定常風(fēng)場和吞吐流對烏梁素海流場的影響*

王志超 施青松 李 興 李衛(wèi)平 楊文煥 于玲紅

定常風(fēng)場和吞吐流對烏梁素海流場的影響*

王志超1施青松1李 興2李衛(wèi)平1①楊文煥1于玲紅1

(1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 包頭 014010; 2. 內(nèi)蒙古師范大學(xué)內(nèi)蒙古節(jié)水農(nóng)業(yè)工程研究中心 呼和浩特 010020)

風(fēng)場和吞吐流是淺水湖泊運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力, 影響著湖區(qū)污染物的遷移轉(zhuǎn)化?；诙S非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格, 構(gòu)建了烏梁素海水動(dòng)力模型。通過對比定常風(fēng)作用下湖流的方向、環(huán)流的分布及形式與無風(fēng)條件下的區(qū)別, 模擬不同算例吞吐流作用下湖區(qū)流速及環(huán)流結(jié)構(gòu)的差異, 探究了定常風(fēng)和吞吐流對烏梁素海流場的影響。結(jié)果表明: 烏梁素海在無風(fēng)條件下出現(xiàn)大面積的滯流區(qū); 風(fēng)場會(huì)增加湖流的流速, 影響區(qū)域主要在西大灘區(qū)、東大灘區(qū)及湖區(qū)南部明水區(qū), 產(chǎn)生明顯環(huán)流, 風(fēng)場是烏梁素海主要的驅(qū)動(dòng)力; SSW與ENE向風(fēng)場作用下, 典型區(qū)域產(chǎn)生的環(huán)流位置、形態(tài)結(jié)構(gòu)相近, 方向相反; 吞吐流量的增加會(huì)增大湖區(qū)整體流速, 對湖區(qū)流場形態(tài)、結(jié)構(gòu)影響較小; 定常風(fēng)條件下, 吞吐流量的增加(一定范圍)會(huì)導(dǎo)致環(huán)流強(qiáng)度減弱。研究結(jié)果為烏梁素海營養(yǎng)鹽、污染物質(zhì)輸移規(guī)律研究奠定基礎(chǔ)。

烏梁素海; 定常風(fēng); 吞吐流; 水動(dòng)力模擬

水動(dòng)力過程對湖泊中物質(zhì)與能量的遷移轉(zhuǎn)化起到?jīng)Q定性作用, 是湖泊中污染物、泥沙等輸移的重要基礎(chǔ); 湖泊水動(dòng)力特性主要與湖泊本身輪廓特征、吞吐流、風(fēng)驅(qū)動(dòng)力等物理參數(shù)有關(guān)(李一平等, 2012, 2014; Yao, 2019; Chen, 2020)。對于大型淺水湖泊而言, 風(fēng)和吞吐流為其主要的驅(qū)動(dòng)力, 風(fēng)場會(huì)改變湖水的運(yùn)動(dòng)軌跡, 決定著湖泊的環(huán)流形態(tài)、結(jié)構(gòu)及湖流流速的大小, 影響物質(zhì)在水體中的遷移與擴(kuò)散, 進(jìn)而對湖泊水環(huán)境產(chǎn)生影響(姚靜等, 2016; Liu, 2019)。吞吐流也是湖水運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力之一, 它通過水體交換, 進(jìn)而對湖泊營養(yǎng)鹽擴(kuò)散與遷移、泥沙沖淤及湖水污染物濃度場的變化產(chǎn)生影響(Gao, 2015; 趙正文, 2018)。

在大型淺水湖泊水動(dòng)力研究過程中, 對于湖泊的實(shí)時(shí)監(jiān)測不易實(shí)現(xiàn), 故數(shù)值模擬是研究湖泊水動(dòng)力的重要手段之一。已有研究對湖泊水動(dòng)力的數(shù)值模擬開展得比較深入: 如針對太原市迎澤湖的富營養(yǎng)化問題, 武春芳等(2014)通過調(diào)整補(bǔ)水方式、補(bǔ)水頻率、湖泊柔性結(jié)構(gòu)三方面, 提出改變水動(dòng)力條件的方案并進(jìn)行數(shù)值模擬, 結(jié)果表明: 通過加大湖泊的水力循環(huán)能力、改善入湖口水質(zhì)的控制方案可以有效改善水質(zhì); 鄱陽湖存在倒灌現(xiàn)象, 唐昌新等(2015)借助EFDC的染色劑模塊及水齡模塊模擬了鄱陽湖的全年水動(dòng)力變化過程, 長江倒灌的條件是臨界來流大于實(shí)際總來流, 2008年鄱陽湖的倒灌入流擴(kuò)散面積占全湖總面積的0.97%, 6.6%, 3.5%, 12.6%, 鄱陽湖水齡可由長江的頂托作用時(shí)間加倒灌水體瀉出時(shí)間估算; 北方湖泊冬季出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象, 陳友媛等(2012)針對這一現(xiàn)象在東昌湖水動(dòng)力模型中引入了冰蓋因素, 分析六種風(fēng)應(yīng)力拖拽系數(shù)對水動(dòng)力的影響, 討論了冰蓋面積對水動(dòng)力的影響, 發(fā)現(xiàn)覆蓋冰蓋的水域, 風(fēng)應(yīng)力對水動(dòng)力作用會(huì)被減弱甚至抵消。但上述研究通常將風(fēng)場、吞吐流等物理參數(shù)作為次要影響因素, 對于風(fēng)場、吞吐流與大型淺水湖泊流場的響應(yīng)關(guān)系鮮有研究。

烏梁素海是我國典型的大型淺水湖泊, 其南北長35—40 km, 東西寬5—10 km。湖區(qū)面積多年維持在293 km2, 庫容在2.5億—3億m3之間。湖區(qū)總體水深淺, 平均水深在0.8—1.5 m之間, 最大水深只有3 m左右。湖底高程變化不明顯, 南北方向呈現(xiàn)北高南低的趨勢, 淤泥層厚, 深水區(qū)多為主航道(李興, 2009; 田偉東等, 2016)。烏梁素海地處西風(fēng)地帶, 風(fēng)期較長, 風(fēng)速較大, 年平均風(fēng)速在2.5—3.4 m/s之間, 年最大風(fēng)速18—40 m/s。同時(shí)烏梁素海也是河套灌區(qū)重要的組成部分, 是確保黃河內(nèi)蒙古段枯水期不斷流的重要調(diào)蓄補(bǔ)給庫, 承接河套灌區(qū)百分之九十以上的農(nóng)田灌溉排水、生活污水、工業(yè)廢水, 具有改善水質(zhì), 減少污染物質(zhì)對黃河水質(zhì)直接影響的作用(趙鎖志, 2013)。但由于水體流速緩慢、換水周期長、自凈能力差, 導(dǎo)致烏梁素海水環(huán)境受到了一定的影響(田偉東, 2016)。想要研究烏梁素海的水環(huán)境問題, 需要找到根本原因及關(guān)鍵影響因素。水動(dòng)力特征與規(guī)律的研究對改善烏梁素海水環(huán)境問題具有重要意義, 精準(zhǔn)地模擬和評估風(fēng)場及吞吐流在湖區(qū)的影響形式, 對于湖泊水動(dòng)力的研究尤為關(guān)鍵, 因此進(jìn)一步開展烏梁素海水動(dòng)力的模擬具有寶貴的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)價(jià)值。本文基于二維水動(dòng)力模型, 設(shè)置定常風(fēng)場和不同算例的吞吐流量, 模擬不同情況下的烏梁素海流場形態(tài), 分析風(fēng)場及吞吐流對烏梁素海的主要影響區(qū)域、影響量級及流態(tài)響應(yīng)機(jī)制, 為研究烏梁素海污染物的遷移轉(zhuǎn)化等研究提供理論支撐。

1 研究方法及方案設(shè)計(jì)

1.1 模型控制方程

水動(dòng)力模型遵循Navier-Stokes方程、Boussinesq假設(shè)和流體的靜定假設(shè)。基本方程式如下:

1.2 水動(dòng)力模型建立

烏梁素海水動(dòng)力模型的構(gòu)建首先需要制作網(wǎng)格文件, 插入湖底地形高程, 然后將網(wǎng)格文件導(dǎo)入水動(dòng)力模塊, 同時(shí)輸入邊界條件、初始條件、相關(guān)參數(shù)等, 最后通過水動(dòng)力模塊輸出結(jié)果得到模擬數(shù)據(jù)(如水位、水深、流速等)。數(shù)據(jù)的收集整理、模型的構(gòu)建均由作者完成。

1.2.1 計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格劃分 烏梁素海主要補(bǔ)給源為總排干渠、八排干渠、九排干渠、十排干渠, 其中總排干渠約占總補(bǔ)給量的88%, 湖水由烏毛計(jì)退水口排出。進(jìn)出口位置、湖底高程如圖1所示。烏梁素海平均水深0.8—1.5 m, 相較于平面尺度很小, 故假設(shè)水體垂向摻混均勻, 選用垂向均勻的平面二維不可壓縮模型。烏梁素海每年11月初至翌年3月末為冰封期, 由于冰蓋作用, 風(fēng)場對流場影響無需考慮, 故本模型的模擬時(shí)間為2018年4月1日—11月1日, 時(shí)間步長為3600 s。針對烏梁素海湖岸沿線蜿蜒曲折的特點(diǎn), 選擇三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格, 三角網(wǎng)格劃分區(qū)域更加細(xì)致穩(wěn)定, 能夠更好地?cái)M合地形和湖岸邊界。模型共布置網(wǎng)格單元12005個(gè), 節(jié)點(diǎn)數(shù)為6643個(gè), 網(wǎng)格尺寸最小為150 m, 最大為280 m, 平均尺寸為240 m。生成網(wǎng)格后, 將烏梁素海湖底的坐標(biāo)及高程值制作成,,格式的文件(為橫坐標(biāo),為縱坐標(biāo),為高程值), 輸入到模擬軟件中, 生成水下地形圖。

圖1 烏梁素海湖底高程及監(jiān)測點(diǎn)位分布

1.2.2 定解條件 本次模擬的烏梁素海水動(dòng)力模型上游入湖源匯項(xiàng)包括總排干渠、八排干渠、九排干渠、十排干渠, 下游出湖源匯項(xiàng)為烏梁素海烏毛計(jì)退水渠, 各源匯項(xiàng)流量數(shù)據(jù)分別為各排干渠及烏毛計(jì)退水渠2018年4月至10月逐日流量數(shù)據(jù)。根據(jù)《烏梁素海綜合治理規(guī)劃》, 到2020年, 烏梁素海水位控制在1018.8—1019.2 m, 故模型運(yùn)行的初始水位取1019.2 m(水位值和湖底地形高程值都基于海平面)。烏梁素海位于干旱半干旱地區(qū), 太陽輻射強(qiáng)、蒸發(fā)量大、降雨量小、干濕期差異大, 精準(zhǔn)的蒸發(fā)量和降雨量數(shù)據(jù)使模型更加穩(wěn)定, 降雨量和蒸發(fā)量數(shù)據(jù)采用氣象站2018年4月至10月每15 min一次的監(jiān)測數(shù)據(jù)。風(fēng)場數(shù)據(jù)來源與時(shí)間區(qū)間同上。

1.2.3 參數(shù)設(shè)置 本模型主要率定的參數(shù)為糙率系數(shù), 糙率系數(shù)是水力學(xué)計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù), 與水深、床面形態(tài)、植被條件等因素有關(guān)(吳喬楓等, 2018)。以蘆葦為主的多種挺水植物大量生長的區(qū)域面積和湖泊明水面積相間分布是烏梁素海主要特征之一, 水面有一半被蘆葦覆蓋, 所以糙率系數(shù)并不是單一的數(shù)值。本模擬將遙感影像圖在Arcgis中劃分為不同的區(qū)域類型, 勾勒出湖區(qū)現(xiàn)狀的各種區(qū)域的輪廓圖, 對蘆葦區(qū)、明水區(qū)、水道等分別定義, 設(shè)置不同的糙率系數(shù)(趙振興, 2013)。相對于比插值法, 這種方法更加準(zhǔn)確地定義了湖區(qū)不同區(qū)域的糙率系數(shù), 更適用于烏梁素海的水文特征, 使模型更加精確。糙率系數(shù)值如表1所示。

表1 不同地形糙率系數(shù)及曼寧系數(shù)

Tab.1 Roughness and Manning coefficient of different terrain

1.2.4 模型的驗(yàn)證 由于缺乏烏梁素海湖區(qū)實(shí)測數(shù)據(jù), 故采取人工監(jiān)測的手段。在湖區(qū)設(shè)置了12個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位(Y1—Y12), 監(jiān)測頻率為每月3次, 監(jiān)測內(nèi)容為湖區(qū)12個(gè)點(diǎn)位的水深, 水深值采用SR-100型湖泊水深測深儀測量, 點(diǎn)位分布如圖1所示。為了減小湖泊水深值測定的結(jié)果因環(huán)境、儀器操作原因產(chǎn)生的誤差, 每個(gè)點(diǎn)位測量3次, 取平均值作為該點(diǎn)的實(shí)測水深值。本研究采用2018年4—10月湖內(nèi)12個(gè)樣點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)和模型運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證, 結(jié)果表明: 各點(diǎn)位水深相對誤差均在±3%之內(nèi), 確定性系數(shù)和納什效率系數(shù)也均達(dá)到0.96以上。依據(jù)點(diǎn)位區(qū)域分布特點(diǎn)選取4個(gè)代表性點(diǎn)位, 分別為西大灘區(qū)Y2、東大灘區(qū)Y4、蘆葦區(qū)Y7、南部明水區(qū)Y11, 制作水深驗(yàn)證圖(圖2)。

1.3 風(fēng)場分析及模擬方案

風(fēng)場數(shù)據(jù)采用位于壩頭村的烏梁素海湖泊濕地觀測研究站實(shí)測的2015—2018年逐日每15 min一次的風(fēng)速、風(fēng)向資料。烏梁素海湖區(qū)面積較大, 湖區(qū)不同位置風(fēng)場存在差異, 但由于缺少多個(gè)監(jiān)測站的實(shí)測風(fēng)場資料, 故本研究假定全湖風(fēng)場在空間分布上一致。本文主要研究烏梁素海盛行風(fēng)場對湖泊的水動(dòng)力場影響, 故對于收集到的風(fēng)場資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 得到出現(xiàn)頻率較高的風(fēng)向并同時(shí)計(jì)算出其對應(yīng)的平均風(fēng)速, 模擬該風(fēng)向、風(fēng)速對湖泊水動(dòng)力場的影響方式和差異。通過監(jiān)測站數(shù)據(jù)風(fēng)玫瑰圖(圖3)可知, 烏梁素海4—10月以SSW向風(fēng)場為主, ENE向風(fēng)場次之, SSW向風(fēng)場平均風(fēng)速為2.46 m/s, ENE向風(fēng)場平均風(fēng)速為2.56 m/s, 故分別模擬2018年4月1日—11月1日期間無風(fēng)、SSW向定常風(fēng)、ENE向定常風(fēng)3種情況下的水動(dòng)力變化過程, 2種風(fēng)向平均風(fēng)速均取2.5 m/s。風(fēng)場是影響湖泊水動(dòng)力的主要因素, 湖泊水動(dòng)力影響湖泊污染物的遷移、水質(zhì)的分布等。設(shè)置定常風(fēng)場主要針對真實(shí)風(fēng)場中出現(xiàn)的頻率較高的、作用時(shí)間較長的風(fēng)場, 模擬得到烏梁素海湖區(qū)大部分時(shí)間流場的形態(tài)進(jìn)行研究, 分析水動(dòng)力對烏梁素海水質(zhì)分布的影響, 為烏梁素海的水質(zhì)研究提供一定的理論支撐。

1.4 水情分析及算例設(shè)計(jì)

根據(jù)2018年4—10月各排干渠數(shù)據(jù)(圖4)得到此期間進(jìn)出口最大吞吐流量和最小吞吐流量。由于九、十排干渠吞吐流對湖區(qū)南部區(qū)域影響較小, 故主要研究吞吐流對總排干渠和八排干渠口附近區(qū)域的影響。為了對比不同吞吐流量作用下烏梁素海的水流特征, 研究吞吐流與風(fēng)場2種驅(qū)動(dòng)力的作用關(guān)系, 設(shè)計(jì)了以下4種算例進(jìn)行模擬, 具體算例如下:

圖2 2018年4—10月水深驗(yàn)證圖

圖3 2015—2018年風(fēng)玫瑰圖

注: N: 北風(fēng); E: 東風(fēng); W: 西風(fēng); S: 南風(fēng)

算例1: 總排干渠入湖流量為47.81 m3/s、八排干渠入湖流量為4.4 m3/s, 烏毛計(jì)退水渠出湖流量為49.82 m3/s, 無風(fēng);

算例2: 總排干渠入湖流量為16.6 m3/s、八排干渠入湖流量為0.7 m3/s, 烏毛計(jì)退水渠出湖流量為19.31 m3/s, 無風(fēng);

圖4 2018年烏梁素海進(jìn)出口水量

算例3: 總排干渠入湖流量為16.6 m3/s、八排干渠入湖流量為0.7 m3/s, 烏毛計(jì)退水渠出湖流量為19.31 m3/s, 2.5 m/s的SSW向定常風(fēng)場;

算例4: 總排干渠入湖流量為47.81 m3/s、八排干渠入湖流量為4.4 m3/s, 烏毛計(jì)退水渠出湖流量為49.82 m3/s, 2.5 m/s的SSW向定常風(fēng)場。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)場對湖區(qū)流速的影響

為了分析風(fēng)場對烏梁素海流速的影響, 將有風(fēng)作用下的湖泊流場與無風(fēng)條件的流速分布進(jìn)行比較。在無風(fēng)狀態(tài)下, 湖區(qū)流速分布不均勻, 西大灘區(qū)流速較大, 而南部湖區(qū)及北部小海子人工濕地水流幾乎靜止, 造成這種現(xiàn)象的主要原因是: 烏梁素海湖底地形整體地勢較為平坦(北高南低), 沒有大的湖底地形高程差, 不會(huì)因?yàn)楦叱滩町a(chǎn)生較大的流速; 總排干渠、八排干渠位于湖區(qū)的西部, 排干渠的水流進(jìn)入湖體, 水量越大, 流速越大; 湖泊中部是蘆葦茂盛地區(qū), 蘆葦面積占25%以上, 水流經(jīng)過蘆葦區(qū), 流速衰減, 隨水流方向到達(dá)南部時(shí), 流速衰減殆盡。北部小海子同樣是蘆葦茂密區(qū), 并且北部地勢略高于南部, 流速衰減更加明顯。由此可以看出, 單一的吞吐流無法滿足烏梁素海湖區(qū)良好的水動(dòng)力條件, 風(fēng)驅(qū)動(dòng)力是烏梁素海流場的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力, 風(fēng)場作用下, 大部分湖區(qū)流速增加, 湖區(qū)明水面出現(xiàn)多處環(huán)流, 蘆葦區(qū)的流速受風(fēng)場影響較小。

2.2 定常風(fēng)對湖區(qū)流場的影響

烏梁素海蘆葦區(qū)面積較大, 湖泊被蘆葦區(qū)分成了幾處明水區(qū)域。明水面由于沒有蘆葦遮擋, 出現(xiàn)了受風(fēng)場影響明顯的環(huán)流區(qū)域。鑒于風(fēng)場對湖區(qū)不同空間的影響形式和效果存在差異, 劃分出湖區(qū)風(fēng)生流較為明顯的3處區(qū)域進(jìn)行研究對比。圖5中A區(qū)域?yàn)槲鞔鬄﹨^(qū), B區(qū)域?yàn)闁|大灘區(qū), C區(qū)域?yàn)槟喜亢^(qū)。定常風(fēng)場作用下, 流場于2018年4月1日6:00便趨于穩(wěn)定狀態(tài), 流場形態(tài)基本不發(fā)生變化。八月相較于其他月份為豐水月, 模型中環(huán)流形態(tài)效果呈現(xiàn)更加明顯, 故選擇2018年8月1日10:00的瞬時(shí)流場作為典型流場進(jìn)行分析。

A區(qū)域(圖6)位于湖區(qū)西部, 來自總排干渠、八排干渠的水流匯入該區(qū)域, 在無風(fēng)條件下, 該區(qū)域流速受排干渠吞吐流影響相對較大, 水由排干渠口進(jìn)入該區(qū)域?qū)е逻M(jìn)口附近流速較大, 流速隨著水流方向遞減。在SSW風(fēng)向作用下, 總排干渠進(jìn)水口淺水區(qū)流向東南方向的水流受到影響, 改變了原本的流向, 向東北方向偏移, 與該區(qū)域遠(yuǎn)離排干渠口的中心區(qū)域向西南方向的補(bǔ)償流形成小尺度順時(shí)針環(huán)流, 環(huán)流中心流速近乎為0 m/s。A區(qū)域東南方向靠近蘆葦帶的淺水區(qū)的水流也受到影響, 流向與風(fēng)向一致, 流速較大, 超過0.01 m/s, 與中部區(qū)域的補(bǔ)償流及排干渠口附近的水流同時(shí)作用形成不規(guī)則的“幾”字型。在ENE向風(fēng)場下, 入湖口附近的淺水區(qū)水流仍然受到風(fēng)場的影響, 整體流向東南方向。東南部靠近蘆葦帶的淺水區(qū)域水流流向西南方向, 拉動(dòng)中部形成補(bǔ)償流, 區(qū)域整體水流呈“S”型, 區(qū)域北部伴有小尺度逆時(shí)針環(huán)流。2種風(fēng)向在A區(qū)域產(chǎn)生的環(huán)流形態(tài)呈中心對稱。

圖5 典型環(huán)流區(qū)域(A、B、C)劃分

水流從A區(qū)域流向B區(qū)域(圖7)主要通過連接2個(gè)區(qū)域的航道實(shí)現(xiàn), 航道內(nèi)部流速相較于蘆葦區(qū)較大, 在無風(fēng)條件下, 由于蘆葦?shù)淖钃? 到達(dá)B區(qū)域后流速逐漸衰減, 水流到達(dá)B區(qū)域時(shí)東部時(shí), 流速衰減為0 m/s, 出現(xiàn)大面積滯流區(qū)。在SSW向風(fēng)場作用下, B區(qū)域東南方向淺水區(qū)域受到風(fēng)向的影響, 沿著B區(qū)域東南部邊緣, 順著風(fēng)向流向北部, 拉動(dòng)中部深水區(qū)域形成逆時(shí)針環(huán)流; 西北部淺水區(qū)域水流也受到風(fēng)場影響, 水流向北方, 與中心補(bǔ)償流同時(shí)作用, 形成2個(gè)順時(shí)針的環(huán)流; 相較于SSW向風(fēng)場, ENE向風(fēng)場下B區(qū)域流場變化更加復(fù)雜, 由于受到A區(qū)域東部水流的影響, 連接A與B區(qū)域航道水流流速要高于SSW向風(fēng)場時(shí)的流速, B區(qū)域的西北部流場受到航道內(nèi)水流方向的影響, 大環(huán)流被分割, 形成了3個(gè)相近的小環(huán)流, 東南部由于水深較淺, 加之島嶼掩蔽作用影響, 形成順時(shí)針環(huán)流, 環(huán)流速度大于該區(qū)域其他環(huán)流。對比2種風(fēng)向?qū)υ搮^(qū)域的影響, 風(fēng)場對流場的作用形式相似, 方向相反。

圖6 A區(qū)域流場及環(huán)流示意圖

注: a: 無風(fēng); b: SSW向; c: ENE向

圖7 B區(qū)域流場及環(huán)流示意圖

注: a: 無風(fēng); b: SSW向; c: ENE向

C區(qū)域(圖8)是烏梁素海較大的明水面區(qū)域, 地形呈中間低四周高的趨勢, 無風(fēng)條件下, 水流經(jīng)過湖區(qū)中部蘆葦區(qū)后, 流速極小, 近乎停滯。在SSW風(fēng)場作用下, 東南部及西北部湖濱區(qū)沿湖岸方向流動(dòng), 由于空曠水面無蘆葦阻礙, 沿岸流速較大, 經(jīng)過中部蘆葦區(qū)的水流順著C區(qū)域北部的航道匯入中部補(bǔ)償流中, 形成了2個(gè)方向相反的大尺度環(huán)流, 西南部近岸區(qū)域水流受地形影響, 形成了小尺度逆時(shí)針環(huán)流。ENE風(fēng)向?qū)υ搮^(qū)域影響形式與SSW風(fēng)相類似, 同樣是東南部及西北部湖濱區(qū)流向變化帶動(dòng)中心形成環(huán)流, 但由于東方向風(fēng)向占主導(dǎo), 導(dǎo)致形成的環(huán)流形狀不規(guī)則, 面積較大, 流速較小。X點(diǎn)處由于蘆葦遮擋, 幾乎不受風(fēng)場影響, 但是水流方向依然發(fā)生偏轉(zhuǎn), 導(dǎo)致西北部形成的環(huán)流區(qū)域遠(yuǎn)小于東南部環(huán)流, 這說明湖泊的邊界形態(tài)也是改變水流方向的重要因素之一。

圖8 C區(qū)域流場及環(huán)流示意圖

注: a: 無風(fēng); b: SSW向; c: ENE向; 虛線框內(nèi)X點(diǎn)處: 蘆葦區(qū)域

2.3 吞吐流對湖區(qū)流場的影響

吞吐流是湖水運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力之一, 是影響湖泊水動(dòng)力的關(guān)鍵因素, 吞吐流量的變化對湖區(qū)流場的影響也比較大(姜恒志等, 2013; 吳青, 2017)。在得到各算例的流速矢量圖(圖9)后, 對比算例1和算例2, 湖區(qū)在僅增大吞吐流量情況下, 湖區(qū)的水流形態(tài)基本未發(fā)生改變, 只是水流的速度發(fā)生變化, 吞吐流量增大, 湖區(qū)流速增加。對比分析算例2和算例3, 在湖區(qū)常規(guī)的吞吐流作用下, 加上定常風(fēng)場驅(qū)動(dòng), 湖區(qū)的水流結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化, 這說明湖區(qū)的水流形態(tài)受風(fēng)場的影響較大, 單一常規(guī)的吞吐流量不會(huì)使湖區(qū)形成環(huán)流; 對比算例3和算例4, 發(fā)現(xiàn)增加了吞吐流量后, 湖區(qū)整體流速增大, 除了A區(qū)域靠近總排干渠口處的環(huán)流形狀受到輕微影響, 大部分環(huán)流區(qū)域位置及環(huán)流形狀不發(fā)生改變, 但環(huán)流的強(qiáng)度隨著吞吐流量的增加而減弱。這說明在吞吐流量增大過程中, 吞吐流驅(qū)動(dòng)力制約了風(fēng)生流驅(qū)動(dòng)力, 導(dǎo)致環(huán)流強(qiáng)度減弱。

3 討論

本文利用相關(guān)資料和數(shù)據(jù)建立了烏梁素海水動(dòng)力模型, 針對烏梁素海湖區(qū)出現(xiàn)的高頻率風(fēng)向, 模擬得到烏梁素海定常風(fēng)作用下湖區(qū)的流速變化、環(huán)流的特點(diǎn)、形態(tài)等, 同時(shí)研究了不同算例下流場形態(tài)與流速的變化情況。定常風(fēng)場對于湖區(qū)流場作用的形式是單一的, 然而真實(shí)的風(fēng)向、風(fēng)速是隨時(shí)間空間持續(xù)變化的, 并非如假設(shè)情況是一成不變的, 故實(shí)際的流場也是復(fù)雜多變的。通過實(shí)際風(fēng)場作用與假設(shè)的定常風(fēng)場作用下的流場形態(tài)進(jìn)行對比可以得出: 隨著時(shí)間推移、風(fēng)場及吞吐流的變化, 實(shí)際流場的運(yùn)動(dòng)主要影響因子是風(fēng)場, 吞吐流對湖泊的流場影響相對較小。本研究涉及的SSW、ENE定常風(fēng)場下的流場形態(tài)只是實(shí)際情況中出現(xiàn)的風(fēng)向中的2種, 烏梁素海在不同風(fēng)場(實(shí)際風(fēng)場)轉(zhuǎn)換過程中, 沒有因?yàn)轱L(fēng)場的轉(zhuǎn)換而影響流場產(chǎn)生特殊的變化(即不同的風(fēng)場在穩(wěn)定狀態(tài)下會(huì)對應(yīng)特定的流場形態(tài))。實(shí)際流場的研究基本可以認(rèn)為是不同時(shí)刻的風(fēng)場對湖泊流場的影響研究。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是烏梁素海湖底地形平坦, 吞吐流量變化小, 即便是豐水期, 吞吐流量也不會(huì)有較大的變化, 不會(huì)影響湖區(qū)環(huán)流的位置, 形態(tài)等。已有研究表明(韓龍喜等, 2011), 湖泊風(fēng)生流過程分為3個(gè)階段, 為湖水流向與風(fēng)向基本一致階段、流向逐漸偏離風(fēng)向的過渡階段、形成環(huán)流的穩(wěn)定階段, 風(fēng)場的持續(xù)時(shí)間也會(huì)對湖泊流場造成影響, 但是本文側(cè)重研究特定風(fēng)向、吞吐流量對湖流瞬時(shí)流態(tài)的影響, 極端情況下的風(fēng)速和吞吐流量對流場的影響以及風(fēng)場持續(xù)時(shí)間對流場的的影響本研究沒有涉及到。

圖9 各算例流速矢量分布圖

注: a: 算例1; b: 算例2; c: 算例3; d: 算例4

以往類似風(fēng)場和吞吐流對湖泊流場影響研究也有很多, 如韓龍喜(2011)對高鹽度艾比湖進(jìn)行三維的風(fēng)流數(shù)值模擬, 結(jié)果表明艾比湖沿岸水深較淺的水體受風(fēng)應(yīng)力的影響較大, 湖水流向與風(fēng)向基本相同, 然而水深較大的區(qū)域容易形成與風(fēng)向相反的補(bǔ)償流。姚靜(2016)模擬了無風(fēng)、NE和SSW 3種定常風(fēng)向情景下的鄱陽湖水動(dòng)力模型, 結(jié)果顯示同一風(fēng)場作用下, 不同湖區(qū)的環(huán)流結(jié)構(gòu)、影響形式、持續(xù)時(shí)間也不盡相同, NE向風(fēng)場和SSW向風(fēng)場產(chǎn)生的環(huán)流位置相近, 尺寸相近, 但是方向相反。在對狹長型雁鳴湖水動(dòng)力模擬過程中, 趙正文等(2018)設(shè)置了幾種吞吐流量來研究湖區(qū)流場的變化, 發(fā)現(xiàn)隨著流量的增加, 湖區(qū)環(huán)流位置區(qū)域和形狀變化不大, 流速大幅度增加, 但是環(huán)流的強(qiáng)度減弱。

本文結(jié)論與以上研究結(jié)論相類似, 即流場的方向受風(fēng)場方向的影響較大, 同一區(qū)域不同風(fēng)向會(huì)產(chǎn)生不同的流場形態(tài), 空間分布不同的區(qū)域在同一風(fēng)場作用下也有較大的差異, 湖區(qū)淺水區(qū)域最易受到風(fēng)場的影響, 一般與風(fēng)向一致, 湖中心深處往往形成流速較大但與風(fēng)向相反的補(bǔ)償流, 最終形成穩(wěn)定的環(huán)流區(qū)域。隨著吞吐流量增加, 湖區(qū)的流速增加, 不會(huì)改變環(huán)流的位置, 只有局部區(qū)域(排干渠口附近)的環(huán)流形態(tài)發(fā)生微小變化, 但由于吞吐量流量的增加, 增強(qiáng)了吞吐流的驅(qū)動(dòng)力, 制約了風(fēng)驅(qū)動(dòng)力, 導(dǎo)致環(huán)流強(qiáng)度減弱。張亞(2014)模擬了4種入庫工況下水庫的水流特征, 結(jié)果表明隨著吞吐流量增加至極端量, 流場逐漸由受風(fēng)生流控制轉(zhuǎn)變?yōu)橥掏铝骺刂? 與吞吐流方向一致的區(qū)域流速得到加強(qiáng), 方向不同的區(qū)域流速先減小后增加。本研究僅模擬了普通算例吞吐流作用下的水流形態(tài), 并未出現(xiàn)受吞吐流影響較大的區(qū)域, 但可以推測, 吞吐流量足夠大時(shí), 吞吐流作用會(huì)完全取代風(fēng)生流作用, 極端情況下的流場形態(tài)會(huì)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

風(fēng)驅(qū)動(dòng)力通過改變湖區(qū)環(huán)流形態(tài), 從而導(dǎo)致污染物在局部區(qū)域富集(Ishikawa, 2002; 周健等, 2018; Liu, 2019)。吞吐流通過水體交換, 進(jìn)而完成湖泊污染物質(zhì)的擴(kuò)散、遷移(姜恒志等, 2013)。蔣鑫艷(2019)等分析了2014—2017年烏梁素海冰封期和非冰封期營養(yǎng)鹽的時(shí)空分布特征, 得到湖區(qū)中部葉綠素含量對全湖貢獻(xiàn)最大的結(jié)論, 葉綠素富集區(qū)域與本文A、B區(qū)域基本一致; 李興(2011)等分析了烏梁素海水體總氮、總磷、葉綠素、化學(xué)需氧量等的時(shí)空分布, 其中排干渠口附近總氮、總磷含量較高, 葉綠素集中分布在湖區(qū)中部西大灘和東大灘區(qū), 這些污染物富集區(qū)域基本與本文環(huán)流區(qū)域位置高度吻合。以上研究結(jié)果表明本文得到的環(huán)流區(qū)域的分布是合理的, 從水動(dòng)力學(xué)角度解釋了污染物空間分布的規(guī)律。烏梁素海風(fēng)生流及吞吐流對湖區(qū)流場影響的研究為污染物富集的成因提供有力的理論支撐, 有關(guān)于烏梁素海水質(zhì)方面的數(shù)值模擬會(huì)在接下來的研究中進(jìn)行。

4 結(jié)論

本文基于二維水動(dòng)力模型, 模擬了烏梁素海在定常風(fēng)作用下湖區(qū)的流場形態(tài), 并對不同算例下吞吐流量對湖區(qū)流場的差異展開了對比分析, 主要的結(jié)論如下:

1)烏梁素海在無風(fēng)狀態(tài)下時(shí), 湖區(qū)流速較小, 出現(xiàn)大面積滯流區(qū), 單一的吞吐流無法滿足烏梁素海水動(dòng)力條件, 風(fēng)驅(qū)動(dòng)力才是主要驅(qū)動(dòng)力;

2)SSW、ENE向2種風(fēng)場作用下, A區(qū)域?qū)?yīng)環(huán)流形態(tài)呈中心對稱, B、C區(qū)域?qū)?yīng)的環(huán)流位置、形態(tài)結(jié)構(gòu)相似, 但方向相反。淺水湖區(qū)最易受到風(fēng)的影響, 產(chǎn)生與風(fēng)向相同的水流, 深水區(qū)形成與風(fēng)向相反的補(bǔ)償流。

3)吞吐流量的增加會(huì)增大湖區(qū)整體流速。定常風(fēng)場作用下, A區(qū)域由于受到總排干渠的影響, 環(huán)流形態(tài)隨流量增加發(fā)生微小變化, 風(fēng)生流受到吞吐流影響, 環(huán)流強(qiáng)度隨流量增加而減弱。

4)風(fēng)生流、吞吐流作用下會(huì)促使?fàn)I養(yǎng)鹽在局部區(qū)域富集, 研究烏梁素海營養(yǎng)鹽空間分布時(shí), 需要考慮風(fēng)生流及吞吐流作用。

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THE INFLUENCES OF UNIFORM WIND AND THROUGHPUT FLOW ON THE FLOW FIELD OF WULIANGSU LAKE

WANG Zhi-Chao1, SHI Qing-Song1, LI Xing2, LI Wei-Ping1, YANG Wen-Huan1, YU Ling-Hong1

(1. School of Energy and Environment, Inner Mongolia University of Science &Technology, Baotou 014010, China; 2. Inner Mongolia Water Saving Agricultural Engineering Research Center of Inner Mongolia Normal University, Huhehaote 010020, China)

Wind field and throughput flow are the main driving forces of the shallow lake motion, which affect the migration and transformation of pollutants in the lake. In this study, a hydrodynamic model of the Wuliangsu Lake is constructed based on a two-dimensional unstructured grid. The effects of uniform wind and throughput flow on the flow field of the Wuliangsu Lake are investigated by comparing the direction, distribution and form of the lake flow under the effect of uniform wind with those under the condition of no wind, and simulating the differences of flow velocity and circulation structure in the lake area under the effect of throughput flow in different cases. The results show that the wind field increases the flow velocity of the lake, and the influence area is mainly in the west beach area, the east beach area and the bright water area in the south of the lake, producing obvious circulation, and the wind field is the main driving force of the Wuliangsu Lake; the location and morphological structure of the circulation produced in typical areas under the action of the wind field in SSW and ENE are similar, and the direction is opposite; the increase of the throughput flow will increase the overall flow velocity in the lake area, which has less influence on the flow field morphology and structure in the lake area; under the uniform wind conditions, the increase of throughput flow (in a certain range) will lead to the weakening of the circulation intensity. The results of the study lay the foundation for the study of nutrient and pollutant transport patterns in the Wuliangsu Lake.

Wuliangsu Lake; uniform wind; throughput flow; hydrodynamic simulation

* 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目, 2019YFC0409204號; 內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目, 2020GG0208號; 內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 2019BS05004號, 2020MS02017號, 2020LH02008號。王志超, 碩士生導(dǎo)師, E-mail: wzc5658@126.com

李衛(wèi)平, 碩士生導(dǎo)師, 教授, E-mail: sjlwp@163.com

2020-10-12,

2021-01-22

X143

10.11693/hyhz20201000279