風場對人工淺水湖泊水動特性影響研究

李國林

（中鐵十九局集團第五工程有限公司，遼寧 大連 116100）

0 前言

信陽高新區海營生態城充分利用生態資源進行規劃設計，提升現有綠化環境，將海營片區打造成信陽市的生態標桿，如意湖便是該項目的起步區。如意湖整體設計為“L”形，這樣很容易使湖泊水體出現流動性較差的死水區，導致水體得不到充分交換。因此對如意湖的水動力特性開展研究具有十分重要的意義。

1 研究區域及模型建立

1.1 水動力理論

研究采用了二維水動力數值模型，該模型基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并運用了靜水壓力和Boussinesq的假定。具體表達式如下。

水流連續方程：

X、Y方向水平動量的方程：

式（1）（2）（3）中：η為水位；d為靜止水深；h=η+d為總水深；u、v分別為深度平均流速x、y方向的分量；f為科氏力系數，f=2ω sinφ，ω為地球自轉角速度，φ為地理緯度；sxx、sxy、syx、syy為輻射應力張量分量；Txx、Txy、Tyy 為水質點側向應力，包括粘滯摩擦力、紊流摩擦力、對流力等；τsx、τsy分別為湖面風摩阻x、y方向的分量；τbx、τby分別為湖底風摩阻x、y方向的分量。

1.2 研究區域及模型建立

如意湖是信陽市海營生態智慧城起步區項目的核心部分，文章通過構建水動力模型來探究風場對湖泊的水動力特性影響。首先構建出模型的邊界，并對邊界進行平滑處理，模型邊界每4 m 設置一個點，建立了2 262 個非結構網格，1 251 個節點，網格面積為19.76 m2，如意湖的湖水來自北側海營水庫，并通過跌水花瀑流入湖區，入口為特定流量入流；出口通過南側溢流堰出流，如意湖中設有一座島嶼名為如意島。湖泊的正常水位為110.70 m，湖平均水深為1.50 m，湖面面積為2.30萬m2，水量約為3.40萬m3，平面設置與網格劃分如圖1所示。

圖1 如意湖網格劃分圖

1.3 參數的率定

干濕邊界：采用干濕動邊界處理技術，干水深設置為5×10-3m，淹沒水深設置為6×10-3m，濕水深設置為0.10 m。即當計算區域水深小于5×10-3m時，計算區域為“干”，不參加計算；當水深大于0.10 m時，計算區域為“濕”，參加計算。

糙度：考慮如意湖底部地形的變化和植物生長情況，取粗糙系數為0.031。

為解決流體所引起的雷諾附加應力，渦粘系數取0.28 m2/s。

1.4 設計方案

對特定流量下不同風場工況進行模擬，月平均風速為2.54 m/s，模擬時長為3 d，具體工況見表1。

表1 設計工況表

2 結果與討論

2.1 如意湖的水動力分析

如意湖在工況1條件下的湖區流速場如圖2所示，水流整體由北向南，在如意湖入口處、出口處及如意島的東南側流速較大，其他區域流速較小。受湖泊形狀的影響，湖區內形成了一處順時針環流，位于如意湖入口處的西側，流速在0.20～1.50 cm/s。另外形成兩處逆時針環流，一處位于如意湖入口處的東側，這是由于受湖泊邊界影響，湖區主要通道與入水口東側流速的差距較大，所以形成了逆時針的環流，流速在0.02～0.50 cm/s；另一處位于出水口對面北側，由于湖泊邊界形狀不規則，湖區主流方向與岸邊走向相反，所以形成了一個較大的逆時針環流，流速在0.01～0.70 cm/s。

圖2 無風作用下流場圖

2.2 風場對水動力的影響

通過對比5 組不同工況的流速場（如圖3）可知，水流流速大小分布與無風工況下相差不大，在如意湖入水口、出水口和如意島東南側過水斷面變狹窄區域流速較大，其他區域流速相對較小。

圖3 各工況流場圖分布圖

北風工況下，風由北吹向南，風向和水流方向相同，湖區內大部分水體流速方向的都是由北向南流動，受如意湖岸線形狀影響，湖區形成兩個逆時針環流，在入水口東側形成一個很小的環流，流速為0.03～0.50 cm/s；在出水口對面形成一個較大環流，流速為0.10～1.50 cm/s，兩處環流對比無風條件下都較小。

東風工況，水流在上半部分受風場影響較小，因岸線影響在入水口東側形成一個逆時針環流，流速為0.07～2.00 cm/s，入水口西側形成一個很小的順時針環流，流速為0.06～1.30 cm/s，南側部分水流流向為由西向東，風向為由東向西，并且受湖泊岸線形狀影響，主流區水流由西向東，湖灣區形成了4 個大小不等的環流，流速為0.10～3.00 cm/s，其中主流區以上的兩個環流為逆時針環流，主流區以下兩個環流為順時針環流。

南風工況下，水流整體流向與風向相反，受湖泊形狀影響易產生環流，在南風作用下共形成8 處環流，其中有四處順時針環流，四處逆時針環流，在入水口有兩個環流分布于主流區的東西兩側，其中東側為一個較大的逆時針環流，流速為0.12～2.30 cm/s，西側則為一個較小的順時針環流，流速為0.10～1.30 cm/s；在未進入如意島之前由于地形西影響有兩處環流，一處為順時針環流流速在0.15～1.30 cm/s，一處為逆時針環流流速為0.06～1.50 cm/s；在如意湖湖區南部有4個環流，它們以如意湖出口對側北岸為界，西側有兩個順時針環流，東側有兩個逆時針環流，流速為2.50×10-3～2.50 cm/s。

西風工況下，如意湖在入水口西側形成了一個順時針環流，流速為0.15～1.50 cm/s，在西南側形成一個逆時針、一個順時針環流，流速為0.03～2.50 cm/s。

3 結論

建立二維數學模型研究如意湖的水動力特性，對比研究相同流量不同風場下水動力特性變化規律得出結論：①如意湖在無風條件下，水流整體由北向南流動，但在湖區內由于流速的差異較大形成了一個順時針環流和兩個不同大小的逆時針環流。②通過探究相同流量下風場對水動力特性的影響，發現東風和南風作用對流場的影響較大，這是因為如意湖湖區流向與風向相悖，使得湖內產生了順時針或逆時針環流；如意湖湖區流向與風向相符，北風和西風對流場影響較小，湖區內也存在順、逆時針環流，但數量較少。