疏浚工程對湖泊水動(dòng)力學(xué)特征的影響分析

楊磊 賈會(huì)超

摘要：本文以東太湖為研究對象，建立了二維湖泊水動(dòng)力，根據(jù)東太湖疏浚工程實(shí)施前后地形的變化進(jìn)行水動(dòng)力模擬。水動(dòng)力模擬結(jié)果表明，疏浚工程實(shí)施對疏浚湖區(qū)水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響較為顯著，而對太湖整體水流結(jié)構(gòu)的影響微弱。

關(guān)鍵詞：東太湖;疏浚;水動(dòng)力

中圖分類號：X11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：2095-672X（2019）05-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.05.009

Abstract：This thesis uses East Taihu Lake as the research object，? a 2D hydrodynamic and water quality model was built. the flow characteristics of dredging lake is simulated and analyzed. The changes of hydrodynamic? before and after the implementation of dredging project. Hydrodynamic simulation results show： The implementation of dredging project have a significant impact on hydrodynamic parameters of the dredging lake region， and a weak impact on the the Taihu lake overall flow structure.

Key words：East Taihu lake;Dredging;Hydrodynamic

水生生態(tài)系統(tǒng)中，沉積物是營養(yǎng)物、重金屬的匯和源[1-3]。在外源得到有效控制的情況下，生物或物理因子等作用促使的沉積物釋放，仍有可能導(dǎo)致水體在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)維持富營養(yǎng)化或水質(zhì)惡化等不良狀態(tài)[4-5]。水體底泥疏浚是削減內(nèi)源污染的重要手段[6]，該技術(shù)目前已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[7-10]。目前，對于底泥疏浚后水體水質(zhì)的變化已有一定的研究。但迄今為止，關(guān)于工程后對水體水動(dòng)力的影響研究的較少。本文選擇東太湖疏浚工程為研究對象，就東太湖疏浚工程前后水動(dòng)力的變化展開研究。

1 數(shù)學(xué)模型

考慮Bousinesque近似和淺水假定以及風(fēng)應(yīng)力的影響，則二維水動(dòng)力學(xué)方程組為：

2 疏浚工程水動(dòng)力影響數(shù)值模型分析

2.1 工程概況

東太湖位于蘇州市以南，是太湖東南部東山半島東側(cè)的一個(gè)狹長形湖灣，與太湖主體以狹窄的湖面相通。近年來隨著太湖流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水體富營養(yǎng)化不斷加劇，嚴(yán)重破壞了太湖的生態(tài)環(huán)境[11]。東太湖生態(tài)清淤作為太湖水環(huán)境治理的重要內(nèi)容，是消除湖區(qū)內(nèi)源污染、遏制太湖富營養(yǎng)化的重要措施。

東太湖生態(tài)清淤區(qū)域位于湖區(qū)中部，大缺港東閘至大浦口之間的湖區(qū)水域，清淤面積為24.04km2，清淤深度為0.2～0.5m，清淤工程量約573.3萬m3。清淤工程規(guī)模、范圍及區(qū)域布置見表1。

2.2 模型參數(shù)的確定

本文模型地形資料以太湖實(shí)測水下地形為基礎(chǔ)并進(jìn)行修正。數(shù)值計(jì)算的網(wǎng)格劃分采用三角形網(wǎng)格，空間步長為1000m，共9313個(gè)網(wǎng)格，5148個(gè)節(jié)點(diǎn)。風(fēng)條件采用東太湖夏季主導(dǎo)風(fēng)向ESE方向，風(fēng)力取東山站（1981-1998）多年平均風(fēng)速3.1m/s;糙率系數(shù)n取0.05。

2.3 水動(dòng)力影響分析

在模型計(jì)算時(shí)，假定初始時(shí)刻湖面是靜止、無擾動(dòng)的，時(shí)間步長為10s，計(jì)算總時(shí)長為240h，此時(shí)模擬的太湖流場已達(dá)到充分穩(wěn)定狀態(tài)。模擬后整個(gè)太湖二維流場圖見圖1。由于太湖實(shí)測的流速資料較少，本次驗(yàn)證內(nèi)容主要是太湖的環(huán)流形態(tài)。由圖可見，太湖西側(cè)有個(gè)比較大的順時(shí)針環(huán)流，而東側(cè)有一個(gè)逆時(shí)針環(huán)流，且順時(shí)針環(huán)流的流速要大于逆時(shí)針環(huán)流流速。兩個(gè)環(huán)流幾乎覆蓋了整個(gè)太湖[11]。這與實(shí)際結(jié)果吻合。由此可見模擬是合理的。由表1可以看出，東太湖底泥疏浚平均深度在0.2到0.5m之間，疏浚改變了湖底地形，從而可能對疏浚區(qū)及周邊區(qū)域的水動(dòng)力產(chǎn)生一定的影響。應(yīng)用模型對東太湖疏浚前后流場進(jìn)行模擬，分析水動(dòng)力變化情況。工程實(shí)施前后流場、流速見圖1～圖4。從圖中可以看出，工程實(shí)施后對整個(gè)太湖的流態(tài)影響不大，而對東太湖各疏浚區(qū)流態(tài)均有不同程度的影響。工程前疏浚區(qū)原本由數(shù)個(gè)較小的環(huán)流組成，疏浚后，由于疏浚區(qū)地形變的更加平整，增加了原有地形的平滑性，環(huán)流形狀發(fā)生改變，數(shù)個(gè)較小的環(huán)流融合為一個(gè)較大的逆時(shí)針環(huán)流。各疏浚區(qū)疏浚前后流速統(tǒng)計(jì)見表2。由圖表分析可知，疏浚后，雖然增加了湖區(qū)的水深，但是由于工程后疏浚區(qū)地形變的平坦，水流更加順暢，各疏浚區(qū)及整個(gè)東太湖平均流速增長，工程實(shí)施后東太湖湖區(qū)平均流速總體上較工程前增加約0.0031m/s。

3 結(jié)論

模擬結(jié)果表明，在3.1m/s定常東南偏東風(fēng)作用下，本文采用的方法對太湖的水動(dòng)力計(jì)算是符合實(shí)際流場的。在該工程疏浚的范圍及深度下，該工程對太湖整體影響甚微，而對疏浚湖區(qū)東太湖流態(tài)、流速有較為顯著的影響。東太湖湖區(qū)工程前原本由數(shù)個(gè)較小的環(huán)流組成，疏浚后，環(huán)流形狀發(fā)生改變，數(shù)個(gè)較小的環(huán)流融合為一個(gè)較大的逆時(shí)針環(huán)流。平均流速總體上也較工程前增加了約0.0031m/s。

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收稿日期：2019-03-25

作者簡介：楊磊（1985-），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樗畡?dòng)力計(jì)算、水質(zhì)模型、水環(huán)境容量計(jì)算和分析等以及環(huán)境影響評價(jià)等。