風(fēng)場對人工淺水湖泊水動特性影響研究

李國林

（中鐵十九局集團第五工程有限公司，遼寧 大連 116100）

0 前言

信陽高新區(qū)海營生態(tài)城充分利用生態(tài)資源進行規(guī)劃設(shè)計，提升現(xiàn)有綠化環(huán)境，將海營片區(qū)打造成信陽市的生態(tài)標桿，如意湖便是該項目的起步區(qū)。如意湖整體設(shè)計為“L”形，這樣很容易使湖泊水體出現(xiàn)流動性較差的死水區(qū)，導(dǎo)致水體得不到充分交換。因此對如意湖的水動力特性開展研究具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)域及模型建立

1.1 水動力理論

研究采用了二維水動力數(shù)值模型，該模型基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并運用了靜水壓力和Boussinesq的假定。具體表達式如下。

水流連續(xù)方程：

X、Y方向水平動量的方程：

式（1）（2）（3）中：η為水位；d為靜止水深；h=η+d為總水深；u、v分別為深度平均流速x、y方向的分量；f為科氏力系數(shù)，f=2ω sinφ，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，φ為地理緯度；sxx、sxy、syx、syy為輻射應(yīng)力張量分量；Txx、Txy、Tyy 為水質(zhì)點側(cè)向應(yīng)力，包括粘滯摩擦力、紊流摩擦力、對流力等；τsx、τsy分別為湖面風(fēng)摩阻x、y方向的分量；τbx、τby分別為湖底風(fēng)摩阻x、y方向的分量。

1.2 研究區(qū)域及模型建立

如意湖是信陽市海營生態(tài)智慧城起步區(qū)項目的核心部分，文章通過構(gòu)建水動力模型來探究風(fēng)場對湖泊的水動力特性影響。首先構(gòu)建出模型的邊界，并對邊界進行平滑處理，模型邊界每4 m 設(shè)置一個點，建立了2 262 個非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，1 251 個節(jié)點，網(wǎng)格面積為19.76 m2，如意湖的湖水來自北側(cè)海營水庫，并通過跌水花瀑流入湖區(qū)，入口為特定流量入流；出口通過南側(cè)溢流堰出流，如意湖中設(shè)有一座島嶼名為如意島。湖泊的正常水位為110.70 m，湖平均水深為1.50 m，湖面面積為2.30萬m2，水量約為3.40萬m3，平面設(shè)置與網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 如意湖網(wǎng)格劃分圖

1.3 參數(shù)的率定

干濕邊界：采用干濕動邊界處理技術(shù)，干水深設(shè)置為5×10-3m，淹沒水深設(shè)置為6×10-3m，濕水深設(shè)置為0.10 m。即當(dāng)計算區(qū)域水深小于5×10-3m時，計算區(qū)域為“干”，不參加計算；當(dāng)水深大于0.10 m時，計算區(qū)域為“濕”，參加計算。

糙度：考慮如意湖底部地形的變化和植物生長情況，取粗糙系數(shù)為0.031。

為解決流體所引起的雷諾附加應(yīng)力，渦粘系數(shù)取0.28 m2/s。

1.4 設(shè)計方案

對特定流量下不同風(fēng)場工況進行模擬，月平均風(fēng)速為2.54 m/s，模擬時長為3 d，具體工況見表1。

表1 設(shè)計工況表

2 結(jié)果與討論

2.1 如意湖的水動力分析

如意湖在工況1條件下的湖區(qū)流速場如圖2所示，水流整體由北向南，在如意湖入口處、出口處及如意島的東南側(cè)流速較大，其他區(qū)域流速較小。受湖泊形狀的影響，湖區(qū)內(nèi)形成了一處順時針環(huán)流，位于如意湖入口處的西側(cè)，流速在0.20～1.50 cm/s。另外形成兩處逆時針環(huán)流，一處位于如意湖入口處的東側(cè)，這是由于受湖泊邊界影響，湖區(qū)主要通道與入水口東側(cè)流速的差距較大，所以形成了逆時針的環(huán)流，流速在0.02～0.50 cm/s；另一處位于出水口對面北側(cè)，由于湖泊邊界形狀不規(guī)則，湖區(qū)主流方向與岸邊走向相反，所以形成了一個較大的逆時針環(huán)流，流速在0.01～0.70 cm/s。

圖2 無風(fēng)作用下流場圖

2.2 風(fēng)場對水動力的影響

通過對比5 組不同工況的流速場（如圖3）可知，水流流速大小分布與無風(fēng)工況下相差不大，在如意湖入水口、出水口和如意島東南側(cè)過水?dāng)嗝孀儶M窄區(qū)域流速較大，其他區(qū)域流速相對較小。

圖3 各工況流場圖分布圖

北風(fēng)工況下，風(fēng)由北吹向南，風(fēng)向和水流方向相同，湖區(qū)內(nèi)大部分水體流速方向的都是由北向南流動，受如意湖岸線形狀影響，湖區(qū)形成兩個逆時針環(huán)流，在入水口東側(cè)形成一個很小的環(huán)流，流速為0.03～0.50 cm/s；在出水口對面形成一個較大環(huán)流，流速為0.10～1.50 cm/s，兩處環(huán)流對比無風(fēng)條件下都較小。

東風(fēng)工況，水流在上半部分受風(fēng)場影響較小，因岸線影響在入水口東側(cè)形成一個逆時針環(huán)流，流速為0.07～2.00 cm/s，入水口西側(cè)形成一個很小的順時針環(huán)流，流速為0.06～1.30 cm/s，南側(cè)部分水流流向為由西向東，風(fēng)向為由東向西，并且受湖泊岸線形狀影響，主流區(qū)水流由西向東，湖灣區(qū)形成了4 個大小不等的環(huán)流，流速為0.10～3.00 cm/s，其中主流區(qū)以上的兩個環(huán)流為逆時針環(huán)流，主流區(qū)以下兩個環(huán)流為順時針環(huán)流。

南風(fēng)工況下，水流整體流向與風(fēng)向相反，受湖泊形狀影響易產(chǎn)生環(huán)流，在南風(fēng)作用下共形成8 處環(huán)流，其中有四處順時針環(huán)流，四處逆時針環(huán)流，在入水口有兩個環(huán)流分布于主流區(qū)的東西兩側(cè)，其中東側(cè)為一個較大的逆時針環(huán)流，流速為0.12～2.30 cm/s，西側(cè)則為一個較小的順時針環(huán)流，流速為0.10～1.30 cm/s；在未進入如意島之前由于地形西影響有兩處環(huán)流，一處為順時針環(huán)流流速在0.15～1.30 cm/s，一處為逆時針環(huán)流流速為0.06～1.50 cm/s；在如意湖湖區(qū)南部有4個環(huán)流，它們以如意湖出口對側(cè)北岸為界，西側(cè)有兩個順時針環(huán)流，東側(cè)有兩個逆時針環(huán)流，流速為2.50×10-3～2.50 cm/s。

西風(fēng)工況下，如意湖在入水口西側(cè)形成了一個順時針環(huán)流，流速為0.15～1.50 cm/s，在西南側(cè)形成一個逆時針、一個順時針環(huán)流，流速為0.03～2.50 cm/s。

3 結(jié)論

建立二維數(shù)學(xué)模型研究如意湖的水動力特性，對比研究相同流量不同風(fēng)場下水動力特性變化規(guī)律得出結(jié)論：①如意湖在無風(fēng)條件下，水流整體由北向南流動，但在湖區(qū)內(nèi)由于流速的差異較大形成了一個順時針環(huán)流和兩個不同大小的逆時針環(huán)流。②通過探究相同流量下風(fēng)場對水動力特性的影響，發(fā)現(xiàn)東風(fēng)和南風(fēng)作用對流場的影響較大，這是因為如意湖湖區(qū)流向與風(fēng)向相悖，使得湖內(nèi)產(chǎn)生了順時針或逆時針環(huán)流；如意湖湖區(qū)流向與風(fēng)向相符，北風(fēng)和西風(fēng)對流場影響較小，湖區(qū)內(nèi)也存在順、逆時針環(huán)流，但數(shù)量較少。