基于MIKE21的城市湖泊人工水循環(huán)流場(chǎng)數(shù)值模擬

路洪濤，路洪波，劉金光

(1.陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院， 西安 710048;2.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司天津分院， 天津 300201)

城市湖泊作為城市中重要的景觀元素，對(duì)人類(lèi)生活有著重大意義。它既是風(fēng)光優(yōu)美，景色宜人的景觀工程與旅游勝地，也起到調(diào)蓄洪水、防洪減災(zāi)、保護(hù)生物多樣性、維持生態(tài)平衡、保存淡水資源、補(bǔ)充地下水、調(diào)節(jié)氣候、降解污染物等作用，具有良好的生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益［1］。然而近年來(lái)隨著城市化的急劇發(fā)展，城市湖泊的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度也逐漸變大，如無(wú)錫太湖、江西鄱陽(yáng)湖、昆明滇池、合肥巢湖、蘇州太湖等地區(qū)都在大力發(fā)展城市濱湖區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)［2］。但是城市湖泊人工設(shè)計(jì)不夠科學(xué)，如為滿足人們的景觀需求，多將湖岸設(shè)計(jì)成不規(guī)則形狀，曲折多彎，易出現(xiàn)湖泊水體的“死角”，“死角”中水體流動(dòng)性較差，得不到置換，隨著使用時(shí)期延長(zhǎng)，各種污染物發(fā)生沉積，最終導(dǎo)致水質(zhì)惡化，并擴(kuò)散到整個(gè)湖泊范圍;“死角”越多，所占范圍越大，水質(zhì)惡化也就越快;達(dá)不到引水改善湖泊水質(zhì)的總體效果。廣州的荔灣湖、流花湖，南京的玄武湖等都出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)甚至重富營(yíng)養(yǎng)現(xiàn)象，隨之而來(lái)的藻華已嚴(yán)重威脅到湖泊的景觀功能。

總之，由于城市湖泊具有水體流動(dòng)性較差，水域面積較小、水生生態(tài)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、水環(huán)境容量小、水體自?xún)裟芰Φ汀⑷祟?lèi)活動(dòng)影響大等特性，導(dǎo)致其生態(tài)相當(dāng)脆弱，污染負(fù)荷超過(guò)水體自?xún)裟芰Γ滓鹚鷦?dòng)、植物種類(lèi)的減少，湖水變黑發(fā)臭，造成水質(zhì)變差和惡化，嚴(yán)重影響水體功能、用途和景觀效果［3］，并且難以冶理和修復(fù)。

城市湖泊的水動(dòng)力條件主要依賴(lài)于人工水循環(huán)過(guò)程，由于湖泊水體一般都比較封閉，水體流動(dòng)性相對(duì)較差，其流速場(chǎng)的分布是水環(huán)境質(zhì)量的重要體現(xiàn)［4－9］。利用人工水循環(huán)措施改善城市湖泊水質(zhì)是一種常見(jiàn)的物理方法［10］，可以通過(guò)人為的選擇和設(shè)定不同的進(jìn)出水口位置、組合以及換水周期，調(diào)節(jié)和改變換水量和換水時(shí)間，改善城市湖泊的水動(dòng)力條件，進(jìn)而增大水體循環(huán)速度，改變湖泊的水動(dòng)力學(xué)過(guò)程，縮短水力滯留時(shí)間，改善湖泊水環(huán)境。因此對(duì)城市湖泊的人工水循環(huán)過(guò)程中的流場(chǎng)形態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬與對(duì)比分析。

目前國(guó)際上比較常用的湖泊水體模擬軟件有:EFDC、WASP、SMS、MIKE、CE－QUAL－R1、CE －QUAL－W2等。本文中采用MIKE軟件進(jìn)行湖泊流場(chǎng)、濃度場(chǎng)的數(shù)值模擬，設(shè)定不同的進(jìn)、出水口方案以選擇合理的湖泊規(guī)劃設(shè)計(jì)與調(diào)控。

MIKE21是丹麥水力研究所開(kāi)發(fā)的系列水動(dòng)力學(xué)軟件之一，作為一種通用的二維數(shù)學(xué)模擬工具，可用來(lái)模擬河流、湖泊、水庫(kù)、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境。其對(duì)二維非恒定流進(jìn)行模擬的同時(shí)，也兼顧水下地形、密度變化、氣象條件和潮汐變化的影響。MIKE21包含水動(dòng)力、對(duì)流擴(kuò)散、水質(zhì)、泥沙傳輸、波浪等模型。MIKE主要被用來(lái)解決與水有關(guān)的工程領(lǐng)域及環(huán)境問(wèn)題，包括進(jìn)行河流水動(dòng)力模擬、環(huán)境模擬、水資源配置模擬等方面，從而為流域管理機(jī)構(gòu)、水行政管理機(jī)構(gòu)提供科學(xué)的依據(jù)［11］。

1 長(zhǎng)樂(lè)湖概況與方案設(shè)計(jì)

長(zhǎng)樂(lè)公園景觀湖包括Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)兩個(gè)人工湖，兩者之間根據(jù)其現(xiàn)有落差，可以通過(guò)設(shè)置人工泄水建筑物實(shí)現(xiàn)水力循環(huán)，以增大水體流動(dòng)，促進(jìn)水體的擴(kuò)散與交換，并帶動(dòng)其中污染物質(zhì)遷移交換，從而直接改變湖泊水體的流場(chǎng)分布，改善水環(huán)境質(zhì)量。

首先在湖泊設(shè)計(jì)中需要擬定不同的進(jìn)出水口方案與工況。根據(jù)長(zhǎng)樂(lè)湖的水體容積計(jì)算，方案1置換周期為24 h，需要進(jìn)出口總流量為0.2 m3/s;方案2置換周期為48 h，需要進(jìn)出口總流量為0.1 m3/s;方案3置換周期為96 h，需要進(jìn)出口總流量為0.05 m3/s。現(xiàn)按照不同的進(jìn)、出水口流量分配以及是否增設(shè)湖泊島嶼設(shè)計(jì)了不同的模擬方案，如表1所示;進(jìn)水口A、B、C、出水口O位置以及增設(shè)島嶼的位置如圖2所示。

表1 不同進(jìn)、出水工況設(shè)計(jì)表 單位:m3/s

2 定解條件的確定

2.1 邊界條件的確定

(1)閉邊界:湖岸、湖心島相聯(lián)接的邊界面，其法相流速為零，即:

(2)開(kāi)邊界:進(jìn)、出水口、源匯點(diǎn)處其相應(yīng)的流速V0(流量)或水位h0，即

(3)湖底地形:湖底地形根據(jù)現(xiàn)有湖泊資料的實(shí)際地形高程設(shè)定，即地形高程Zb=Zb0

2.2 初始條件的確定

整體模型的初始速度取為0，初始水位設(shè)定為一定值h0，即

3 流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 相同水循環(huán)方案下的對(duì)比分析

為了研究在不同換水周期對(duì)其流場(chǎng)的影響，首先進(jìn)行了方案1(換水周期為24 h方案)，進(jìn)出水口均為0.2 m3/s流量的四個(gè)工況1、2、3、4在引水24 h后的流場(chǎng)分布如圖1所示:

根據(jù)圖1可知，在引水初始時(shí)，水流受二號(hào)湖內(nèi)右岸地形影響，在左側(cè)形成較強(qiáng)的回流，但隨著水流的下泄，主流向下游也就是一號(hào)湖方向移動(dòng)，水流在一號(hào)湖內(nèi)擴(kuò)散明顯，且在中心位置有明顯的環(huán)流結(jié)構(gòu)形成，方案1工況1在引水大約24 h后兩個(gè)湖中水體大部分已被置換完畢，但在二號(hào)湖東南部、一號(hào)湖東南部均形成“死角”，基本沒(méi)有流動(dòng)跡象，水體得不到置換，水環(huán)境質(zhì)量得不到保障，因此需要對(duì)該處進(jìn)行特殊處理。工況2增加了B號(hào)進(jìn)水口，總流量仍為0.2 m3/s，但是對(duì)湖中流場(chǎng)起到了改善作用，二號(hào)湖中死角現(xiàn)象得到了部分改善。工況3在保證相同流量下增加了C號(hào)進(jìn)水口，同樣也對(duì)一號(hào)湖中流場(chǎng)起到改善作用。由于進(jìn)水口A的水流直接流向二號(hào)湖，因此有必要在其中間設(shè)置島嶼進(jìn)行阻水，延遲水體滯留時(shí)間，工況4由于在工況3的基礎(chǔ)上增設(shè)了一處島嶼，對(duì)進(jìn)水口A的進(jìn)水起到了阻隔作用，增大了水體擴(kuò)散作用，延長(zhǎng)了水體滯留時(shí)間，流態(tài)改善效果得以加強(qiáng)。

從流場(chǎng)變化來(lái)看，隨著水體的擴(kuò)散，入湖后沿北岸向西擴(kuò)散，水體完成一次置換后，水體基本達(dá)到完全混合。對(duì)比工況1～4，可見(jiàn)，在總流量相同的情況下，采取分流方式進(jìn)水可以加大水體擴(kuò)散至整體湖泊，增設(shè)島嶼可以阻止水流的主流流動(dòng)，增大水體在一號(hào)湖泊內(nèi)的擴(kuò)散作用，從而避免由于水流直接流向下湖導(dǎo)致擴(kuò)散受阻引起水體交換不夠。可見(jiàn)在湖泊中布置多進(jìn)水口分流量進(jìn)入能夠促進(jìn)水體的混摻，增大水體復(fù)氧，有利于清除湖泊中的“死角”現(xiàn)象;在湖泊中增設(shè)島嶼能夠促進(jìn)湖泊水體分流，總之，采取改善措施后，湖中出現(xiàn)的“死角”現(xiàn)象基本消除，水質(zhì)得以改善。

3.2 不同水循環(huán)方案下的對(duì)比分析

為了研究不同換水周期對(duì)其流場(chǎng)的影響，進(jìn)行了方案1(換水周期為24 h方案)、方案2(換水周期為48 h方案)、方案3(換水周期為96 h方案)即不同換水流量情況下的流場(chǎng)對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果以工況4、8、12 為例，如圖3 所示。

對(duì)比分析方案2各工況可知，在總流量相同的情況下，湖泊中布置多進(jìn)水口分流量進(jìn)入能夠促進(jìn)水體的混摻，促進(jìn)水體流動(dòng)，有利于水體的充分?jǐn)U散，對(duì)湖泊流態(tài)改善效果明顯，消除了部分原來(lái)的“死角”區(qū)域。

同樣，將方案3各工況進(jìn)行對(duì)比可知，在湖泊中布置島嶼分流能夠促進(jìn)水體的混摻與擴(kuò)散，促進(jìn)水體流動(dòng)，水體的流動(dòng)性較好，有利于水體的充分?jǐn)U散，消除了大部分原來(lái)的“死角”區(qū)域，流速分布較為均勻，大部分區(qū)域的水體能夠進(jìn)行良好的循環(huán)，增大水體復(fù)氧能力，對(duì)水質(zhì)改善效果明顯。即工況4、8、12是各方案中最有效的選擇。

根據(jù)以上流場(chǎng)模擬分析的結(jié)果，湖泊中一小部分區(qū)域仍然存在流速不足的現(xiàn)象，對(duì)于這部分區(qū)域需要采取一些措施，例如:設(shè)置曝氣復(fù)氧裝置來(lái)增大水層、水域之間的交換循環(huán)與自?xún)裟芰Γ岣吆此w中溶解氧的水平;在湖泊沿岸種植各種功能不同的植物，包括抗污、納污、轉(zhuǎn)化污染物質(zhì)的水生植物;設(shè)置生態(tài)浮島以削減污染物濃度等。這些措施不但有利于改善湖泊水體的流動(dòng)性和提高水環(huán)境質(zhì)量，同時(shí)也能滿足景觀需求［12］。

4 結(jié)論

城市人工湖泊有利于構(gòu)建城市景觀和改善城市生態(tài)環(huán)境，本文基于MIKE 21軟件進(jìn)行了西安市長(zhǎng)樂(lè)湖的二維水動(dòng)力的流場(chǎng)數(shù)學(xué)模擬，分析了12種不同進(jìn)、出水口布置情況下，不同引、出水方案下的流場(chǎng)數(shù)值模擬，對(duì)比分析了改善城市湖泊水體的人工水循環(huán)模式。

(1)通過(guò)對(duì)該人工湖的流場(chǎng)數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)與分析了人工水循環(huán)過(guò)程中湖泊水體的流場(chǎng)分布情況，可知人工水循環(huán)措施是改善城市湖泊水體流態(tài)的一種有效的物理方法。

圖1 方案1在引水24 h后流場(chǎng)分布

圖2 景觀湖進(jìn)出水口及增設(shè)島嶼(白色區(qū)域)位置

圖3 不同方案下流場(chǎng)分布圖

(2)通過(guò)對(duì)不同工況下的流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析，對(duì)于城市人工湖泊，可以通過(guò)人為的選擇和設(shè)定不同的進(jìn)出水口位置、組合以及換水周期，調(diào)節(jié)和改變換水量和換水時(shí)間，改善城市湖泊的水動(dòng)力條件，改善水體流態(tài)及水體中污染物分布，從而改善湖泊水環(huán)境，以達(dá)到湖泊水體修復(fù)之目的。在相同水體流量下，增加進(jìn)水口數(shù)量或者在湖泊中增設(shè)島嶼分流能夠使流速場(chǎng)分布更趨均勻，水體流態(tài)狀況得到了很大改善，湖中出現(xiàn)的“死角”區(qū)域現(xiàn)象消除明顯，增強(qiáng)了水體的流動(dòng)性。

(3)利用MIKE 21軟件對(duì)人工湖泊流場(chǎng)的數(shù)值模擬，是城市人工湖泊進(jìn)行合理的生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)的有效工具，能夠作為以后的城市人工湖泊水環(huán)境治理的重要手段。

［1］李世杰，竇鴻身，舒金華，等.我國(guó)湖泊水環(huán)境問(wèn)題與水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的探討［J］.中國(guó)水利，2006，(13):14－17.

［2］楊桂山，馬榮華，張路，等.中國(guó)湖泊現(xiàn)狀及面臨的重大問(wèn)題與保護(hù)策略［J］.湖泊科學(xué)，2010，22(6):799 －810.

［3］袁文麒，張維佳，黃勇，等.人工水力循環(huán)改善園林不規(guī)則池塘水質(zhì)的研究［J］.中國(guó)給水排水，2008，24(3):17－20.

［4］王哲，劉凌，宋蘭蘭.Mike21在人工湖生態(tài)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.水電能源科學(xué)，2008，26(5):124 －127.

［5］沈榮，季斐斐，顧嬌.基于流場(chǎng)分析的人工湖生態(tài)設(shè)計(jì)的研究［J］.水電能源科學(xué)，2010，28(4):107 －109.

［6］彭森，譚春曉，劉星.景觀水體的循環(huán)模式研究與流場(chǎng)分析［J］.中國(guó)給水排水，2009，25(11):95 －97.

［7］駱碧君，樊在義，陳麗娜，等.利用Fluent軟件研究景觀水體循環(huán)模式與流場(chǎng)優(yōu)化［J］.中國(guó)給水排水，2009，25(19):95－97.

［8］李錦秀，杜斌，孫以三.水動(dòng)力條件對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化影響規(guī)律探討［J］.水利水電技術(shù)，2005，36(5):15 －18.

［9］何文學(xué)，李茶青.從改善水流流態(tài)角度談富營(yíng)養(yǎng)化治理［J］.浙江水利水電專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào).2003，15(4):27 －29.

［10］葉上揚(yáng).城市景觀湖泊水力改善技術(shù)及其數(shù)值模擬研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2011.

［11］陳娟.上海遠(yuǎn)香景觀湖水動(dòng)力試驗(yàn)與研究［D］.揚(yáng)州:揚(yáng)州大學(xué)，2009.

［12］何文華，黃國(guó)如.Mike21軟件在白云湖流場(chǎng)分析中的應(yīng)用［J］.廣東水利水電，2010，(10):52－54.