某人工湖補(bǔ)水方案數(shù)值模型分析

黃舒琴

（中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

引言

城市內(nèi)湖與大江、大河相比具有不同的顯著特性：匯水面積小，水量小，水量調(diào)節(jié)能力小；與周?chē)沫h(huán)境聯(lián)系緊密，污染風(fēng)險(xiǎn)大，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，有富營(yíng)養(yǎng)化的可能。因而城市內(nèi)湖的保護(hù)具有相當(dāng)?shù)碾y度[1]。調(diào)查結(jié)果顯示[2]：國(guó)內(nèi)大部分城市湖庫(kù)由于受人類(lèi)活動(dòng)的影響，富營(yíng)養(yǎng)化已成為各類(lèi)水體水功能的障礙。綜上所述，城市內(nèi)湖水體交換能力弱，加上適宜的營(yíng)養(yǎng)鹽條件，水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象嚴(yán)重。同時(shí)，隨著人類(lèi)對(duì)水資源開(kāi)發(fā)利用程度不斷增強(qiáng)以及水環(huán)境污染的增加，水體富營(yíng)養(yǎng)化存在著潛在的發(fā)展趨勢(shì)。一旦水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化，其治理極其棘手，不僅要花費(fèi)大量的人力、物力，更重要的是造成寶貴的水資源的大量浪費(fèi)，使區(qū)域資源的永續(xù)利用，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重制約[3]。

調(diào)補(bǔ)水工程作為治理城市河湖污染的一種有效的輔助手段，很多國(guó)家已得到大量的實(shí)踐應(yīng)用，并驗(yàn)證了引清調(diào)度對(duì)改善城市河道的景觀水位和水質(zhì)具有顯著作用[4]。調(diào)水補(bǔ)水工程方案的研究基本集中于重要河流，且調(diào)、補(bǔ)水流量大，工程造價(jià)和運(yùn)維成本高，鮮有針對(duì)城市景觀河、湖小范圍補(bǔ)水改善水質(zhì)的研究[5]。國(guó)內(nèi)調(diào)補(bǔ)水工程改善水質(zhì)方面，上海于20世紀(jì)80年代率先進(jìn)行，之后各市對(duì)玄武湖、巢湖、太湖、滇池等河湖開(kāi)展調(diào)補(bǔ)水工程提升水環(huán)境的研究。為推進(jìn)水生態(tài)文明，目前水利設(shè)施均兼顧防污治污的目標(biāo)，但研究對(duì)象基本為大江大河和大中型湖泊，同樣缺乏小范圍內(nèi)水域補(bǔ)水改善水質(zhì)的研究。隨著城市化進(jìn)展加快，城市內(nèi)水生態(tài)破壞嚴(yán)重，易造成水污染，且不同地區(qū)人文、地理特點(diǎn)不同，對(duì)水環(huán)境的影響也不同，所以進(jìn)一步有針對(duì)性地研究城市小范圍內(nèi)水域的補(bǔ)水方案具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文通過(guò)以某城市人工景觀湖為研究對(duì)象建立三維水動(dòng)力模型研究補(bǔ)水方案的實(shí)施效果，確定最優(yōu)補(bǔ)水方案，研究成果可為城市人工湖補(bǔ)水工程實(shí)施提供依據(jù)，提高社會(huì)效益和工程效益，也可為城市人工河水環(huán)境改善提供參考。

一、研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于城市某一圩區(qū)內(nèi)，圩區(qū)內(nèi)水系橫縱交錯(cuò)，共有18 條河流，均為內(nèi)河。人工湖西側(cè)與一縱向河道連，東側(cè)連通兩條河道。湖內(nèi)水域面積約為122510m2，最大水深為2m，蓄水量約為245020m3。河湖底高程為1.58m，常水位為3.58m，高水位為4.08 m，水流由泵站排向外河。由于河道縱坡為0，圩區(qū)內(nèi)水體流動(dòng)性較差，為防止產(chǎn)生黑臭水體，相關(guān)部門(mén)設(shè)計(jì)補(bǔ)水系統(tǒng)通過(guò)泵站補(bǔ)水和補(bǔ)水管道建設(shè)增加水體流動(dòng)性，預(yù)期目標(biāo)：換水周期7 天；湖內(nèi)基本無(wú)死水區(qū)；水質(zhì)為地表水Ⅴ類(lèi)以上。研究區(qū)域位置和規(guī)劃補(bǔ)水系統(tǒng)如圖1所示。

二、模型的建立

1.Delft3D 模型介紹

Delft3D 是一款由荷蘭代爾夫特研究所開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件包，共包含7 個(gè)模塊，可模擬二維和三維水體。其具有功能強(qiáng)大且操作簡(jiǎn)單的網(wǎng)格繪制、前處理和后處理工具，被廣泛應(yīng)用于河口海岸咸水入侵和地表水環(huán)境污染等問(wèn)題的研究上，是目前世界上最先進(jìn)的水動(dòng)力模型之一。

核心模塊為水動(dòng)力模塊，采用邊界擬合較好的曲線(xiàn)網(wǎng)格離散格式，垂向網(wǎng)格采用σ坐標(biāo)離散，求解的方程為非恒定淺水方程組（連續(xù)性方程、輸移方程、動(dòng)量方程等）[6]。可模擬的水體型式較為廣泛，比如變化的河湖水流、物理模型中水槽的紊流、河口海岸的密度流和重力流等，模擬計(jì)算速度快且穩(wěn)定性好。如圖2所示。

2.二維水系水動(dòng)力模型

2.1 模型網(wǎng)格和參數(shù)。研究區(qū)域?yàn)樗抵幸粋€(gè)水域面積相對(duì)較小的人工湖，圩區(qū)內(nèi)總水域面積較大，河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，若采用水系河網(wǎng)建立模型設(shè)置不同工況進(jìn)行研究，網(wǎng)格范圍較大，計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)，且對(duì)計(jì)算機(jī)要求較高。若利用水系二維水動(dòng)力模型為人工湖水動(dòng)力模型提供初始和邊界條件，采用人工湖水域建立三維水動(dòng)力模型計(jì)算不同工況下補(bǔ)水方案水動(dòng)力變化，既節(jié)省了時(shí)間又可以達(dá)到相同的研究目的，且三維模型可進(jìn)一步了解湖內(nèi)水深方向的水動(dòng)力差異。

為分析現(xiàn)有補(bǔ)水系統(tǒng)下人工湖的水動(dòng)力和水質(zhì)情況，對(duì)水系建立水動(dòng)力和水質(zhì)二維模型，因研究主要分析上游水質(zhì)對(duì)人工湖水質(zhì)的影響，故模型僅計(jì)算在對(duì)流擴(kuò)散作用下水質(zhì)變化。模型采用正交曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格橫向尺寸為5.14m～7.88m，縱向尺寸為5.3m～12.6m，網(wǎng)格數(shù)為592×754=24167。糙率采用曼寧系數(shù)，取0.011，模型紊動(dòng)模式為k-ε模式。河道為矩形斷面，水深2m，按①～?編號(hào)。模型共設(shè)置兩個(gè)開(kāi)邊界，將⑩號(hào)河道上游從圩區(qū)外圍河道泵站引水處斷面作為入流開(kāi)邊界，將?號(hào)河道下游泵站排水至外河處斷面作為出流開(kāi)邊界，根據(jù)已有河道水質(zhì)實(shí)測(cè)資料和參考周邊水域資料（周邊水域水質(zhì)為地表水五類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)）確定模型初始和邊界條件（如圖3所示）。初始和邊界條件分別如表1和表2所示。模型開(kāi)始計(jì)算后，需一段時(shí)間計(jì)算才會(huì)達(dá)到穩(wěn)定，流量計(jì)算達(dá)到穩(wěn)定較快，一般計(jì)算5 天后流量基本穩(wěn)定，故以模型冷啟動(dòng)計(jì)算5 天后的流量作為流量初始條件，模型計(jì)算時(shí)間為30 天，時(shí)間步長(zhǎng)為1min。

表2 二維水系模型邊界條件

2.2 計(jì)算結(jié)果。補(bǔ)水水質(zhì)為地表水四類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)（溶解氧DO 為3mg/l，氨氮NH3-N 為1.5mg/l，總磷TP 為0.3mg/l），在現(xiàn)有補(bǔ)水系統(tǒng)下補(bǔ)水過(guò)程中，與人工湖連通的斷面流量、溶解氧濃度、氨氮濃度和總磷濃度變化如圖4所示，補(bǔ)水后進(jìn)入人工湖的水中溶解氧濃度增加，變化較為明顯；氨氮濃度減小，但減少幅度較小；總磷基本沒(méi)有變化。由圖4變化情況可知進(jìn)入人工湖的水質(zhì)情況為：溶解氧和總磷達(dá)標(biāo)（溶解氧濃度大于2mg/l；總磷濃度小于0.4mg/l），氨氮超標(biāo)（氨氮濃度大于2mg/l）（以地表水五類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)判定是否達(dá)標(biāo)）。由表1可知，水系中河道初始水質(zhì)均為氨氮超標(biāo)，而補(bǔ)水在短時(shí)間內(nèi)對(duì)氨氮的減弱作用較小，從而使進(jìn)入人工湖的水質(zhì)仍為氨氮超標(biāo)，由此可知，上游來(lái)水水質(zhì)影響人工湖水質(zhì)。

表1 二維水系模型初始條件

3.三維水動(dòng)力模型

3.1 模型網(wǎng)格和地形。人工湖三維水動(dòng)力模型網(wǎng)格橫向尺寸為5.14～7.88m，縱向尺寸為5.3～12.6m，網(wǎng)格數(shù)為592×754=24167。曼寧系數(shù)和紊動(dòng)模式同二維水動(dòng)力模型。計(jì)算網(wǎng)格和水深如圖5所示。二維水動(dòng)力模型計(jì)算結(jié)果為三維模型提供邊界和初始條件，根據(jù)水流方向，人工湖三維模型設(shè)置三個(gè)開(kāi)邊界，西側(cè)與河道連通處斷面作為入流開(kāi)邊界，邊界條件為流量變化過(guò)程，東側(cè)與兩條河道連通處斷面作為出流開(kāi)邊界，邊界條件為水位變化過(guò)程（即為常水位3.58m）。計(jì)算時(shí)間為15 天，時(shí)間步長(zhǎng)為1min。根據(jù)現(xiàn)有補(bǔ)水系統(tǒng)計(jì)算湖內(nèi)水動(dòng)力情況，從圖6湖內(nèi)水流速圖可知，現(xiàn)有補(bǔ)水系統(tǒng)僅設(shè)置一個(gè)補(bǔ)水口，湖內(nèi)水流動(dòng)性較差，存在大面積死水區(qū)（流速小于0.01cm/s），由于死水區(qū)內(nèi)易發(fā)生水質(zhì)惡化，故原補(bǔ)水系統(tǒng)需進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 不同補(bǔ)水方案下流速變化。因補(bǔ)水口數(shù)量和位置不同，補(bǔ)水效果亦會(huì)產(chǎn)生差異，所以設(shè)置除補(bǔ)水口外其余條件都相同的情況下，補(bǔ)水口為1、3 和4 個(gè)的三種工況，分析三種工況下湖內(nèi)水動(dòng)力變化情況。由圖6和圖7可知，一個(gè)補(bǔ)水口的情況下，改變補(bǔ)水口位置，死水區(qū)面積稍有變化，但對(duì)于水動(dòng)力改善效果較小。從工況一和工況二可以看出，在淺水區(qū)增加補(bǔ)水口后，湖內(nèi)水動(dòng)力改善效果較明顯，死水區(qū)面積驟減。由圖7～圖9湖內(nèi)水流速變化可知，工況3：補(bǔ)水口為4 個(gè)且沿湖布置時(shí)，湖內(nèi)水體流動(dòng)性較好，基本不存在死水區(qū)。

三、結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)水系建立二維水動(dòng)力水質(zhì)模型，以及對(duì)人工湖建立三維水動(dòng)力模型，分析不同補(bǔ)水工況下湖內(nèi)水動(dòng)力變化。研究得到以下幾點(diǎn)主要結(jié)論。

第一，補(bǔ)水對(duì)水質(zhì)改善具有一定效果，但短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)水對(duì)以改善水質(zhì)至水質(zhì)達(dá)標(biāo)（地表五類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)）為目的的水域并不適用。

第二，人工河承接上游來(lái)水，湖內(nèi)水質(zhì)受上游來(lái)水水質(zhì)影響較大，主要表現(xiàn)為氨氮超標(biāo)。

第三，為達(dá)到補(bǔ)水改善城市人工湖水質(zhì)的目的，補(bǔ)水方案需經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算論證分析確定。根據(jù)本研究，現(xiàn)有補(bǔ)水系統(tǒng)下，湖內(nèi)水體流動(dòng)性很差，存在大面積死水區(qū)，補(bǔ)水系統(tǒng)需進(jìn)行優(yōu)化。補(bǔ)水口位置和數(shù)量對(duì)湖內(nèi)水動(dòng)力影響較大，沿湖周邊均設(shè)補(bǔ)水口對(duì)水動(dòng)力改善效果良好，湖內(nèi)淺水區(qū)處宜設(shè)置補(bǔ)水口。