平原地區(qū)人工景觀湖水動力模型試驗與研究

陳 娟，潘秀華，張正揚

（1.常州市長江堤防工程管理處，江蘇 常州 213000；2.泰州市城區(qū)河道管理處，江蘇 泰州 225300；3.瓜州閘管理所，江蘇 揚州 225129）

1 概述

近年來，隨著社會的發(fā)展，城市規(guī)劃發(fā)展中人工景觀湖建設(shè)越來越多。由于人工景觀湖自身生態(tài)脆弱和水質(zhì)不穩(wěn)定的特點，特別是平原地區(qū)，水流動力性小，致使有些人工景觀湖經(jīng)過短暫的運行后，水質(zhì)發(fā)生了惡變[1]，水發(fā)黑發(fā)臭或藻類泛濫，影響景觀環(huán)境甚至人類健康。因此，對人工景觀湖的水動力研究很有必要。

人工景觀湖一般通過引水、換水的方式來稀釋水中污染物，達(dá)到自凈的效果。人工的河道、湖泊水流結(jié)構(gòu)和河床演變過程相對復(fù)雜，通過物理模型試驗可以模擬天然湖泊的演變過程及發(fā)展趨勢。本文采用物理模型對人工景觀湖流場分布進(jìn)行試驗研究，選擇進(jìn)水水源，推薦進(jìn)出口，使得整個湖區(qū)有較好的水動力。

2 基本資料

2.1 自然地理資料

上海地處長江三角洲前緣，東瀕東海，南臨杭州灣，西接江蘇、浙江兩省，北界長江入?？?，正當(dāng)我國南北海岸線的中部，交通便利，腹地廣闊，地理位置優(yōu)越，是一個良好的江海港口。上海境內(nèi)除西南部有少數(shù)丘陵山脈外，全為坦蕩低平的平原，是長江三角洲沖積平原的一部分，平均海拔高度為4 m左右，陸地地勢總趨勢由東向西低微傾斜。

上海嘉定“新城中心區(qū)核心景觀區(qū)”以遠(yuǎn)香湖為主體，地處嘉定新城核心區(qū)的中軸的東端，向四周輻射。人工景觀湖“遠(yuǎn)香湖”是嘉定區(qū)域內(nèi)有統(tǒng)領(lǐng)作用的水面，也是“千米一湖”規(guī)劃中最大的一個湖面。遠(yuǎn)香湖形態(tài)以“?！弊譃橐庀?，與位于中軸西端的F1賽道的“上”字形態(tài)呼應(yīng)。

人工景觀湖“遠(yuǎn)香湖”主景區(qū)規(guī)劃范圍為：西至富蘊(yùn)路，北至白銀路，東至橫瀝河，南至伊寧路，面積約為1120 m×980 m。該規(guī)劃范圍內(nèi)地勢平坦、低洼，設(shè)計地面高程為4.50 m，河底高程為-1.0～-0.5 m，一般均在-1.0 m左右。

2.2 水位資料

根據(jù)上海嘉定區(qū)水務(wù)局提供的水文資料，嘉定區(qū)南門地區(qū)（白銀路至伊寧路的橫瀝河）的水位情況見表1。南北向橫瀝河為遠(yuǎn)香湖所在區(qū)域的主要來水河道，水質(zhì)情況較好，水位北高南低，但水位差很小，南北水力坡降約為1/100000。

表1 白銀路至伊寧路的橫瀝河水位

2.3 工程資料

人工景觀湖“遠(yuǎn)香湖”的規(guī)模、形狀具體圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)香湖平面布置圖

3 物理模型試驗研究

3.1 模型設(shè)計與制造

依據(jù)相似性力學(xué)原理及原型條件設(shè)計、制造模型和進(jìn)行模型試驗[2]。模型試驗就是按照相似準(zhǔn)則，將原體實物制成模型，根據(jù)其所受的主要作用力，進(jìn)行試驗研究。相似模型的類型主要分為：完全相似模型、近似相似模型、正態(tài)模型和變態(tài)模型，在實際工程應(yīng)用中一般是采用正態(tài)相似模型。為保證水流各種局部現(xiàn)象都保持相似，本次模型試驗采用正態(tài)定床模型。

3.1.1 模型比尺

根據(jù)重力相似準(zhǔn)則，模型按重力相似的Fr準(zhǔn)則設(shè)計，即根據(jù)人工湖規(guī)劃尺寸和面積，結(jié)合場地條件，選擇合理的模型比尺，確保模型試驗真實可靠，擬取模型幾何比尺Lr=Lp/Lm=35，由重力相似定律可得其它水流要素相似比尺，具體見表2。

表2 水流要素相似比尺

3.1.2 模型布置

模型為立體架空結(jié)構(gòu)，可直觀地觀測流場流態(tài)等情況。模型范圍取“?！弊炙档闹黧w部分，按1：35的比尺制作模型，模型主體范圍約為28 m×32 m。模型底板高程用精密水準(zhǔn)儀對每個定位坐標(biāo)點進(jìn)行校準(zhǔn)，在角鋼支架上鋪設(shè)泡沫展板墊層，保證模型底板高程精度控制在0.2 mm之內(nèi)。在6個進(jìn)、出水口處分別設(shè)置了穩(wěn)流水箱、控制流量用閥門，在模型中心處設(shè)置一水流進(jìn)出交換用壓力水箱，通過管道與6個進(jìn)、出水口處的穩(wěn)流水箱連接，在與橫瀝河相通的3個進(jìn)、出口處，模擬了橫瀝河，以便進(jìn)行自流工況等的試驗研究，同時采用循環(huán)水泵提供水動力，以實現(xiàn)水流的循環(huán)流動。管道布置圖具體見圖2。

圖2 管道布置圖

3.1.3 模型材料

根據(jù)模型相似準(zhǔn)則關(guān)于糙率相似的要求，據(jù)模型幾何比尺Lr來推求糙率系數(shù)的比尺，得到糙率比尺：nr=Lr1/6=1.809。由于常見河道的np在0.013～0.03之間[3]，根據(jù)換算后，模型相應(yīng)的糙率nm應(yīng)在0.0072～0.0166之間。模型制作中河道采用聚氨酯塑料板和抹光混凝土制作，糙率系數(shù)分別為0.0086和0.012在常見河道模型糙率范圍內(nèi)，因此能滿足相似要求。模型制作所用材料為：混凝土模擬水體邊界，聚氨酯塑料板模擬河底；角鋼、槽鋼、工字鋼等型材用來制作核心景觀結(jié)構(gòu)框架、測橋等。

3.2 量測方法和設(shè)備

（1）流量：模型流量采用超聲波流量計測定，超聲波流量計是通過檢測流體流動時對超聲速（或超聲脈沖）的作用，以測量體積流量的儀表。該流量計的流量測試精度高于±0.5%[4]。流量計布置在6條進(jìn)、出水口管道上以及橫瀝河上，進(jìn)出口編號見圖3。

圖3 模型進(jìn)出口位置布置圖

（2）流態(tài)：采用專用懸浮粒子對湖區(qū)面層流態(tài)進(jìn)行觀察，湖區(qū)底層流態(tài)采用化學(xué)示蹤法顯示流場，通過該方法能較清楚地展示水體的回流和旋流等流態(tài)。

（3）流速：各個斷面的模型流速采用超聲波測速儀（小型StreamPro ADCP測速儀）[3]，可以確定典型工況下主要斷面的流速分布。

（4）水位：水位、水位差等采用水準(zhǔn)儀、鋼尺以及專用穩(wěn)壓差壓箱測定。

3.3 模型試驗工況設(shè)計

模型試驗工況的設(shè)計按照循序漸進(jìn)、逐步完善的原則進(jìn)行。水動力試驗研究工況分成自流工況、自流改進(jìn)工況、輔流工況和輔流改進(jìn)工況4個階段，逐步深入分析、比較景觀湖的流場分布情況，不斷調(diào)整改善景觀湖的水動力，最終選擇出合理的人工景觀湖調(diào)水方案。

進(jìn)出水口在“?！弊种黧w水系中共有6個，根據(jù)提供的資料及工程換水水質(zhì)的實際需要，橫瀝河為景觀湖所在區(qū)域主要凈水水源，與景觀湖有3處水源相通（分別為Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅲ號進(jìn)出水口），因而將這3處定為水源的主要進(jìn)水口；另3處定為水源的主要出水口，即與小橫瀝河相通處（即Ⅳ號進(jìn)出口），與趙涇相通的東云池及荷香潭兩處（即Ⅴ號、Ⅵ號進(jìn)出口），詳見圖3。試驗中通過控制進(jìn)水流量，使水位差達(dá)到試驗要求水位差進(jìn)行試驗。

因此，根據(jù)各進(jìn)、出口的組合、流量、水深等情況，模型試驗工況如下：

（4）輔流改進(jìn)工況

3.4 水動力流態(tài)試驗研究

水動力流態(tài)試驗分成自流工況、自流改進(jìn)工況、輔流工況和輔流改進(jìn)工況這4個工況進(jìn)行試驗，逐步深入分析、比較景觀湖的流場分布情況，不斷調(diào)整改善景觀湖的水動力。試驗過程中的面層和底層流場情況可以準(zhǔn)確的在整個模型的定位坐標(biāo)上反映，通過人工記錄的方式對整個模型的流場進(jìn)行繪制，最終以電子圖形的形式準(zhǔn)確還原整個模型的流場情況。

3.4.1 自流工況試驗

在歷年最高水位、歷年最低水位、常年平均水位這3種工況下進(jìn)行試驗，2個進(jìn)出口位置的水位差較小，形成的動力不足以克服邊界阻力形成水體流動，無法通過自流實現(xiàn)水體自凈。

3.4.2 自流改進(jìn)工況試驗

（1）自流改進(jìn)工況Ⅰ

自流改進(jìn)工況Ⅰ拆除對主體景觀影響微小的小島5、6，并改4號小島為直立坡進(jìn)行測試。在橫瀝河原型常水位▽P=2.58 m和歷年最低水位▽P=1.91 m，2個水位下的水位差較小，形成的動力不足以克服邊界阻力形成水體流動，無法通過自流實現(xiàn)水體自凈。

（2）自流改進(jìn)工況Ⅱ

局部抬高橫瀝河水位，適當(dāng)抬高“?！弊种饕M(jìn)出水口水位差（非橫瀝河水位差），以提升水流動力。當(dāng)“?！弊种饕M(jìn)出水口Ⅰ號和Ⅳ號間模型水位差△Hm=0.0014 m時，即原型為△HP=0.05 m時，有可能通過自流實現(xiàn)水體自凈，但需提高主要進(jìn)出水口水位差，這會影響到橫瀝河上、下游的水位，現(xiàn)實中很難實現(xiàn)。

3.4.3 輔流工況試驗

輔流工況試驗是在6個進(jìn)出口中某位置設(shè)置泵站或其它水工建筑物來輔助人工景觀湖的水體流動，從而達(dá)到水體凈化的目的。輔流工況試驗設(shè)計時，水位以橫瀝河常年平均水位▽P=2.58 m為主要試驗水位，其它水位在工況優(yōu)化后再作比較；從試驗方便觀測流態(tài)的角度出發(fā)，試驗中擬定總輔流為Qm=30 m3/h左右，由此換算得原型輔流流量約為60 m3/s，流量取值大小可根據(jù)換水時間和泵站過流量關(guān)系試驗研究結(jié)果而定。在此水位和流量條件下采用以下4個工況進(jìn)行試驗。

（1）工況1：Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅲ號分別為進(jìn)水口，其余3個為出水口。

（2）工況2：Ⅰ號、Ⅱ號分別位為進(jìn)水口，其余4個為出水口。

（3）工況3：Ⅰ號為進(jìn)水口，其余5個為出水口。

（4）工況4：Ⅱ號為進(jìn)水口，Ⅰ號關(guān)閉，其余為出水口。

試驗結(jié)果表明：這4個工況的底層均為為靜水區(qū)或微速區(qū)，水動力不能滿足要求，具體見圖4～圖7。

圖4 輔流工況1底層流態(tài)示意圖

圖5 輔流工況2底層流態(tài)示意圖

圖6 輔流工況3底層流態(tài)示意圖

圖7 輔流工況4底層流態(tài)示意圖

3.4.4 輔流工況改進(jìn)試驗

根據(jù)模型試驗結(jié)果得出最佳工況（輔流改進(jìn)工況6），水流動力增強(qiáng)，流態(tài)進(jìn)一步改善，最終確定為人工景觀湖的最佳進(jìn)出口組合工況，具體見圖8～圖11。

3.5 換水時間和泵站流量關(guān)系的研究

在最佳工況（即輔流改進(jìn)工況6）下，我們進(jìn)行了換水時間和泵站流量關(guān)系的試驗研究。試驗時，在Ⅱ號進(jìn)水口放置測試換水時間的專用浮子，并在浮子上逐一做標(biāo)記，用計時器跟蹤計時，通過改變流量的大小，測定不同換水流量下所需的換水時間。

圖8 輔流改進(jìn)工況1底層流態(tài)示意圖

圖9 輔流改進(jìn)工況2底層流態(tài)示意圖

圖10 輔流改進(jìn)工況3底層流態(tài)示意圖

圖11 輔流改進(jìn)工況4底層流態(tài)示意圖

圖12 輔流改進(jìn)工況5底層流態(tài)示意圖

圖13 輔流改進(jìn)工況6底層流態(tài)示意圖

經(jīng)過模型試驗得出了不同換水流量下需要的換水時間，運用流量比尺Qr==7247.198和時間比尺Tr==5.916進(jìn)行換算，得出了原型的換水時間和泵站過流量的關(guān)系，具體數(shù)據(jù)見表3。

輔流泵站規(guī)模的可以根據(jù)換水時間要求和經(jīng)濟(jì)效益綜合考慮進(jìn)行設(shè)計，得出更為經(jīng)濟(jì)合理的工程造價。

表3 換水時間和泵站流量的對應(yīng)關(guān)系

經(jīng)過數(shù)值分析和曲線的擬合，最終得出了原型的換水時間和泵站過流量的關(guān)系曲線，見圖14。換水時間和泵站過流量的關(guān)系用最小二乘法、三次樣條插值函數(shù)來擬合，得出關(guān)系公式：

（注：此公式在本模型試驗條件下，可測試流量內(nèi)適用。）

舉例：當(dāng)原型泵站過水流量QP=57600 m3/h（即流量為16 m3/s）時，代入式（1）得：

Tp=-7×10-15×576003+6×10-9×576002-0.0016×57600+146.68

=73.089（h）≈ 3（d）

圖14 換水時間和泵站流量的關(guān)系曲線

4 結(jié)語

本文對遠(yuǎn)香湖的水體水動力情況進(jìn)行物理模型試驗研究，根據(jù)地形和水位情況提出多種不同的工況，并通過物理模型試驗得出相應(yīng)的流態(tài)示意圖，并根據(jù)流場來選擇合理的人工景觀湖進(jìn)出口方案。文中人工景觀湖水動力的研究方法和研究結(jié)果具有較強(qiáng)的應(yīng)用價值，對人工景觀湖及同類型的其它工程也有重要的借鑒價值和良好的推廣應(yīng)用前景。