基于MIKE21的城市湖泊人工水循環(huán)的濃度場數(shù)值模擬

路洪波，黃 宇，王潤娟

隨著城市化急劇發(fā)展，城市湖泊開發(fā)強(qiáng)度增大，許多湖泊如無錫太湖、江西鄱陽湖、蘇州太湖、廣州流花湖、合肥巢湖、南京玄武湖等均已出現(xiàn)富營養(yǎng)甚至重富營養(yǎng)現(xiàn)象[1]。諸多城市公園人工湖泊由于設(shè)計(jì)不合理，經(jīng)常會出現(xiàn)“死角”，水體缺乏流動性，受生產(chǎn)、生活、養(yǎng)殖等影響，導(dǎo)致城市湖泊水體中污染物濃度增大。在溫度較高的氣候環(huán)境下，藻類能夠在富含富含N、P等營養(yǎng)元素的水中的迅速生長會破壞城市湖泊的生態(tài)環(huán)境平衡?？傊?，受到人們不合理活動、缺乏合理規(guī)劃設(shè)計(jì)等影響，導(dǎo)致城市湖泊的水體流動性較差，水生生態(tài)系統(tǒng)簡單、水環(huán)境容量小、水體自凈能力低，自身的生態(tài)相當(dāng)脆弱，水體黑臭現(xiàn)象加劇，污染負(fù)荷嚴(yán)重超出水體自凈能力，嚴(yán)重影響了水體的功能與景觀效果。目前，全國已經(jīng)有93%的公園水體遭到不同程度的污染，亟待治理[2]。

城市人工湖泊的水動力條件主要來源于人工水循環(huán)動力，但是由于湖泊水體得封閉特性，水體流動性差，流速場與污染物的濃度場分布往往是水環(huán)境質(zhì)量的重要表現(xiàn)[3]。通過人工水循環(huán)手段來改善水環(huán)境是一種常見的物理方法[4]，因此本文對城市湖泊的人工水循環(huán)過程中的濃度場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬和對比分析。

1 長樂湖簡介與方案設(shè)計(jì)

西安市長樂公園景觀湖概況如圖1所示。根據(jù)Ⅰ號人工湖與Ⅱ號人工湖之間的現(xiàn)有落差，設(shè)置水工泄水建筑物來實(shí)現(xiàn)水力循環(huán)，促進(jìn)水體交換與流動，水體的流動同時(shí)帶動污染物的遷移交換，從而改變湖泊水體的濃度場分布，最終提升水環(huán)境質(zhì)量。

首先在湖泊設(shè)計(jì)中擬定不同的進(jìn)、出水口方案與工況。根據(jù)長樂湖的水體容積計(jì)算，方案1置換周期為24小時(shí)，需要進(jìn)出口總流量為0.2 m3/s；方案2置換周期為48小時(shí)，需要進(jìn)出口總流量為0.1 m3/s；方案3置換周期為96小時(shí)，需要進(jìn)出口總流量為0.05 m3/s。

按照不同的進(jìn)、出水口流量分配以及是否設(shè)置人工島嶼設(shè)計(jì)了模擬方案，如表1所示；進(jìn)水口A、B、C、出水口O位置以及增設(shè)島嶼的位置如圖1所示。

表1 不同進(jìn)、出水工況設(shè)計(jì)表 單位：m3/s

圖1 景觀湖進(jìn)出水口及增設(shè)島嶼位置圖

2 定解條件的確定

2.1 邊界條件的確定

（1）閉邊界。湖岸、湖心島相聯(lián)接的邊界面，其法相流速為零，即：

（2）開邊界。進(jìn)、出水口、源匯點(diǎn)處其相應(yīng)的流速V0（流量）或水位h0，即：

（3）湖底地形。湖底地形根據(jù)現(xiàn)有湖泊資料的實(shí)際地形高程設(shè)定，即地形高程Zb=Zb0

2.2 初始條件的確定

整體模型的初始速度取為0，初始水位設(shè)定為一定值h0，即

3 濃度場數(shù)值模擬結(jié)果分析

水動力條件、污染物濃度是關(guān)系湖泊水質(zhì)最為重要的兩大因素，建立污染物擴(kuò)散遷移模型，分析湖泊水體污染物濃度變化，有助于優(yōu)化湖泊方案設(shè)計(jì)。

水環(huán)境質(zhì)量劃分標(biāo)準(zhǔn)中通常將化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）等污染物濃度作為研究湖泊環(huán)境容量和水質(zhì)改善變化規(guī)律的主要評判指標(biāo)。長樂湖水質(zhì)指標(biāo)初始值為：COD為30 mg/L，NH3-N為3 mg/L。引入水體水質(zhì)為：COD為15 mg/L，NH3-N為0.5 mg/L。

3.1 COD濃度場結(jié)果分析

為了分析不同換水周期對其濃度的影響，進(jìn)行了3個(gè)方案12個(gè)工況下即不同換水流量情況下的COD濃度場結(jié)果對比分析，濃度分布如圖2所示，計(jì)算結(jié)果見表2。

圖2 不同方案COD濃度等值線分布圖

表2 各工況下COD去除率

如圖2所示，湖中水體受環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響，濃度混合比較均勻。在Ⅰ號人工湖與Ⅱ號人工湖的東南部均出現(xiàn)“死角”，水體沒有得到置換，污染物濃度只在自凈能力下有所降低，擴(kuò)散作用不明顯，需要進(jìn)一步處理以改善該處水質(zhì)。

從表2可見，隨著水體的擴(kuò)散，湖泊內(nèi)濃度值總體均呈下降趨勢。湖中COD初始濃度為30 mg/L，入湖濃度為15 mg/L，入湖后沿北岸向西擴(kuò)散，方案1經(jīng)過大約24小時(shí)水體基本完成一次置換，水體基本達(dá)到完全混合，混合濃度大約為17.5 mg/L；方案2經(jīng)過大約48小時(shí)水體基本完成一次置換，水體基本達(dá)到完全混合，混合濃度大約為14.7 mg/L；方案3經(jīng)過大約96小時(shí)水體基本完成一次置換，水體基本達(dá)到完全混合，混合濃度大約為10.5 mg/L。

對比不同方案下的去除率可見，方案3均高于方案2、1的COD去除率，表明在相同進(jìn)出水口情況下，換水96小時(shí)方案的COD平均去除率為64%以上；換水48小時(shí)方案的COD平均去除率為50%以上；換水24小時(shí)方案的COD平均去除率為40%以上，前者較后者延長了換水時(shí)間，在保證完成換水工作的同時(shí)更好的改善了水體的水環(huán)境質(zhì)量。

在總流量相同的情況下，采取分流方式進(jìn)水，增加進(jìn)水口數(shù)量可以加大水體擴(kuò)散至整體湖泊，促進(jìn)水體的混摻，增大水體自凈，有利于清除湖泊中的“死角”現(xiàn)象；增設(shè)島嶼可以阻止水流的主流流動，增大水體在Ⅰ號湖泊內(nèi)的擴(kuò)散作用，從而避免由于水流直接流向下湖導(dǎo)致擴(kuò)散受阻引起水體交換不夠；增加進(jìn)水口數(shù)量、在湖中增設(shè)島嶼均能使COD平均去除率有所增大，水體改善效果有一定程度的提高，但是提高效果不是很大；相同換水量情況下，延長換水周期能夠使COD平均去除率增大明顯，水質(zhì)改善效果顯著。

3.2 NH 3-N濃度場結(jié)果分析

為了分析不同換水周期對其濃度的影響，進(jìn)行了3個(gè)方案12個(gè)工況下即不同換水流量情況下的COD濃度場結(jié)果對比分析，濃度分布如圖3所示，計(jì)算結(jié)果見表3。

圖3 不同方案NH3-N濃度等值線分布圖

表3 各工況下NH3-N去除率

如圖3所示，湖中水體受環(huán)流作用，濃度混摻均勻。在Ⅰ號、Ⅱ號人工湖的東南部均出現(xiàn)“死角”現(xiàn)象，水體未得到置換與凈化，污染物濃度有所降低是由于水體的自凈能力，而擴(kuò)散效果不明顯。

從表3可知，隨著水體的擴(kuò)散，湖泊內(nèi)濃度值總體均呈下降趨勢；湖中NH3-N初始濃度為3 mg/L，入湖濃度為0.5 mg/L，入湖后沿北岸向西擴(kuò)散，方案1經(jīng)過大約24小時(shí)水體基本完成一次置換，水體基本達(dá)到完全混合，混合濃度大約為1.2 mg/L；方案2經(jīng)過大約48小時(shí)水體基本完成一次置換，水體基本達(dá)到完全混合，混合濃度大約為1 mg/L；方案3經(jīng)過大約96小時(shí)水體基本完成一次置換，水體基本達(dá)到完全混合，混合濃度大約為0.6 mg/L。

對比不同方案下的去除率可見，方案3均高于方案2、1的NH3-N去除率，表明在相同進(jìn)出水口情況下，換水96小時(shí)方案的NH3-N平均去除率為87%以上；換水48小時(shí)方案的NH3-N平均去除率為80%以上；換水24小時(shí)方案的NH3-N平均去除率為74%以上，前者較后者延長了換水時(shí)間，在保證完成換水工作的同時(shí)更好的改善了水體的水環(huán)境質(zhì)量。

在總流量相同的情況下，采取分流方式進(jìn)水，增加進(jìn)水口數(shù)量可以加大水體擴(kuò)散至整體湖泊，促進(jìn)水體的混摻，增大水體自凈，有利于清除湖泊中的“死角”現(xiàn)象；增設(shè)島嶼可以阻止水流的主流流動，增大水體在Ⅰ號湖泊內(nèi)的擴(kuò)散作用，從而避免由于水流直接流向下湖導(dǎo)致擴(kuò)散受阻引起水體交換不夠；增加進(jìn)水口數(shù)量、在湖中增設(shè)島嶼均能使NH3-N平均去除率有所增大，水體改善效果有一定程度的提高，但是提高效果不是很明顯；相同換水量情況下，延長換水周期能夠使NH3-N平均去除率增大明顯，水質(zhì)改善效果顯著。

4 結(jié)論

（1）通過對該人工湖的濃度場數(shù)值模擬，預(yù)測與分析了人工水循環(huán)過程中湖泊湖泊水體的濃度場分布情況，可知人工水循環(huán)措施是改善城市湖泊水體流態(tài)的一種有效的物理方法。

（2）以COD、NH3-N為主要的水質(zhì)模擬指標(biāo)，分別計(jì)算了其在不同措施下的水質(zhì)指標(biāo)去除率，結(jié)果表明：在相同水體流量下，增加進(jìn)水口數(shù)量或者在湖泊中增設(shè)島嶼分流能夠促進(jìn)水體的混摻與擴(kuò)散，有利于水體污染物的充分?jǐn)U散，污染物平均去除率增大，增大了水體自凈能力，對水質(zhì)改善效果明顯。

（3）利用Mike21軟件對人工湖泊濃度場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，是城市人工湖泊設(shè)計(jì)合理性的有效工具。

[1]馬生偉,蔡啟銘.太湖水體的總磷分布及湖流對其影響的數(shù)值研究[J].湖泊科學(xué),1997,9(4):325-330.

[2]俞柏炎.多進(jìn)出水口湖泊水體推移及濃度場預(yù)測分析[D].杭州:浙江大學(xué).2006.

[3]彭進(jìn)平,逄勇,李一平,丁玲,吳昭巧.水動力過程后湖泊水體磷素變化及其對富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)[J].生態(tài)環(huán)境,2004,13(4):503-505.

[4]辛小康,尹煒,葉閩.水動力調(diào)控三峽庫區(qū)支流水華方案初步研究[J].水電能源科學(xué).2011,29(7).