基于MIKE21的城市湖泊人工水循環的濃度場數值模擬

路洪波，黃 宇，王潤娟

隨著城市化急劇發展，城市湖泊開發強度增大，許多湖泊如無錫太湖、江西鄱陽湖、蘇州太湖、廣州流花湖、合肥巢湖、南京玄武湖等均已出現富營養甚至重富營養現象[1]。諸多城市公園人工湖泊由于設計不合理，經常會出現“死角”，水體缺乏流動性，受生產、生活、養殖等影響，導致城市湖泊水體中污染物濃度增大。在溫度較高的氣候環境下，藻類能夠在富含富含N、P等營養元素的水中的迅速生長會破壞城市湖泊的生態環境平衡。總之，受到人們不合理活動、缺乏合理規劃設計等影響，導致城市湖泊的水體流動性較差，水生生態系統簡單、水環境容量小、水體自凈能力低，自身的生態相當脆弱，水體黑臭現象加劇，污染負荷嚴重超出水體自凈能力，嚴重影響了水體的功能與景觀效果。目前，全國已經有93%的公園水體遭到不同程度的污染，亟待治理[2]。

城市人工湖泊的水動力條件主要來源于人工水循環動力，但是由于湖泊水體得封閉特性，水體流動性差，流速場與污染物的濃度場分布往往是水環境質量的重要表現[3]。通過人工水循環手段來改善水環境是一種常見的物理方法[4]，因此本文對城市湖泊的人工水循環過程中的濃度場分布進行了數值模擬和對比分析。

1 長樂湖簡介與方案設計

西安市長樂公園景觀湖概況如圖1所示。根據Ⅰ號人工湖與Ⅱ號人工湖之間的現有落差，設置水工泄水建筑物來實現水力循環，促進水體交換與流動，水體的流動同時帶動污染物的遷移交換，從而改變湖泊水體的濃度場分布，最終提升水環境質量。

首先在湖泊設計中擬定不同的進、出水口方案與工況。根據長樂湖的水體容積計算，方案1置換周期為24小時，需要進出口總流量為0.2 m3/s；方案2置換周期為48小時，需要進出口總流量為0.1 m3/s；方案3置換周期為96小時，需要進出口總流量為0.05 m3/s。

按照不同的進、出水口流量分配以及是否設置人工島嶼設計了模擬方案，如表1所示；進水口A、B、C、出水口O位置以及增設島嶼的位置如圖1所示。

表1 不同進、出水工況設計表 單位：m3/s

圖1 景觀湖進出水口及增設島嶼位置圖

2 定解條件的確定

2.1 邊界條件的確定

（1）閉邊界。湖岸、湖心島相聯接的邊界面，其法相流速為零，即：

（2）開邊界。進、出水口、源匯點處其相應的流速V0（流量）或水位h0，即：

（3）湖底地形。湖底地形根據現有湖泊資料的實際地形高程設定，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，初始水位設定為一定值h0，即

3 濃度場數值模擬結果分析

水動力條件、污染物濃度是關系湖泊水質最為重要的兩大因素，建立污染物擴散遷移模型，分析湖泊水體污染物濃度變化，有助于優化湖泊方案設計。

水環境質量劃分標準中通常將化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）等污染物濃度作為研究湖泊環境容量和水質改善變化規律的主要評判指標。長樂湖水質指標初始值為：COD為30 mg/L，NH3-N為3 mg/L。引入水體水質為：COD為15 mg/L，NH3-N為0.5 mg/L。

3.1 COD濃度場結果分析

為了分析不同換水周期對其濃度的影響，進行了3個方案12個工況下即不同換水流量情況下的COD濃度場結果對比分析，濃度分布如圖2所示，計算結果見表2。

圖2 不同方案COD濃度等值線分布圖

表2 各工況下COD去除率

如圖2所示，湖中水體受環流結構的影響，濃度混合比較均勻。在Ⅰ號人工湖與Ⅱ號人工湖的東南部均出現“死角”，水體沒有得到置換，污染物濃度只在自凈能力下有所降低，擴散作用不明顯，需要進一步處理以改善該處水質。

從表2可見，隨著水體的擴散，湖泊內濃度值總體均呈下降趨勢。湖中COD初始濃度為30 mg/L，入湖濃度為15 mg/L，入湖后沿北岸向西擴散，方案1經過大約24小時水體基本完成一次置換，水體基本達到完全混合，混合濃度大約為17.5 mg/L；方案2經過大約48小時水體基本完成一次置換，水體基本達到完全混合，混合濃度大約為14.7 mg/L；方案3經過大約96小時水體基本完成一次置換，水體基本達到完全混合，混合濃度大約為10.5 mg/L。

對比不同方案下的去除率可見，方案3均高于方案2、1的COD去除率，表明在相同進出水口情況下，換水96小時方案的COD平均去除率為64%以上；換水48小時方案的COD平均去除率為50%以上；換水24小時方案的COD平均去除率為40%以上，前者較后者延長了換水時間，在保證完成換水工作的同時更好的改善了水體的水環境質量。

在總流量相同的情況下，采取分流方式進水，增加進水口數量可以加大水體擴散至整體湖泊，促進水體的混摻，增大水體自凈，有利于清除湖泊中的“死角”現象；增設島嶼可以阻止水流的主流流動，增大水體在Ⅰ號湖泊內的擴散作用，從而避免由于水流直接流向下湖導致擴散受阻引起水體交換不夠；增加進水口數量、在湖中增設島嶼均能使COD平均去除率有所增大，水體改善效果有一定程度的提高，但是提高效果不是很大；相同換水量情況下，延長換水周期能夠使COD平均去除率增大明顯，水質改善效果顯著。

3.2 NH 3-N濃度場結果分析

為了分析不同換水周期對其濃度的影響，進行了3個方案12個工況下即不同換水流量情況下的COD濃度場結果對比分析，濃度分布如圖3所示，計算結果見表3。

圖3 不同方案NH3-N濃度等值線分布圖

表3 各工況下NH3-N去除率

如圖3所示，湖中水體受環流作用，濃度混摻均勻。在Ⅰ號、Ⅱ號人工湖的東南部均出現“死角”現象，水體未得到置換與凈化，污染物濃度有所降低是由于水體的自凈能力，而擴散效果不明顯。

從表3可知，隨著水體的擴散，湖泊內濃度值總體均呈下降趨勢；湖中NH3-N初始濃度為3 mg/L，入湖濃度為0.5 mg/L，入湖后沿北岸向西擴散，方案1經過大約24小時水體基本完成一次置換，水體基本達到完全混合，混合濃度大約為1.2 mg/L；方案2經過大約48小時水體基本完成一次置換，水體基本達到完全混合，混合濃度大約為1 mg/L；方案3經過大約96小時水體基本完成一次置換，水體基本達到完全混合，混合濃度大約為0.6 mg/L。

對比不同方案下的去除率可見，方案3均高于方案2、1的NH3-N去除率，表明在相同進出水口情況下，換水96小時方案的NH3-N平均去除率為87%以上；換水48小時方案的NH3-N平均去除率為80%以上；換水24小時方案的NH3-N平均去除率為74%以上，前者較后者延長了換水時間，在保證完成換水工作的同時更好的改善了水體的水環境質量。

在總流量相同的情況下，采取分流方式進水，增加進水口數量可以加大水體擴散至整體湖泊，促進水體的混摻，增大水體自凈，有利于清除湖泊中的“死角”現象；增設島嶼可以阻止水流的主流流動，增大水體在Ⅰ號湖泊內的擴散作用，從而避免由于水流直接流向下湖導致擴散受阻引起水體交換不夠；增加進水口數量、在湖中增設島嶼均能使NH3-N平均去除率有所增大，水體改善效果有一定程度的提高，但是提高效果不是很明顯；相同換水量情況下，延長換水周期能夠使NH3-N平均去除率增大明顯，水質改善效果顯著。

4 結論

（1）通過對該人工湖的濃度場數值模擬，預測與分析了人工水循環過程中湖泊湖泊水體的濃度場分布情況，可知人工水循環措施是改善城市湖泊水體流態的一種有效的物理方法。

（2）以COD、NH3-N為主要的水質模擬指標，分別計算了其在不同措施下的水質指標去除率，結果表明：在相同水體流量下，增加進水口數量或者在湖泊中增設島嶼分流能夠促進水體的混摻與擴散，有利于水體污染物的充分擴散，污染物平均去除率增大，增大了水體自凈能力，對水質改善效果明顯。

（3）利用Mike21軟件對人工湖泊濃度場進行數值模擬研究，是城市人工湖泊設計合理性的有效工具。

[1]馬生偉,蔡啟銘.太湖水體的總磷分布及湖流對其影響的數值研究[J].湖泊科學,1997,9(4):325-330.

[2]俞柏炎.多進出水口湖泊水體推移及濃度場預測分析[D].杭州:浙江大學.2006.

[3]彭進平,逄勇,李一平,丁玲,吳昭巧.水動力過程后湖泊水體磷素變化及其對富營養化的貢獻[J].生態環境,2004,13(4):503-505.

[4]辛小康,尹煒,葉閩.水動力調控三峽庫區支流水華方案初步研究[J].水電能源科學.2011,29(7).