引水方案對人工湖內(nèi)換水率影響的數(shù)值模擬

馮丹 田淳 吳月勇

摘要：針對缺水城市人工湖富營養(yǎng)化問題，以引水口數(shù)量、位置和引水方式為研究要素，采用MIKE21軟件對青海省海東市湟水河治理工程樂都主城段南側(cè)人工湖10種引水方案的引水效果進(jìn)行數(shù)值模擬，分析對比了不同引水方案下水體的換水率，以尋求最佳引水方案。結(jié)果表明：主引水口位置應(yīng)設(shè)置在離出水口較遠(yuǎn)的地方：當(dāng)引水流量一定時(shí)，相較于單一引水口補(bǔ)水方案，多引水口交錯(cuò)補(bǔ)水的方案引水效果較好，其平均換水率和最小換水率均有顯著提高，水體流動情況較好，循環(huán)程度較高。

關(guān)鍵詞：人工湖;引水方案;換水率;數(shù)值模擬

中圖分類號：TV133.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.05 .016

人工湖作為城市的景觀水體，不僅可以改善城市水環(huán)境，而且可以為大眾提供良好的游憩場所，對提升城市環(huán)境和居民生活的舒適度具有重要意義。近年來，隨著“生態(tài)城市”[1]概念深入人心以及人們對更好環(huán)境質(zhì)量的需求，越來越多的城市修建了人工湖，但是在修建人工湖的過程中，注重點(diǎn)往往在于人工湖的“形態(tài)”，而忽略了人工湖的水流條件，以及對流態(tài)的科學(xué)調(diào)控，導(dǎo)致很多人工湖出現(xiàn)不同程度的富營養(yǎng)化，不僅沒有達(dá)到改善城市水環(huán)境的目的，而且造成了新的污染，與修建人工湖的初衷背道而馳。部分學(xué)者開始注意到這個(gè)問題并展開了這方面的研究.Jia Y F等[2]采用有限元法建立了深度平均的平面二維水動力一水質(zhì)模型，考慮氮、磷、溶解氧等多個(gè)水質(zhì)變量之間的互相轉(zhuǎn)化及遷移，并將該模型應(yīng)用于淺牛扼湖的水質(zhì)變化研究中：馬骎等[3]以某住宅小區(qū)人工湖為例，建立二維水動力模型，模擬了多工況下人工湖流速分布情況，研究表明湖中存在“死角”，并提出了改進(jìn)方案;余成等[4]以武漢東湖為例，模擬了4種補(bǔ)水工況，結(jié)果表明在設(shè)置兩個(gè)補(bǔ)水口以及考慮風(fēng)速影響的情況下，東湖水體中TN、TP濃度分布最均勻;郭鵬程等[5]采用水動力模型模擬計(jì)算了不同方案下北川河生態(tài)河道10#生態(tài)湖的流場及水體交換情況，結(jié)果表明在湖體西北部新開一個(gè)引水口，既能大幅度改善湖體水環(huán)境質(zhì)量，又能減少調(diào)水時(shí)間并節(jié)約水量。這些研究大多是針對人工湖水源相對豐富的地區(qū)，對于缺水城市人工湖運(yùn)行方式的研究尚顯不足。缺水城市人工湖缺少與天然水體的連通，來水（補(bǔ)水）流量受限，再加上湖體形態(tài)復(fù)雜，水體流動性差，不利于污染物的稀釋與擴(kuò)散[6]。本文利用MIKE21軟件包中的FlowModel FM模塊建立數(shù)學(xué)模型，對青海省海東市湟水河治理工程樂都主城段南側(cè)人工湖的引水方式進(jìn)行優(yōu)化分析，確定最佳引水方式，以期為具有相似問題的人工湖建設(shè)提供借鑒。

1 數(shù)學(xué)模型原理

1.1 水動力模型

水動力模型是基于求解沿水深積分的二維不可壓縮雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程和連續(xù)方程建立的，并服從Boussinesq假定和靜水壓力假定。模型控制方程：

2 模型應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

青海省屬于半干旱大陸性氣候區(qū)，具有高寒干旱、蒸發(fā)量大等特點(diǎn)。年平均氣溫6.9℃，降水量為319.2-531.9 mm，蒸發(fā)能力為1 275.6-1 861.0 mm。研究區(qū)人工湖位于海東市湟水河（黃河一級支流）東大橋與水磨營大橋之間堤防的南側(cè)，東西長約460 m.南北寬約380 m.湖面總面積約11萬m²，人工湖容積15.6萬m³，平均水深2m，水面高程1969 m，湖底高程1966 m。由于湟水河含沙量較大，水體黃濁，因此不宜作為湖區(qū)主水源，僅作為應(yīng)急備用水源。主水源為湖區(qū)南側(cè)水質(zhì)較好的一條天然溝道崗子溝，受崗子溝水源水量分配限制，供水量為5 200 m³/d，通過管道向湖區(qū)供水，湖區(qū)出水排至湟水河，湖區(qū)內(nèi)設(shè)有10座島嶼，因此內(nèi)部形態(tài)不規(guī)則，水流流態(tài)復(fù)雜。

2.2 網(wǎng)格地形圖

該人工湖湖深較淺，最大深度為3m，湖面面積約11萬m²，水域垂向尺寸遠(yuǎn)小于水平尺寸，因此采用二維水動力一水質(zhì)耦合數(shù)值模擬模型。由于人工湖圍堤邊界和湖內(nèi)水系較復(fù)雜，對網(wǎng)格精度要求較高，因此采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分計(jì)算水域，共劃分了3 333個(gè)網(wǎng)格，人工湖網(wǎng)格劃分見圖1。

2.3 模型參數(shù)設(shè)置

該人工湖正常蓄水位為1 969 m，引水量為5 200m²/d.即0.06 m²/s。由于人工湖受到的污染一般為有機(jī)污染，因此在水體交換模擬時(shí)COD為污染控制因子[7]。模型中將初始條件設(shè)置為固定水位1 969 m，湖區(qū)初始COD濃度為40 mg/L。邊界條件設(shè)置為進(jìn)、出口流量0.06 m²/s。進(jìn)水口采用點(diǎn)源的方式設(shè)置，依據(jù)實(shí)測資料，引水水源處COD濃度為30 mg/L，將其作為進(jìn)口控制條件。出水口將湖區(qū)水體自然出流作為出口控制條件，根據(jù)不同的引水方案給各進(jìn)水口分配不同的進(jìn)水流量。模型輸出結(jié)果為水體中COD的濃度，通過水體中COD濃度變化來反映湖區(qū)水體置換率，間接反映引水效果。計(jì)算中，湖區(qū)水體COD濃度始終為30 - 40 mg/L，濃度越接近30 mg/L，說明該處水體置換率越高。在此特引入無量綱換水率的概念來表示湖區(qū)水體置換情況，采用湖區(qū)初始COD濃度與某時(shí)刻模型計(jì)算COD濃度的差值比上湖區(qū)初始COD濃度與引水COD濃度的差值來表示換水率。據(jù)此可以得出湖區(qū)各點(diǎn)的換水率，換水率越大，表示該處水體流動情況越好，水體循環(huán)程度高。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 方案的制定

結(jié)合該人工湖的引水周期和進(jìn)口布置形式，在不考慮沿程損耗的情況下，假定每天將5 200 m²的水全部注入人工湖，擬定以下7種引水方案?？紤]到湖區(qū)的地形條件和周圍河網(wǎng)分布情況，出水口只能在圖1中的位置。方案一、二、三均為單口進(jìn)水;方案四、五、六為雙口進(jìn)水，2個(gè)進(jìn)水口平分進(jìn)水流量：方案七為3個(gè)進(jìn)水口同時(shí)進(jìn)水，3個(gè)進(jìn)水口平分進(jìn)水流量。具體引水方案見表1。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

引水30 d后，對換水周期末時(shí)刻湖區(qū)內(nèi)所有位置的COD濃度進(jìn)行提取，計(jì)算換水率，各方案湖區(qū)換水率見表2。

從表2可以看出，在連續(xù)引水一個(gè)月后，方案一、方案二、方案四的最小換水率為0，這說明湖區(qū)存在水體流動性較差甚至是完全不流動的“死角”，由此得出，不宜采用進(jìn)口1單獨(dú)進(jìn)水、進(jìn)口2單獨(dú)進(jìn)水、進(jìn)口1與進(jìn)口2同時(shí)進(jìn)水的方案。其余4種方案中，方案三、方案五的平均換水率較大，表明采用進(jìn)口3單獨(dú)進(jìn)水或者進(jìn)口2與進(jìn)口3同時(shí)進(jìn)水的方案較優(yōu)。但表2只列出了湖區(qū)換水率的統(tǒng)計(jì)值，并不能反映湖區(qū)換水率的分布情況。一個(gè)換水周期（30 d）后，各方案湖區(qū)換水率分布情況見圖2-圖8.圖中單位區(qū)域換水率越高，表示該區(qū)域水質(zhì)條件越好。

方案一在湖區(qū)西部、南部均會出現(xiàn)大面積的湖體死角;方案二、方案四則會在西北處出現(xiàn)湖體死角，主要集中在1#島、2#島、10#島的西側(cè)。主要原因是，進(jìn)口1和進(jìn)口2的位置布置不合理，離出水口較近，再加上湖中島嶼對水流的阻礙作用，補(bǔ)充水流到達(dá)出水口時(shí)，直接從出水口流出，難以到達(dá)人工湖的最西側(cè)，人工湖西側(cè)水體交換能力差，水質(zhì)得不到保障。由此可見，進(jìn)水口不可離出水口太近，這樣不利于湖區(qū)水體循環(huán)。其余4種方案使用了離出水口較遠(yuǎn)的進(jìn)口3，從圖中可以看出這4種方案有效減少了引水過程中的湖體“死角”現(xiàn)象。方案七雖然利用多個(gè)分散進(jìn)水口來引水，但仍不是較優(yōu)方案，由圖8可以看出，在3#島西側(cè)的湖心處換水率最低。原因是，3#島西側(cè)存在內(nèi)凹的岬角，進(jìn)口2、進(jìn)口3流入的水體會形成對流，在湖心地帶形成一條低換水率的狹長帶，一直延伸至3#島西側(cè);平均進(jìn)水的方式分散了每個(gè)進(jìn)水口的流量，使得各進(jìn)水口的作用范圍和作用強(qiáng)度減小。此外，方案三也有明顯不足，由圖4可以看出，8#島南側(cè)、6#島附近水域，即模型東南角換水率較低，這些區(qū)域水體循環(huán)相對較差，原因是進(jìn)口3位于湖區(qū)西北角，距離出水口較遠(yuǎn)，可以保證湖區(qū)大部分水體有較好的流動性，但無法保證距離進(jìn)口3較遠(yuǎn)處及被3#島左側(cè)遮蔽處水體的流動性。

綜上所述，進(jìn)水口不能距離出水口太近，不然會出現(xiàn)換水“死角”：單個(gè)進(jìn)水口方案即使距離出口較遠(yuǎn)，在湖區(qū)島嶼地形復(fù)雜時(shí)也難以保證整個(gè)湖區(qū)水體循環(huán)良好，因此采取多個(gè)進(jìn)水口方案是十分必要的。

3.3 方案比選

3.3.1 進(jìn)水口位置優(yōu)化

在上述幾種方案中，進(jìn)口2位置布置得不合理，進(jìn)口2并不能發(fā)揮較好的引水效果，進(jìn)口2距離9#島太近，9#島的存在，會對引水來流產(chǎn)生頂托作用，產(chǎn)生局部旋滾，水流流速降低，這使得引入的水體難以到達(dá)湖區(qū)北部。為了發(fā)揮進(jìn)口2的作用，應(yīng)將其位置適當(dāng)北移，可以放置在9#島、10#島之間，且引水時(shí)最好與進(jìn)口3的引水時(shí)間錯(cuò)開。進(jìn)口2位置調(diào)整后，方案二湖區(qū)換水率分布（連續(xù)引水30 d）見圖9。進(jìn)口2位置調(diào)整后，方案二的湖區(qū)換水率大大提高，湖區(qū)最大換水率為84.30%，平均換水率為72.30%.最小換水率為25.91%。湖區(qū)北部的“死角”已基本消除，但湖區(qū)西北角和東南角距離進(jìn)口2較遠(yuǎn)，換水率較其他區(qū)域水體稍低?？偟膩碚f，進(jìn)口2的位置調(diào)整后對湖區(qū)引水效果有較好的改善作用。

3.3.2 進(jìn)水形式優(yōu)化

由方案一至方案七的分析結(jié)果可知，人工湖采用多口進(jìn)水方案比較合適，且應(yīng)區(qū)分主次進(jìn)水口，引水時(shí)應(yīng)以進(jìn)口2或進(jìn)口3為主。因此，在上述方案的基礎(chǔ)上提出了方案八、方案九和方案十，其中方案八、方案九以進(jìn)口3為主，方案十以進(jìn)口2為主，見表3。新增引水方案換水率見表4。

由圖10和圖11可知，采取多引水口交錯(cuò)補(bǔ)水的方式，湖區(qū)水體的換水率均有顯著提高。方案八與方案九雖然均以進(jìn)口3為主進(jìn)水口，但方案九湖區(qū)局部區(qū)域換水率較低。這再一次說明在進(jìn)行多口引水時(shí)，不宜采用分散進(jìn)水的方式，這樣會使單個(gè)進(jìn)水口的引水流量降低，水流流速減小，新舊水體之間的混摻作用減弱，換水效果變差，換水作用范圍減小，不利于局部區(qū)域“死角”的消除。對比圖10與圖12，方案八與方案十的換水率分布較為均勻，引水效果較優(yōu)。但相較方案八，方案十的平均換水率更高，且最小換水率提升較大，故方案十相較方案八為更優(yōu)換水方案，再次說明在引水時(shí)應(yīng)該以進(jìn)口2或者進(jìn)口3為主引水口，并采用多引水口交錯(cuò)引水的方式。

4 結(jié)論

基于MIKE21軟件對湟水河治理工程樂都主城段南側(cè)人工湖進(jìn)行二維水動力一水質(zhì)數(shù)值模擬，綜合考慮進(jìn)水口數(shù)量、位置以及不同引水方式等因素，模擬了10種不同的引水方案，經(jīng)分析，在換水過程中根據(jù)人工湖的形態(tài)制定主次進(jìn)水口，并科學(xué)確定各進(jìn)水口的進(jìn)水時(shí)間的方案，即方案十為較優(yōu)方案，湖區(qū)內(nèi)沒有出現(xiàn)湖體“死角”，且整個(gè)湖區(qū)內(nèi)的換水率較高，對水質(zhì)改善效果較好。

在供水流量一定的情況，相較于多個(gè)進(jìn)水口同時(shí)補(bǔ)水，多進(jìn)水口交錯(cuò)補(bǔ)水的方式，會使引水的流速明顯增大，較大的水流流速會增強(qiáng)新舊水體之間的混摻作用，換水效果顯著提高，換水的湖區(qū)面積明顯擴(kuò)大。當(dāng)湖區(qū)島嶼較多、地形條件復(fù)雜時(shí)，為保證整個(gè)湖區(qū)內(nèi)水體循環(huán)良好，在總的引水規(guī)模不變時(shí)，出水口與進(jìn)水口的連線應(yīng)盡可能貫通整個(gè)湖面，并且進(jìn)水口和出水口最好不要正對島嶼，這種布置能夠?qū)λ鞯臄U(kuò)散起到積極作用，在一定程度上提高人工湖的引水效率。

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