景觀湖生態供水優化數值模擬研究

胡帥張婧

（1.天津市水利勘測設計院天津市300204；2.西華大學能源與動力工程學院成都市610039）

景觀湖生態供水優化數值模擬研究

胡帥1張婧2

（1.天津市水利勘測設計院天津市300204；2.西華大學能源與動力工程學院成都市610039）

利用平面二維數學模型，文章模擬了某人工開挖的景觀湖在不同供水方式和供水流量下的水流流場。模擬結果說明，同級流量下分散供水比單點集中供水更能有效提高湖內整體水流流速。按分散供水方式，不同量級的供水流量下湖區內水流運動速度與來水量呈正相關關系。為保證湖區內水體的流動性，在與生態治理方案相協調的前提下，應該盡可能增加湖區分散供水點的流量。

人工湖供水二維數值模擬流場

前言

自工業革命以來，工業制造、科技教育、貿易流通等均以城市作為其主要的發生地點。伴隨著社會經濟的快速發展，城市吸引了大量人口聚集，成為了現代社會人類繁衍生息的主要單元[1]。城市具有經濟功能和生態功能的二元性，在提供大量物質和信息的同時，容易引起生態關系的失調，降低城市環境質量[2]。人工景觀湖的修建不僅可以美化城市的面貌，還可以改善單一的生態群落，為動植物的多樣化提供條件，另外也增添了人們親水娛樂的活動場所。

景觀湖是一個相對封閉的水域，由于干濕沉降和地表徑流的影響，及內源釋放的影響下，湖內易形成浮游植物為主的藻型濁水生態系統。隨著時間推移，藻類生物量增大，水色變綠，會逐漸形成水華，在一些區域富集腐爛分解有機質增加，出現黑臭現象[3]。要防止湖內水質惡化，一方面需要構建初級生產力以高等水生植被為主要生物組分的草型清水生態系統[4]；另一方面保證湖內水體的流動和交換，達到最大程度地遏制藻類的生長、繁殖以及水體富營養化進程的目的，保證景觀湖的正常功能發揮。因此，在考慮經濟效益的情況下，需要對景觀湖的供水方案進行優化[5]。本文采用平面二維數學模型對成都某景觀湖在不同供水條件下的湖內流場進行模擬，通過方案的對比研究提出供水方案的建議。

1 研究湖區概況

研究湖區由兩個聯通的人工湖組成，分別稱為1#湖和2#湖，兩湖采用涵洞直接貫通，水域表面聯通，湖區水域的主要參數列于表1。

表1 研究湖區主要參數

湖區的進水水源直接來自于附近水系河流，外源污染營養鹽輸入負荷重。一定量的水體交換可以加大污染物、營養鹽和藻類等的損失率，避免湖區內高污染區的出現。然而，構建的清水型生態系統具有水質自凈的能力，要求湖泊必須有一定的水力滯留時間，這樣水質才能得到充分的凈化。綜合考慮以上兩個方面對水體交換量的要求，根據湖內水質的需求，設置最長水力滯留時間，確定最小的水體交換量，即生態流量，以節省水資源，降低工程成本。夏季湖內營養鹽濃度較高，設定其水力滯留時間為7天以下，即從附近水源引入的生態需水量為0.78m3/s。鑒于湖區面積較寬闊，分散供水和提升入湖流量均有利于水體的交換，本文分析了集中供水和分布供水方式對湖區水體流動的影響。考慮到遠期供水水源的供水能力提升，湖區還設置了遠期集中供水的引水管道。湖區的形態及供排水管道的位置如圖1所示。

圖1 湖區水域形態及供排水位置示意圖

2 平面二維數學模型

2.1 基本方程

在笛卡爾坐標系下，沿水深平均的平面二維流動基本方程為：

式中U、V——垂線平均流速；

z——水位；

H——水深；

C=1/nH1/6——謝才系數；

f=2ωsinφ（ω——地球自轉角速度，φ——當地緯度）為柯氏力系數；

g——重力加速度;

Vt——渦粘性系數。

由于天然河道具有不規則的邊界，為了更好地模擬邊界附近的流動，并同時減小計算所需網格節點，在天然河道的流場計算中通常采用正交曲線網格或非結構化網格。本次模擬采用非結構化網格，利用控制體積法離散控制方程，且使用追趕法進行求解。在計算過程中，采用了欠松弛技術、塊修正技術以增強迭代過程的穩定性并加速收斂，收斂標準取為誤差流量源與入口流量之比小于0.5%。上邊界采用進口斷面流量過程，下邊界采用出口斷面水位過程。

2.2 計算范圍

根據附近水源的供水條件，近期設5處進水口，遠期預留一處進水口，設出水口一處，出口位置采用水位控制。湖區采用四邊形網格進行模擬，為較好模擬各小尺度供水點位置處的水流運動，計算網格局部細化，局部網格面積小于10m2，其它區域網格計面積小于50m2，計算區域共剖分為5763個節點，10343個網格。圖1顯示了模型的計算網格，水域的基本形態以及湖底高程分布示意圖。

2.3 計算工況

為分析供水方式對湖區水體運動的影響，首先計算了單點集中供水（從4#供水口供入生態流量0.78m3）時的流場，然后計算了同流量條件下5點均布供水時的流場。考慮加大供水流量改善水體交換條件，計算了采用均布供水方式多級供水流量時的湖內流場情況。鑒于未來可能的供水條件，綜合供水方式及流量增大對水體交換情況的改善，提出優化方案，計算出遠期同時集中供水和均布供水情況下的流場。表2為模型計算的工況匯總。

表2 模型計算工況

3 模擬結果分析

根據表2的工況，通過二維水流數學模型可以得到湖區模擬流場圖，如圖2～6所示。本文從供水方式和供水流量兩個方面來分析湖區流場。

圖2 集中供水（Q=0.78m3/s）時流場

圖3 均布供水（Q=0.78m3/s）時流場

圖4 均布供水（Q=2.5m3/s）時流場

3.1 供水方式

按生態需水量單點集中供水時，湖區流場如圖2所示。除4#供水口附近局部水流流速可達0.03m/s以外，深水區流速普遍較低。整個湖區范圍水體流速普遍較低，尤其是遠離供水點區域，水體幾乎不運動，湖區的西側大面積水體接近靜止狀態。

圖5 均布供水（Q=5m3/s）時流場

圖6 集中供水(3.5m3/s)+均布供水(0.78m3/s)時流場

按生態需水量多點供水時，湖區流場如圖3所示。由于流量較小，除供水點附近水深較淺的濕地區以外，湖區范圍內流速仍然較小，普遍低于0.01 m/s。但從與單點供水情況相比較，湖區內水流整體運動交換有所增強，尤其是湖區西側水體，平均流速增加到0.01m/s，全湖范圍內水體運動交換顯著增強。

為保證湖區左側（西側）水體能參與交換，左上方的進水點是必須設置的，而為保證1#湖右側內濕地的水體流動，右下方的進水點也是必要的。所以，總體而言，布置的5個進水點是合適的。

3.2 供水流量

按5點均布供水的方式給湖區供水，生態流量的供水流量下整個湖區范圍內的水體交換增強，但流速仍然普遍較低。若能增加供水流量，對改善湖區水體運動有利。當總來流量達到2.5m3/s時，單個供水口供水流量為0.5m3/s，湖區流場如圖4所示。湖內流速總體有所增加，一般可達（0.01～0.02）m/s，但中心深水區仍有流速不到0.005m/s的區域。在2#湖區的近出水口處能形成高速的水流漩渦，有利于帶動附近水體的運動。

若能進一步增加供水流量，當總來流量達到5 m3/s時，則每點供水流量為1m3/s，湖區流場如圖5所示。由于各點供水能力增加，對促進湖區水體整體流動有利，湖內流速總體有所增加，一般可達（0.012～0.03）m/s，湖區內最小流速約0.005m/s左右。各供水口位置處，順來流方向，將形成流速較高的條帶，由于流速梯度的存在，相對高速運動水體帶對帶動周邊水體運動交換是有利的。

由此可見，在供水流量較小時，湖區內流速普遍較低，隨著供水流量的增加，水體流動速度與來流量呈明顯的正相關關系。為保障湖區水體流動，即不出現靜水區，在投資成本允許的條件下，應該盡可能增加供水流量。

3.3 遠期集中供水

若按遠期規劃，根據供水條件，附近水系還可額外供給3.5m3/s，從預留左側供水點集中供入，原5點分散供水模式不變，仍按生態流量（0.78m3/s）分散供水，湖區流場圖如圖6所示。從圖可以看出，集中供水點附近流速增加明顯，局部流速可達到0.03m/s以上，湖區內低流速區有所壓縮，僅局部深水區出現流速小于0.002m/s的流區。但是，集中來流將選擇水深較淺的淺水區運動，對深水區水體驅動作用不明顯，對湖區范圍內的水體交換改善作用不明顯。可見，單一增大集中供水流量并不能有效改善湖區整體的水流狀態，需要在分散供水方式下增大流量才能更好地驅動湖內水體交換運動。有鑒于此，建議未來遠期供水流量仍按分散供水原則，把來流分散至現有供水點，將對改善湖區水體整體交換有利。

4 結論

本文按不同供水方案計算了湖區內的流場情況，通過對比分析水流流動特性，得到如下結論：

（1）通過供水方式（單點集中供水與多點分散供水）比較可見，采用分散供水模式，對增加湖區水體的整體流動性有利，湖區設計的供水點布局較為合理，在供水流量有限的情況下，盡可能地增加了湖區水體交換。

（2）按生態需水量向湖區供水時，因流量較小，湖區范圍內水體流動性較差。根據設計的供水通道布置情況，可酌情在特定時段加大湖區供水流量，更有利于水體交換。

（3）按分散供水方式，通過加大供水流量，對增加湖區水流流速有利，但限于湖面范圍較大，湖區內水體只能緩慢流動，部分湖區流速在0.005m/s以內。湖區在供水流量（2.5～5.0）m3/s時，湖區內水流流速隨流量增加而加大，低流速區范圍則有所減小，供水流量達到5.0m3/s時（分散供水），湖區內水流流速普遍在0.012m/s以上。

（4）未來遠期集中供水疊加生態流量分散供水的方式僅能驅動集中供水口附近淺水區的水流運動，對其他范圍的水體交換改善不明顯。根據分散供水條件下加大供水流量有利于提高湖內普遍流速的結論，建議將遠期集中供水流量分散至現有供水點，更有利于湖內水體交換。

5 結語

人工湖的修建為單調乏味的城市景觀增添了亮色，也是生態景觀的重要組成部分，可以顯著提高人居環境的舒適性。與此同時，由于與流域水系不連通，人工湖易成為污染物的富集地，藻類植物的生長也會降低水質，使湖區喪失原有的景觀功能。本文利用平面二維數學模型模擬了不同供水方式和流量下湖區的流場情況，根據模擬結果對最優方案提出了建議，可為同類型景觀湖區的建設和維護提供參考。

[1]蔡莉.中心城市的城市人口遷居因素研究——以成都市為實例[D].成都：四川大學，2003.

[2]石憶邵.城市生態用地與城市競爭力關系[J].廣東社會科學，2013，（6）:5-11.

[3]曾崢.新建人工湖水質演變及影響因素研究--以重慶大學虎溪校區人工湖為例[D].重慶：重慶大學，2007.

[4]張鍇，劉源，龍倫明.成都地區人工湖富營養化現狀與防治措施[J].環境保護科學,2013,39（3）:34-37.

[5]盧慧，寧亞偉，袁永齡.基于EFDC模型的人工湖生態換水優化計算[J].水電能源科學,2013,31（4）:100-102.

2017-02-24）

胡帥（1986-），女，湖南益陽人，碩士研究生，工程師，主要從事水工結構設計工作。