軸線上50個(gè)點(diǎn)的流速隨時(shí)間變化圖，橫坐標(biāo)表示從計(jì)算開(kāi)始到計(jì)算相對(duì)穩(wěn)定時(shí)選擇的時(shí)刻標(biāo)記，縱坐標(biāo)表示流速的大小，單位為m/s.整個(gè)過(guò)程分為三個(gè)階段，第一階段從0時(shí)刻位置到1 035時(shí)刻位置，直線上的流速全部為0，即計(jì)算時(shí)設(shè)定的初始流速，水流沒(méi)有流到著50個(gè)點(diǎn)位置，第二階段是引水流量的流到斷面時(shí)使流速增加，10號(hào)出口河道流速，特別是寬度比較小的位置流速增加顯著，隨著水流流動(dòng)趨于穩(wěn)定后水位差降低，流速又減小，即第三階段的流速減小的相對(duì)穩(wěn)定階段.

圖5 沿10號(hào)出口河道軸線流速時(shí)空分布(10號(hào)出口不降低水位)

2.3.2 降低10號(hào)出口水位

圖6是在10號(hào)出口降低水位10 cm時(shí)，沿10號(hào)出口河道軸線上50個(gè)點(diǎn)的流速隨時(shí)間變化圖和典型點(diǎn)的流速分布圖，由于這50個(gè)點(diǎn)距離10號(hào)出口比較近，形成了與圖11顯著不同的流速分布，主要表現(xiàn)在：(1)在時(shí)間上，從流動(dòng)開(kāi)始計(jì)算起，每個(gè)點(diǎn)流速很快就不為0，也就是說(shuō)50個(gè)點(diǎn)位置的水質(zhì)點(diǎn)很快流動(dòng)起來(lái)了，主要由于10號(hào)出口與其他水域形成0.1 m的水位壓強(qiáng)差，在壓強(qiáng)差的作用下，水流一開(kāi)始就流動(dòng)起來(lái)了，(2)不管是河道流速還是湖泊內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的流速的大小顯著增加數(shù)倍，說(shuō)明本對(duì)策對(duì)湖泊水動(dòng)力增加顯著.

圖6 出口河道軸線上典型點(diǎn)的流速時(shí)空分布(10號(hào)出口水位降低0.1 m)

河道流速增加分析.從圖6可以看出，10號(hào)出口降低10 cm時(shí)，河道內(nèi)5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)和14號(hào)流速都大于0.1 m/s，14號(hào)點(diǎn)的流速最大，最大流速為0.41 m/s.沒(méi)有降低10號(hào)出口水位時(shí)，最大流速僅為0.037 m/s.河道流速增加12倍以上.從而可以推出，流出瓜渚湖的流量也增加12倍以上.

瓜渚湖內(nèi)出口處(28號(hào)位置)流速增量分析.瓜渚湖10號(hào)出口河道軸線的延伸線上的28號(hào)位于瓜渚湖的出口位置，從圖7可以看出，不降低出口高程時(shí)流速大部分時(shí)間穩(wěn)定在0.000 5～0.004 m/s之間，降低出口高程時(shí)流速大部分時(shí)間穩(wěn)定在0.032～0.060 m/s之間，最大流速0.061 m/s，最小穩(wěn)定流速0.033 m/s，流速增加顯著.

遠(yuǎn)離瓜渚湖出口處(43號(hào)位置)流速增量分析.瓜渚湖10號(hào)出口河道軸線的延伸線上的43號(hào)位于瓜渚湖鄰近東南部的內(nèi)部，距離10號(hào)出口位置較遠(yuǎn)，從表面看，降低出口高程對(duì)流動(dòng)性的影響應(yīng)該比較小.但從圖7的分析可以看出，不降低出口高程時(shí)流速大部分時(shí)間穩(wěn)定在0.000 1～0.003 8 m/s之間，降低出口高程時(shí)流速大部分時(shí)間穩(wěn)定在0.007 9～0.011 2 m/s之間，由于43號(hào)點(diǎn)位置距離10號(hào)出口比較遠(yuǎn)，其他比較近的位置流速增加更大，流速增加更顯著.

2.4 瓜渚湖北部典型位置流速定量分析

選取瓜渚湖北部直線上的15個(gè)點(diǎn)分別為51～65號(hào)，從圖7,圖8可以看出：

(1)在沒(méi)有10號(hào)出口降低10 cm情況下，這15個(gè)點(diǎn)的流速在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都是0，說(shuō)明管墅直江引水沒(méi)有到達(dá)該斷面；水波剛傳播到質(zhì)點(diǎn)附近時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)的速度迅速升高，北端51號(hào)質(zhì)點(diǎn)最快升高到的最大值，最大值為0.006 8 m/s，南端65號(hào)質(zhì)點(diǎn)最后達(dá)到其最大值，最大值為0.002 7 m/s；流速達(dá)到最大值后，流速迅速減小，但隨著北部流入瓜渚湖的水流源源不斷，質(zhì)點(diǎn)流速又迅速增加和減小，使質(zhì)點(diǎn)的流速呈現(xiàn)出周期性的波動(dòng)狀態(tài)(見(jiàn)圖7)，這種周期性的波動(dòng)具有相對(duì)固定的振幅和周期，每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的相位差也基本保持一致.

圖7 沿西北部到中東部直線上流速時(shí)空分布圖(10號(hào)出口水位無(wú)降低)

(2)當(dāng)在10號(hào)出口降低10 cm的條件下，從圖8可以看出，這15個(gè)點(diǎn)的流速依次變?yōu)椴粸?，順序是從南端的65號(hào)到北端的51號(hào)，出現(xiàn)了第一個(gè)流速波峰值，最大流速0.081 m/s,本流速的增加源于10號(hào)出口降低水位引起的波動(dòng)的傳播和質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)；隨著時(shí)間的增加，從北部和西北部流入瓜渚湖的水流與上述波動(dòng)的水流疊加，出現(xiàn)了最大的流速峰值，流速大小為0.009 8 m/s；然后流動(dòng)進(jìn)入波動(dòng)狀態(tài)，但這種波動(dòng)與上面的波動(dòng)相比，因影響每個(gè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的干擾幾乎是隨機(jī)的，影響的強(qiáng)度也是不確定的，因此其波動(dòng)的振幅、周期，相位都具有不確定性和隨機(jī)性.

圖8 沿西北部到中東部直線上流速時(shí)空分布圖(10號(hào)出口水位降低0.1 m)

(3)三個(gè)點(diǎn)的流速增量對(duì)比分析.北端51號(hào)位置的流速增加在0.001 ～0.005 m/s之間，增加倍數(shù)在1～4倍之間；中部57號(hào)位置的流速增加在0.001 5～0.005 m/s之間，增加倍數(shù)在 1～5倍之間；南端63號(hào)位置的流速增加在0.002～0.006 m/s之間，增加倍數(shù)在2～6倍之間.

從南到北流速的絕對(duì)增加值和增加的倍數(shù)，遵循逐漸減小的規(guī)律，說(shuō)明降低10號(hào)出口的水位對(duì)增加瓜渚湖內(nèi)的水流的速度具有明顯的效果.

3 結(jié) 論

利用二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算研究了在出口水位降低10 cm其他條件不變的控制條件下湖泊水域內(nèi)水體流動(dòng)，結(jié)果表明，瓜渚湖內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)流速平均增加1～12倍，個(gè)別時(shí)刻和位置流速增加更多.措施對(duì)湖泊內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)速度的增加量顯著，增加了瓜渚湖水域的流速和增強(qiáng)了瓜渚湖水動(dòng)力，有利于抑制瓜渚湖水體富營(yíng)養(yǎng)化.

[1] 陳衛(wèi)金,李東風(fēng),張紅武.紹興平原河網(wǎng)防洪排澇水動(dòng)力模型控制條件分析[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2014,26(3):38-41.

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2-D Numerical Investigation of Water Flow Promoting in Guazhu Lake Outlets

TONG Yun-ying, HUANG Ping

(Shaoxing Waterway Administration Station, Shaoxing 312000, China)

Based on the 2-dimensional mathematical model, the water flow in certain water area is studied with the water level 10cm lower, and the quantitative analysis on waterhead in Guazhu Lake is also conducted by lowering the water level, and increasing the inflow and outflow, and its influence on flow velocity and hydrodynamic force is also observed. The results shows that the water velocity in Guazhu Lake increased significantly, with the speed of 1～12 times, in special locations or periods, the velocity increases even more.

Guazhu Lake; 2-Dmathematic model; water level; flow velocity

2015-10-25

童云英(1982-)，女，浙江紹興人，工程師，主要從事水利工程管理和咨詢工作.

TV131

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1008-536X(2016)06-0018-06