基于Mike21流場分析的人工湖設計研究

石夢潔 胡 操

（安徽省城建設計研究總院股份有限公司 合肥 230051 南京市長江河道管理處 南京 210000）

近年來，生態健康等觀念深入人心，構建山、水、城之間的和諧關系成為城市的發展方向之一。在具備合理性和可行性條件的前提下，人工湖的開發便是將自然與人和諧統一的良好手段，在城市改善生活環境、城市整體景觀品質、城市魅力及城市投資環境的提升等方面具有相當的意義和價值。鑒于此，人工湖生態設計研究被廣泛重視并推廣。本文利用Mike21軟件通過對念湖風生流和吞吐流模擬研究，分析念湖設計方案的合理性，為念湖生態設計提供了一定的科學依據與技術支持。

1 念湖概況

念湖位于安徽省合肥市長豐縣下塘鎮中心位置，南臨莊墓河主源，東接瓦東干渠，北挨下塘鎮規劃核心區，西至鳳麟大道，為整個鎮區的景觀中心，建設面積80畝。湖體以結合周圍景觀以及綠地采用適當的開挖方式成湖，湖體平面成環狀，設計岸線平曲交錯，具有一定的形態美感，東側湖區內有三處小島，西邊湖心島由道路連接南北兩岸。東西均規劃有相應銜接河道，引補順暢。

2 研究模型構建

2.1 數值模型

運用Mike軟件對念湖流場進行模擬，Mike21是Mike軟件中的二維模型模塊，該模型運用了三向不可壓縮方程以及Reynold值均分布的Navier-Stokes方程，同時也運用了靜水壓力的假定和Boussinesq假定。二維非恒定淺水方程組為：

圖1 流場模擬網格劃分及水深分布圖

圖2 風生流模擬結果圖

圖3 吞吐流模擬結果圖

式中：t為時間，η為水位；h=η+d為總水深，u和v分別是x和y方向上的速度分量，x，y為笛卡爾坐標系坐標，f是科氏力系數，g為重力加速度，sxx，sxy，syy分別為輻射應力分量，S為源項，ρ為水的密度。

2.2 邊界條件

通過利用已有的念湖范圍和設計水深，利用SMS進行網格劃分，然后進行網格內部高程插值后導入MIKE中進行模擬，分風生流和吞吐流進行模擬。給定的風生流邊界條件為東北偏東南風2.7m/s，吞吐流邊界條件為進出口流量分別設置為3d完成補水流量0.36m3/s，5d完成補水流量0.21m3/s，7d完成補水流量0.15m3/s。

2.3 網格劃分

首先根據編制范圍提取出計算范圍的邊界線；其次利用基礎地形圖等數據提取高程，分別以（x，y，z）坐標格式的*.xyz格式文件進行保存；最后根據大湖計算對地形的要求按照最大網格不超過0.01km2的三角形網格對DEM進行剖分，對主要溝渠、重要地區、地形和平面形態變化較大地區提取為（x，y，z）坐標格式的*.xyz格式文件進行保存，用于網格加密剖分。

此次將念湖網格劃分為10000個三角網格。圖1為將設計的水位線通過散點的形式以(x，y，z)的形式導入網格后得到的mesh文件。其中顏色越深，水深越深，最深水深為2m，主要集中在念湖中央。

3 研究結果

3.1 風生流研究結果

在給定風速邊界條件后模擬得到的念湖無補水條件下穩定水深流場分布圖（見圖2），通過給定風速2.7m/s，全年多為東北偏東南風，模擬風場條件下念湖的流場變化。其中箭頭表示流速方向，在該風場條件下，整個湖區基本都受到了風生流的影響，湖心水流流程較長，整體基本無死水區，因此可認為庫區地形設計基本符合要求。

3.2 吞吐流研究結果

在給定流量邊界條件后模擬大湖3d、5d、7d完成補水的情況，通過給定進口和出口流量，并都分別設為0.34m3/s、0.20m3/s、0.14m3/s，模擬補水條件下念湖的流場變化。其中箭頭表示流速方向，模擬出來的結果表明：補水期間，整個湖區水動力條件較好，死水區和緩流區面積相對較小。從圖看出，3d完成補水期間湖區流速快的區域較大；7d完成補水湖區水域流速局部區域變化大，總體平穩，效果較好；5d完成補水效果居中。

4 結語

（1）采用Mike21軟件模擬計算流場，風生流模擬結果表明湖心水流流程較長，整體基本無死水區，可認為庫區地形設計基本符合要求；吞吐流通過對比三種補水流量方案，結果表明7d完成補水效果最佳。

（2）基于流場分析模擬湖泊流場的結果可應用于城市人工湖前期的湖形設計與補水的優化設計，獲得的念湖引水過程中湖泊流場的變化及湖泊的死水區域，為生態建設及輔助設施的布置提供了依據。

（3）使用Mike21軟件研究念湖生態設計及可行性，為設計提供了一定科學依據與技術支持■