基于Mike21流場分析的人工湖設計研究

石夢潔 胡 操

（安徽省城建設計研究總院股份有限公司 合肥 230051 南京市長江河道管理處 南京 210000）

近年來，生態(tài)健康等觀念深入人心，構(gòu)建山、水、城之間的和諧關(guān)系成為城市的發(fā)展方向之一。在具備合理性和可行性條件的前提下，人工湖的開發(fā)便是將自然與人和諧統(tǒng)一的良好手段，在城市改善生活環(huán)境、城市整體景觀品質(zhì)、城市魅力及城市投資環(huán)境的提升等方面具有相當?shù)囊饬x和價值。鑒于此，人工湖生態(tài)設計研究被廣泛重視并推廣。本文利用Mike21軟件通過對念湖風生流和吞吐流模擬研究，分析念湖設計方案的合理性，為念湖生態(tài)設計提供了一定的科學依據(jù)與技術(shù)支持。

1 念湖概況

念湖位于安徽省合肥市長豐縣下塘鎮(zhèn)中心位置，南臨莊墓河主源，東接瓦東干渠，北挨下塘鎮(zhèn)規(guī)劃核心區(qū)，西至鳳麟大道，為整個鎮(zhèn)區(qū)的景觀中心，建設面積80畝。湖體以結(jié)合周圍景觀以及綠地采用適當?shù)拈_挖方式成湖，湖體平面成環(huán)狀，設計岸線平曲交錯，具有一定的形態(tài)美感，東側(cè)湖區(qū)內(nèi)有三處小島，西邊湖心島由道路連接南北兩岸。東西均規(guī)劃有相應銜接河道，引補順暢。

2 研究模型構(gòu)建

2.1 數(shù)值模型

運用Mike軟件對念湖流場進行模擬，Mike21是Mike軟件中的二維模型模塊，該模型運用了三向不可壓縮方程以及Reynold值均分布的Navier-Stokes方程，同時也運用了靜水壓力的假定和Boussinesq假定。二維非恒定淺水方程組為：

圖1 流場模擬網(wǎng)格劃分及水深分布圖

圖2 風生流模擬結(jié)果圖

圖3 吞吐流模擬結(jié)果圖

式中：t為時間，η為水位；h=η+d為總水深，u和v分別是x和y方向上的速度分量，x，y為笛卡爾坐標系坐標，f是科氏力系數(shù)，g為重力加速度，sxx，sxy，syy分別為輻射應力分量，S為源項，ρ為水的密度。

2.2 邊界條件

通過利用已有的念湖范圍和設計水深，利用SMS進行網(wǎng)格劃分，然后進行網(wǎng)格內(nèi)部高程插值后導入MIKE中進行模擬，分風生流和吞吐流進行模擬。給定的風生流邊界條件為東北偏東南風2.7m/s，吞吐流邊界條件為進出口流量分別設置為3d完成補水流量0.36m3/s，5d完成補水流量0.21m3/s，7d完成補水流量0.15m3/s。

2.3 網(wǎng)格劃分

首先根據(jù)編制范圍提取出計算范圍的邊界線；其次利用基礎(chǔ)地形圖等數(shù)據(jù)提取高程，分別以（x，y，z）坐標格式的*.xyz格式文件進行保存；最后根據(jù)大湖計算對地形的要求按照最大網(wǎng)格不超過0.01km2的三角形網(wǎng)格對DEM進行剖分，對主要溝渠、重要地區(qū)、地形和平面形態(tài)變化較大地區(qū)提取為（x，y，z）坐標格式的*.xyz格式文件進行保存，用于網(wǎng)格加密剖分。

此次將念湖網(wǎng)格劃分為10000個三角網(wǎng)格。圖1為將設計的水位線通過散點的形式以(x，y，z)的形式導入網(wǎng)格后得到的mesh文件。其中顏色越深，水深越深，最深水深為2m，主要集中在念湖中央。

3 研究結(jié)果

3.1 風生流研究結(jié)果

在給定風速邊界條件后模擬得到的念湖無補水條件下穩(wěn)定水深流場分布圖（見圖2），通過給定風速2.7m/s，全年多為東北偏東南風，模擬風場條件下念湖的流場變化。其中箭頭表示流速方向，在該風場條件下，整個湖區(qū)基本都受到了風生流的影響，湖心水流流程較長，整體基本無死水區(qū)，因此可認為庫區(qū)地形設計基本符合要求。

3.2 吞吐流研究結(jié)果

在給定流量邊界條件后模擬大湖3d、5d、7d完成補水的情況，通過給定進口和出口流量，并都分別設為0.34m3/s、0.20m3/s、0.14m3/s，模擬補水條件下念湖的流場變化。其中箭頭表示流速方向，模擬出來的結(jié)果表明：補水期間，整個湖區(qū)水動力條件較好，死水區(qū)和緩流區(qū)面積相對較小。從圖看出，3d完成補水期間湖區(qū)流速快的區(qū)域較大；7d完成補水湖區(qū)水域流速局部區(qū)域變化大，總體平穩(wěn)，效果較好；5d完成補水效果居中。

4 結(jié)語

（1）采用Mike21軟件模擬計算流場，風生流模擬結(jié)果表明湖心水流流程較長，整體基本無死水區(qū)，可認為庫區(qū)地形設計基本符合要求；吞吐流通過對比三種補水流量方案，結(jié)果表明7d完成補水效果最佳。

（2）基于流場分析模擬湖泊流場的結(jié)果可應用于城市人工湖前期的湖形設計與補水的優(yōu)化設計，獲得的念湖引水過程中湖泊流場的變化及湖泊的死水區(qū)域，為生態(tài)建設及輔助設施的布置提供了依據(jù)。

（3）使用Mike21軟件研究念湖生態(tài)設計及可行性，為設計提供了一定科學依據(jù)與技術(shù)支持■