MIKE21模型在城市生態型人工湖規劃設計中的應用

(上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201799)

近年來生態文明建設已成為國家現代化發展、城鄉建設的主旋律，生態環境問題受到越來越多的關注與重視。上海市金山區為了推進郊區環境綜合整治、新農村建設，規劃于張堰鎮新建一座生態型人工湖，張堰鎮重點區域河道整治工程將該湖泊與區管河道張涇河一同進行綜合整治，滿足當地彌補水面率的需求，打造“十三五”期間所在鎮區總體規劃關于“綠色核心”的生態格局。諸多的城市人工湖建設經驗表明，人工湖發生水質惡化或富營養化的概率正在增加，湖泊生態功能面臨考驗。因此，人工湖的水利、生態設計逐漸被廣泛重視。在張堰鎮人工湖的規劃與設計階段，應用二維水動力數值模型——MIKE21模型對湖泊流場進行模擬，并對來水及排水條件進行分析，確定湖泊選址、水資源調度、水工結構及水生態設計的合理方案，為人工湖的規劃設計提供了寶貴的思路與方法。

1 在人工湖選址中的應用

1.1 人工湖規劃選址概況

該人工湖位于上海市郊區，湖泊規劃納入所在鎮區土地利用總體規劃中，其選址及規模涉及土地指標等問題。根據規劃前期編制情況，暫擬定湖泊總面積為800畝，初選位于張涇河以西或以東。張涇河為金山區的區管河道，其以西選址范圍連通九曲河、山塘河、紅星河、蔣家港河；其以東選址范圍連通聯新河、新港河等。擬定選址方案一為張涇河以西800畝，方案二為張涇河以東800畝，方案三為張涇河以東400畝，平面分布見圖1。

圖1 選址方案地理位置分布

1.2 模型定解條件

a.初始條件：湖底高程、水深和流速。其中流速采用明渠河道不沖不淤的平均流速，取0.5m/s。

b.邊界條件：采用河網現狀及規劃斷面的設計流量，上游流量邊界取9m3/s；根據上海市水利規劃，下游水位值采用所在水利分片的常水位2.50m(吳淞零點高程)。模型計算工況選取下游排水紅旗港—龍泉港出海閘排海。由于缺少實測資料，本模型僅用定量計算作為定性判斷依據。

1.3 結果分析

利用MIKE21-FLOW模型對三種選址方案、不同水域面積下湖泊流場進行水力計算，結果輸出為湖泊與周邊河網的相對流速、相對水位，見圖2。

從水利防洪除澇及調蓄能力、水資源及水生態角度分析湖泊選址的優缺點，對比見表1。

圖2 3種選址湖泊流場計算結果

因 素方 案 一方 案 二方 案 三水面積約800畝約800畝約400畝防洪除澇及調蓄能力水面積大,調蓄能力強水面積大,調蓄能力強水面積小,調蓄能力有限河網水系區位優勢 湖區北靠山塘河、南臨紅旗河、東側為張涇河、西側為定向河,來水水源豐富,營造湖泊對區域河網能匯聚成中心之勢。靠近鎮區中心位置,南臨金山新城,以湖區為中心輻射張堰鎮區范圍大,有效銜接金山新城的延伸效應 湖區現狀西側為張涇河、東側為戰斗港,區位優勢同方案一,但南、北側距離骨干河道紅旗港、魯堰中心河較遠 湖區現狀水域面積小,靠近鎮區邊界,以湖區為中心輻射張堰鎮區范圍小

續表

因此，水利設計結合交通區位、發展潛力、土地可操作性等多因素考慮，確定采取方案二，并在此基礎上優化調整湖型，深化水動力、水生態、水資源調度分析。

2 在人工湖湖型設計中的應用

2.1 模型構建

2.1.1 邊界條件

本工程可行性研究階段依據規劃規模進行論證，人工湖湖型初步擬定后作為本模型的定解條件之一，并且模型模擬的下游排水條件發生變化，由龍泉港排海調整為張涇河南排工程實施后的直排條件。上海區域除澇標準為20年一遇最大24h面雨量、2005年8月麥莎設計雨型，工程區屬浦南東片水利分片，經排澇模型計算后片內除澇規劃常水位2.50m、高水位3.90m，因此工況取常水位、高水位2種工況，具體流量邊界見表2，模型范圍見圖3，由此分析對湖泊內流態、流場的影響。

表2 不同工況下的邊界條件

圖3 模型范圍

2.1.2 網格及地形處理

模型計算網格精度取5m，地形分布見圖4。

圖4 地形分布及模型網格圖

2.2 結果分析

2.2.1 常水位工況

模型范圍水位總體分布、湖區水位分布見圖5(a)、(b)，結果顯示常水位下湖泊平均水位為2.34m，無水位差，且沒有出現壅水，來水、排水口門較為順暢；圖5(c)顯示模型范圍內張涇河平均流速為0.40m/s，新港河平均流速0.38m/s。圖5(d)～(f)顯示上游河道入湖口門流速在0.05～0.15m/s之間，水體進入湖區后流速逐漸減緩，南部水流速比較平均。湖泊西側與張涇河交匯段總體流速較湖心更大；在新港河、北側河道入湖口的流速均較大，且往南呈直線發散區域影響湖體流速。若中間設置有島嶼，則島嶼周邊流速也會相應較大。

圖5 工況1模型計算結果

2.2.2 高水位工況

圖6(a)、(b)計算結果顯示：當片區水位達到規劃除澇最高水位3.90m時，湖泊水位平均為3.39m，無水位差，且沒有出現局部壅水，來水、排水口門較為順暢。流場分布顯示高水位時張涇河入海口流速達到0.80m/s，新港河平均流速0.40m/s。圖6(d)～(f)顯示：新港河、北面河道水體進入湖區后流速逐漸減緩，高水位時，湖心深水區流速比常水位時大，西側張涇河交匯段流速比較平均。

圖6 工況2模型計算結果

2.3 針對水利設計的結論與建議

2.3.1 水位及流速影響

研究區域常水位2.50～2.80m，設計高水位3.90m。模型計算顯示：張涇河排海實施后，湖區水位會下降約20～30cm，并且湖區水動力明顯改善，湖區內流速明顯提升，分析與總結見表3。

表3 模型成果分析與總結

2.3.2 引排水方向影響

湖泊南面排水河道全部匯入張涇河，直接由排?？谌牒！?/p>

2.3.3 匯水量及排水量統計

湖區各支流引、排水流量統計見表4。可見張涇河引水進入湖區范圍的水量占比不大，部分水體順時針繞過張涇河延伸段最南側島嶼，大部分水體直接南排，若需引張涇河水體進入湖區則需考慮設置控制性口門；北側和新港河水體基本上全部由張涇河下游排出。

表4 不同工況下引、排水流量統計

根據模型計算結果，針對水利設計提出建議：?人工湖北部整體水動力較弱，流速較緩，適宜構建濕地用于凈化湖泊的補水水質；?湖心水動力較差，且張涇河補水水量較少，若需要自張涇河引水增強水循環過程，建議增設控制性水利口門；?西側張涇河交匯段整體流速較大，選擇護岸形式時需考慮采用耐沖刷、有消浪作用的結構，在水位變動區增加護坡結構，且入水以1∶5的緩坡較合適。由于張涇河為通航河道，護岸結構設計時應進行船行波計算復核。

3 針對水生態設計的建議

通過MIKE21模型模擬的人工湖流場分析，整個湖泊的水動力條件較好，結合當地農村實際情況，所在地區的生活污水處理尚未完善，居民生活及生產的污水直排河道，導致上游補水河道存在劣Ⅴ類水體，且人工湖東面2km范圍內存在多條劣Ⅴ類水體河道，因此針對補水水源污染等問題，建議在設計階段即考慮水生態設計，通過人工填料、濕地基質和種植水生植物等措施提升來水水質，降解吸收氮磷等營養物質，改善水質，規避藍藻水華暴發風險，構建長期穩定的湖泊生態系統。自然河口濕地，利用濕地植物的降速、絮凝、沉淀和凈化作用，可有效降低入湖河道所攜污染物含量，在減輕湖泊污染負荷等方面，有著不可替代的作用。結合廣州、廈門、江蘇等地人工湖的實踐經驗，在建設初期構建人工河口濕地、緩流濕地能十分有效地削減污染量、削減浪高。模型流場顯示新港河入湖口、北側支流入湖口流速較緩，有利于水生植物生長、濕地內部布水與后期演變，建議作為人工濕地的選址。另外，針對水華風險防控設計，除了水質長期監測外，利用MIKE21模型預測水華風險聚集地為湖泊中部深水區至北面湖岸線，因此建議設計藍藻攔截裝置與應急處理方案。

4 結 語

城市生態型人工湖的興建有利于生態文明建設、改善城市生態環境，本文基于MIKE21模型對上海市金山區張堰鎮重點區域河道整治工程中規劃新建人工湖的二維水動力流場數值進行了模擬，分析了湖泊不同選址方案下的水動力情況，為選址決策提供科學合理的建議。在張堰鎮總體規劃確定后，優化模型邊界條件，進行了湖泊及周邊河網的水動力模擬，可知湖泊在現有條件下建成后流速均勻，張涇河交匯段流速較大，北面沿岸段及湖心流速較緩。針對這些特點，首先，建議在水利設計中增強護岸結構的耐沖刷性，考慮增加控制口門調節張涇河補水量。其次，湖泊水生態應注重入湖污染量削減措施，構建人工河口濕地，既保障濕地建設初期的成效，又利于功能發揮、改善水質；對于湖泊中部水華風險較大的區域，建議設計藍藻應急預案和攔截裝置。用MIKE21模型對人工湖及周邊河網流場的數值進行模擬，是人工湖水利設計和生態設計的有效工具，是今后城市人工湖水環境治理不可缺少的手段。