基于Delft-3D的湖底形態(tài)研究
——以上海迪士尼中心湖為例

馮雙平，王宏俊，唐建華

（1.上海申迪項(xiàng)目管理有限公司，上海200439；2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司上海分公司，上海200439）

基于Delft-3D的湖底形態(tài)研究
——以上海迪士尼中心湖為例

馮雙平1，王宏俊2，唐建華2

（1.上海申迪項(xiàng)目管理有限公司，上海200439；2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司上海分公司，上海200439）

湖底形態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)促使湖泊形成變化的生境，有利于形成湖泊生物群落的多樣性和較為完整的生態(tài)系統(tǒng)及良好的水動(dòng)力環(huán)境，有利于湖泊功能的實(shí)現(xiàn)以及維護(hù)較好的湖泊水質(zhì)條件。采用三維水動(dòng)力學(xué)模型Delft-3D進(jìn)行研究，結(jié)合中心湖的平面形態(tài)，分析在不同的湖底造型條件下，湖區(qū)內(nèi)進(jìn)出水以及表面風(fēng)應(yīng)力引起的吞吐流、風(fēng)生流的流態(tài)及流速大小分布，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，經(jīng)綜合分析推薦最佳湖底地形。。

三維水動(dòng)力學(xué)模型；湖底地形；研究

1 工程簡(jiǎn)介

上海迪士尼項(xiàng)目位于上海國(guó)際旅游度假區(qū)核心區(qū)域，定位于世界級(jí)綜合性主題樂(lè)園和度假區(qū)資源，選址于上海市浦東新區(qū)川沙新鎮(zhèn)。核心區(qū)面積約7km2，分兩期建設(shè)，在核心區(qū)中部，一期范圍內(nèi)規(guī)劃有一中心湖泊，是樂(lè)園的主要水景觀及水上游樂(lè)的核心區(qū)域。中心湖規(guī)劃面積0.39km2，周長(zhǎng)約5.5km，東西向最長(zhǎng)垂直距離約1km，南北向最長(zhǎng)水平距離近560m。中心湖與外圍圍場(chǎng)河通過(guò)泵閘進(jìn)行控制，保證中心湖水質(zhì)及景觀水位的需求。外方對(duì)中心湖的總體要求是生態(tài)好、水質(zhì)高。湖底造型是湖泊形成生態(tài)系統(tǒng)的重要保證，湖底呈一定的起伏型態(tài)，底部凹凸不平，摩阻增大，不同水深處水溫、水動(dòng)力條件形成差異，才可形成復(fù)雜的生境，有利于形成湖泊生物群落的多樣性和較為完整的生態(tài)系統(tǒng)。

2 中心湖湖底構(gòu)建

2.1 湖底高程

參考類似人工湖工程，并考慮到工程區(qū)域現(xiàn)狀河道底高程在0～-1.0m左右，同時(shí)考慮湖泊較深時(shí)，風(fēng)生流不易使湖底淤泥再懸浮，有利于保持水質(zhì)和良好的水景觀，兼顧土方開(kāi)挖工程量，湖底平均高程取-0.5m。

2.2 湖底設(shè)計(jì)

湖底設(shè)計(jì)呈一定的起伏型態(tài)，底部凹凸不平，摩阻增大，不同水深處水溫、水動(dòng)力條件均形成差異，可形成復(fù)雜的生境，有利于形成湖泊生物群落的多樣性和較為完整的生態(tài)系統(tǒng)。湖泊水位控制如下：低水位3.15m，高水位3.60m，常水位3.45m。

3 湖底形態(tài)設(shè)計(jì)

中心湖湖底地形設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下原則。

（1）滿足功能需要。游船行經(jīng)水域最小水深為2.5m；引排水通道要保證一定的深度；

（2）湖面開(kāi)闊處，可考慮水深相對(duì)較深，保證夏季必要的水溫分層，滿足不同種類生物生長(zhǎng)需要；

（3）有利于風(fēng)生流的產(chǎn)生。

本工程為相對(duì)封閉的不流通水域，可能會(huì)發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，水體的流動(dòng)性對(duì)減緩富營(yíng)養(yǎng)化有一定的作用。風(fēng)場(chǎng)是封閉水域水體流動(dòng)的主要?jiǎng)恿χ?，本工程區(qū)常年盛行季風(fēng)，夏季主風(fēng)向SSE，冬季主風(fēng)向NW。

采用三維水動(dòng)力學(xué)模型結(jié)合工程湖區(qū)的平面形態(tài)，分析在不同的湖底造型條件下，湖區(qū)內(nèi)水流的流態(tài)及流速大小，根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化湖底地形。

根據(jù)以往相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)及本工程的主要特征，考慮風(fēng)場(chǎng)、地形、島嶼等因素，初步擬定以下湖區(qū)地形方案：

（1）“平底”。整個(gè)湖區(qū)構(gòu)建成平底形態(tài)見(jiàn)圖1，湖泊主要水域湖底高程統(tǒng)一為-1.0m，湖泊常水位下水量為154.8萬(wàn)m3。

（2）“碟形”。整個(gè)湖區(qū)構(gòu)建成以近岸水淺、湖心水深的地形，由湖心處向湖周緩慢輻射，呈碟形形態(tài)見(jiàn)圖2。除西側(cè)水域外，湖底高程在-2.5～+0.5m之間變化，湖泊常水位下水量為146.3萬(wàn)m3。

（3）“雙碟形”。湖底考慮構(gòu)建成東西兩個(gè)“碟形”的“雙碟形”形態(tài)見(jiàn)圖3。除西側(cè)水域外，湖底高程在-2.5～+0.5m之間變化，湖泊常水位下水量為146.5萬(wàn)m3。

（4）“長(zhǎng)碟形”。依湖泊平面岸線形態(tài)，湖泊地形設(shè)計(jì)成近岸水淺、換水通道水深、由換水通道向湖周緩慢輻射的“長(zhǎng)碟形”形態(tài)見(jiàn)圖4。除西側(cè)水域外，湖底高程在-2.5～+0.5m之間變化，湖泊常水位下水量為147.6萬(wàn)m3。

圖1 中心湖泊“平底”地形方案

圖2 中心湖泊“碟形”地形方案

4 模型計(jì)算

研究采用荷蘭Delft水工所的Delft-3D模型的Flow模塊，建立三維水流數(shù)學(xué)模型。模型計(jì)算范圍為擬建的上海迪斯尼中心湖的整個(gè)湖泊水域，采用Delft-3D軟件自帶的Rgfgrid工具生成曲線正交網(wǎng)格，網(wǎng)格生成過(guò)程中兼顧網(wǎng)格的正交性、擬合岸線。網(wǎng)格的分辨率較高，網(wǎng)格間距約5～12m，在局部區(qū)域最小網(wǎng)格間距達(dá)5m；模型網(wǎng)格總數(shù)約為東西向213×南北向88個(gè)。

圖3 中心湖泊“雙碟形”地形方案

圖4 中心湖泊“長(zhǎng)碟形”地形方案

4.1 中心湖進(jìn)出水引起的流場(chǎng)

根據(jù)湖泊進(jìn)、出水換水設(shè)計(jì)方案，在各地形方案下，由換水所引起的湖區(qū)的水體流動(dòng)非常弱，除了在進(jìn)出水口周邊局部水域流速近3mm/s外，湖泊大部分水域的水體基本無(wú)流動(dòng)。因此，湖泊地形對(duì)換水所引起的水體流動(dòng)的影響不能反映出來(lái)。

4.2 中心湖風(fēng)生流計(jì)算分析

由于湖泊平面形態(tài)較小，由工程區(qū)實(shí)際的風(fēng)速所引起的風(fēng)生流很小，故方案計(jì)算時(shí)，采用風(fēng)速放大的方法來(lái)對(duì)各地形方案下的風(fēng)生流進(jìn)行模擬，計(jì)算風(fēng)速取為10m/s。

在此條件下，各地形方案下，在夏季主風(fēng)向作用下，湖區(qū)風(fēng)生流的平面流場(chǎng)形態(tài)分別見(jiàn)圖5～圖8所示。

在夏季主風(fēng)向風(fēng)場(chǎng)作用下，在各地形方案下，一方面主要受風(fēng)向影響，另一方面受湖泊平面形態(tài)影響，湖泊大部分水域表層流速沿主風(fēng)向方向；湖泊整個(gè)水域包括湖心島周圍基本沒(méi)有死水區(qū)；總之，湖泊表面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)受風(fēng)向和湖泊平面形態(tài)綜合影響，最終形成如圖5～圖8所示的湖泊表面流形態(tài)。

湖泊表面流主要是受風(fēng)應(yīng)力作用而形成的，為滿足質(zhì)量守恒，底層出現(xiàn)與表面流向相反的補(bǔ)償流，水體垂向上方向相反的表、底層流形成了垂向環(huán)流，這有利于湖泊表、底層水體的交換見(jiàn)圖9。

圖5 “平底”地形方案SE10m/s風(fēng)況下湖泊流場(chǎng)圖（表層）

圖6 “碟形”地形方案SE10m/s風(fēng)況下湖泊流場(chǎng)圖（表層）

圖7 “雙碟形”地形方案SE10m/s風(fēng)況下湖泊流場(chǎng)圖（表層）

圖8 “長(zhǎng)碟形”地形方案SE10m/s風(fēng)況下湖泊流場(chǎng)圖（表層）

圖9 夏季風(fēng)作用下湖泊水體垂向環(huán)流結(jié)構(gòu)

同樣，在冬季主風(fēng)向風(fēng)場(chǎng)作用下，各地形方案也基本形成與風(fēng)向和湖泊平面形態(tài)匹配的湖泊平面及垂向流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

由于湖泊平面形態(tài)較小，風(fēng)應(yīng)力的作用有限，不能形成較為明顯的平面環(huán)流形態(tài)，因此，四種地形方案下，所形成的湖泊平面流場(chǎng)形態(tài)基本一致，地形對(duì)湖泊平面流場(chǎng)（風(fēng)生流流場(chǎng)）結(jié)構(gòu)的影響較小。

各地形方案在夏季主風(fēng)向風(fēng)場(chǎng)作用下，湖區(qū)風(fēng)生流（以表層為例）的流速大小的分布見(jiàn)圖10～圖13所示?？梢?jiàn)，各地形條件下，在夏季主風(fēng)向風(fēng)場(chǎng)作用下，湖區(qū)風(fēng)生流表現(xiàn)為湖區(qū)中部南側(cè)水域流速較大，在3～4cm/s之間，湖區(qū)中部北側(cè)水域流速稍低，湖泊近岸水域流速最低，基本小于1cm/s。

圖平底地形方案風(fēng)況下湖泊流速大小表層

圖碟形地形方案風(fēng)況下湖泊流速大小表層

圖雙碟形地形方案風(fēng)況下湖泊流速大小表層

圖長(zhǎng)碟形地形方案風(fēng)況下湖泊流速大小表層

圖14（1） “平底”地形方案78hours后BOD5分布

圖14（2） “碟形”78hours后BOD5分布

圖14（3） “雙碟形”地形方案78hours后BOD5分布

圖14（4） “長(zhǎng)碟形”地形方案78hours后BOD5分布

圖15（1） “平底”地形方案102hours后BOD5分布

圖15（2） “碟形”地形方案102hours后BOD5分布

圖15（3） “雙碟形”地形方案102hours后BOD5分布

圖15（4） “長(zhǎng)碟形”地形方案102hours后BOD5分布

表1 各地形方案的綜合比較

在以上評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)及方法下，綜合打分結(jié)果見(jiàn)表1所示。

由表1知，綜合考慮各因素影響及其權(quán)重，湖泊湖底地形推薦方案的先后次序?yàn)椋骸暗巍薄半p碟形”→“長(zhǎng)碟形”→“平底”。本工程選擇“碟型”方案作為最終湖泊地形設(shè)計(jì)形態(tài)。

4.5 湖底最終形態(tài)

根據(jù)前文的分析，本工程選擇“碟型”方案作為最終的湖泊地形設(shè)計(jì)形態(tài)，最終設(shè)計(jì)、確定的湖泊地形見(jiàn)圖16所示。

TV131.2

：B

：1672-2469（2015）07-0029-05

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.07.012

馮雙平（1975年—），女，工程師。