滴水湖水動力特征及改善研究

陳 翔

（1.上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434；2.三峽智慧水務科技有限公司，上海 200335）

1 概況

滴水湖位于上海蘆潮港東面， 是目前國內在尚未成陸的海灘上開挖的最大人工湖，湖面呈圓形，總面積5.56km2， 平均水深3.7m， 湖區容量可達1200～1600萬m3［1］。 它是上海地區重點建設的人工景觀湖，更是臨港新城水系核心和生態調整中心， 承擔著臨港新城防汛排澇、水體置換等功能，同時對塑造城市生態景觀、優化區域小氣候具有重要作用。 然而，自2003年10月開始蓄水以來， 其水質一直不容樂觀，2006—2008年連續3年湖水年平均富營養化指數均超過70，透明度呈逐年下降趨勢［2］。

大量研究表明， 水動力是影響污染物輸移、擴散、降解的重要因素，與水環境質量息息相關［3-4］，在實際中，水利調度也是滴水湖水質維護的重要手段。據2015—2016年滴水湖冬、 夏兩季定點水文觀測結果，滴水湖水體流速基本小于0.1m/s，總體上水動力較弱，在空間分布上流速差異也較大。因而通過改善滴水湖水動力條件提升滴水湖水環境質量是一個重要方向。目前，對滴水湖水環境研究主要在水生態水質監測評估等方面， 對其水動力特征尤其是存在問題等方面研究較少，對水動力改善研究也相對薄弱。通過建立滴水湖三維水動力模型， 全面深入分析滴水湖水動力存在問題， 針對性地提出水動力改善措施，并研究各項措施對滴水湖水動力改善效果，為滴水湖水環境治理提供指導。

2 三維水動力模型構建

2.1 基本方程

假設流體不可壓， 垂直方向上服從靜水壓強分布，采用笛卡爾直角坐標系，X軸和Y軸位于水平面，X軸向東為正，Y軸向北為正，Z軸向下為正， 則三維湖泊水動力方程［5］為：

式中 u，v，w分別為X，Y，Z方向的流速分量（m/s）；g為重力加速度（m/s2）；P為水壓（N/m2）；籽 為水的密度（kg/m3）；Ah，Az分別為水平和垂直渦粘系數；f為科氏參數。

2.2 模型構建

2.2.1 模型范圍及網格劃分滴水湖形態和地形如圖1， 湖面直徑約2.66km，湖面面積約5.56km2，北部、西部、南部及湖中心均有一島嶼，平均水深3.7m，東西側各有1個深坑，最深處超6m。

圖1 滴水湖地形

依據網格劃分基本原則和計算效率， 滴水湖網格邊長設為20m， 計算區域共劃分為13603個網格節點，26469個三角形網格， 同時垂向依地形分為3層。網格平面劃分如圖2。

圖2 滴水湖網格平面劃分

2.2.2 關鍵參數設置

滴水湖水體流動主要來源于風驅動， 為真實刻畫滴水湖水流動力狀況，采用實測非定常風，糙率高度取值范圍為0.012～0.125m。

2.2.3 模型率定驗證

模型模擬了滴水湖2016年夏季實際風場條件下的湖區流場，并采用實測流速、流向資料進行率定驗證。 由于滴水湖湖面較小，水體流速總體也偏小，極易受風速變化或船舶影響，從實測結果來看，變風場條件下流速、流向也變化頻繁，難以形成穩定流場，對模型率定驗證也是一個挑戰。

根據模擬結果及實測資料對比分析， 計算值與實測值處于同一量級，大小基本相符，變化趨勢基本一致；流向上，計算與實測的主流向基本相符，以西北向和偏南向為主。表、中、底層流速上差異不大，流向上表層、中層流向相對集中，與底層水流同時受地形影響較大關系。總體上，該水動力模型能較好地模擬滴水湖水動力實際狀況， 可進一步用于滴水湖水動力特征及改善研究。

3 水動力特征分析

3.1 典型風況分析

為研究滴水湖在典型風場下的典型流態特征，根據2014年滴水湖全年風資料統計分析結果， 滴水湖為典型季風氣候，春夏季以東南風為主，平均風速5.4m/s，秋冬季以西北風為主，平均風速6.3m/s。 基于已建滴水湖三維水動力模型對典型風場下滴水湖水動力進行模擬分析。

3.2 水動力特征分析

3.2.1 東南風下水動力特征

東南風下，滴水湖空間流場如圖3（因篇幅限制，展示中層流場分布）。在平面空間上，滴水湖東北岸、西南岸和北島西側形成較強的西北向沿岸流， 湖心島四周形成4個較為明顯的環流，東、北兩個方位為逆時針環流，西、南兩個方位為順時針環流。 垂向上，表層流場中，環流靠岸一側流速較大，東北沿岸、北島西側、西島東側和南島東側表層流速約0.1m/s，離岸一側流速較小約0.03m/s；中層流場中，環流靠岸一側和離岸一側流速基本相同，約0.06m/s；底層流場中，環流離岸一側流速要略大于靠岸一側，西北-東南連線上有一股較強的東南向水流，流速約0.06m/s，與表層的西北向沿岸流流向完全相反，兩股水流形成垂向上的水體循環。

圖3 SE、NW風下中層流場

東南風下， 湖心島周邊4個環流中心為滯留區，流速非常小；此外，南島南北兩側、西島南側、北島東側受島嶼阻隔影響水體流動性較弱。

3.2.2 西北風下水動力特征

西北風下，滴水湖空間流場如圖4，在平面空間上，滴水湖東岸、西岸和北島兩側形成較強的東南向沿岸流，湖心島周圍形成若干個環流。 從垂向上看，表層流場中，環流靠岸一側流速約0.11m/s，環流離岸一側流速較小約0.05m/s；中層流場中，環流靠岸一側流速約0.08m/s，略大于離岸一側，約0.07m/s；底層流場中，環流靠岸一側約0.055m/s，略小于離岸一側流速，約0.07m/s。 底層東南-西北連線上存在一股較強的西北向水流， 結合表層較強的東南向沿岸流形成垂向上的水體循環。

圖4 工程前、后垂向平均流場及變化（左：NW 右：SE）

西北風下， 除湖心島周邊4個環流中心為滯留區，流速非常小外；南島南側、西島南側、北島東側受島嶼阻隔水體流動性較弱，且較東南風下更差。

3.2.3 流速分級統計分析

進一步按流速大小對水域面積進行量化分析，如表1。

表1 各流速段對應水域面積占比 單位：%

通過對滴水湖典型風場下水動力特征分析發現，滴水湖流速基本小于0.06m/s，低流速區占比相對較大，盡管在風速增大時，這一情況將得到改善，但整體上水動力仍較弱。平面空間形態上，沿岸順風向形成較強的沿岸流，湖心區以環流結構為主，垂向上形成表層順風、底層逆風的循環流動。 此外，環流中心區及北島、西島、南島附近受島嶼阻隔影響，水動力非常弱，易成為藻類和各種污染物的匯集區，通常也是大范圍水質污染的爆發點。 這與現實中滴水湖各島嶼附近的水質較差也相吻合，尤其是北島周邊，是當前滴水湖水環境治理的重點區域。

4 水動力改善措施及效果研究

基于滴水湖水動力特征分析結果， 針對局部水動力改善及整體水動力提升需求， 結合滴水湖水環境治理思路，提出兩類工程性改善措施：①針對北島局部水流較弱問題， 采用島嶼環通工程連通島嶼兩側水流，削弱島嶼阻隔影響；②針對環流中心滯留區及整體水動力改善需求， 采用引排工程控制滴水湖環湖河道進出滴水湖水量來改善湖區動力。 通過三維水動力數學模型對上述措施進行研究。

4.1 北島環通工程

在北島與湖岸連接處， 通過開挖或埋設管涵連通北島兩側水流，促進局部水體流通，改善北島兩側夾角水流較弱的問題，通道底寬設為50m。 不同風況下，北島環通工程前后流場變化如圖4。

西北風下， 北島西側沿岸流由環通通道進入東側原滯流區，兩側水動力均增強。西側平均流速由工程前0.026m/s提升至0.041m/s，近岸處流速由0.007m/s提升至0.045m/s；東側平均流速由工程前0.008m/s提升至0.031m/s， 近岸處流速由0.006m/s 提升至0.069m/s。 通道西側以南和東側局部區域同時存在流速減小，西側由于通道分流有所削弱，東側局部區域由于原水流與通道出水流相頂沖而有所減弱。但流速減小區域原本流速較大，削減幅度較小，環通工程后仍保持較強的水動力，尤其是西側沿岸流仍達0.5m/s。

東南風下，北島東側沿岸流由環通通道進入西側原滯流區，兩側水動力均改善。 西側平均流速由工程前0.030m/s 提升至0.044m/s， 近岸處流速由0.008m/s提升至0.054m/s； 東側平均流速由工程前0.014m/s提升至0.034m/s， 近岸處流速由0.009m/s提升至0.069m/s。 北島東側沿岸流由于管道分流而減小，減小約0.02m/s，主要是中下層流速減小。

垂向上，經進一步統計分析，西北風下，北島東西兩側環通工程實施后底層流速較工程前平均增幅117%，中層流速較工程前平均增幅226%，底層流速較工程前平均增幅194%，垂向平均流速較工程前平均增幅243%。 東南風下，北島東西兩側底層流速較工程前平均增幅73%， 中層流速較工程前平均增幅101%，底層流速較工程前平均增幅280%，垂向平均流速較工程前平均增幅104%。

因而，環通工程對促進北島附近區域水體流通，打破原滯水格局，提升兩側水體動力具有顯著效果。

4.2 引排工程

滴水湖環湖口門較多， 為改善湖心滯留區水動力，同時放大引排工程對湖區整體水流的提升、置換效應，設置從西北口門引水、東南口門排水，引排規模60m3/s，模擬分析引排工程對滴水湖水動力改善效果。 引排前后湖區流場如圖5。

圖5 引排前、后垂向平均流場

西北口門引水后，西北湖區流速大幅提升，平均流速近0.2m/s，西北口門附近流速最大近0.5m/s；西北口門與東南口門之間形成一條強流帶，流速介于0.05～0.5m/s之間；同時改變原環流格局，原滯留區水動力條件得到顯著改善。 垂向上，經進一步統計分析，強流帶區域底層流速較引排前平均增幅660%，中層流速較引排前平均增幅1561%， 底層流速較引排前平均增幅426%，垂向平均流速較引流前平均增幅1617%。

因而，引排工程對促進湖區水體整體流動，削弱或打破原環流格局，改善滴水湖整體水動力環境具有顯著效果。 同時，可根據滴水湖水動力改善的不同時間、空間需求，通過階段性引排水和不同口門之間的組合引排水，有針對性地控制、改善滴水湖水流形態。

5 結語

（1）滴水湖現狀水動力條件整體較差，流速基本小于0.1m/s。 在典型風況下，形成近岸為順風向沿岸流、湖心區多環流的平面流態結構；垂向上形成表層順風、 底層逆風的循環流動。 受環流及島嶼阻隔影響，環流中心區及北島、西島、南島附近水動力較弱，是滴水湖水環境治理的重點。

（2）北島環通工程實施后，可有效促進北島東西兩側水體交換流通，顯著提升東西兩側水動力條件，流速增加0.02～0.06m/s不等， 有效削弱島嶼阻隔影響，對改善局部水環境具有重要價值；同時對改善南島、西島同類水環境問題具有重要借鑒意義。

（3）引排工程實施后，在引水口與排水口之間形成強流帶，改變原環流格局，可顯著提升原環流中心水體動力，促進湖區水體置換、流通，對改善滴水湖整體水環境具有顯著效果。