基于流場(chǎng)分析的人工湖設(shè)計(jì)研究

王依依，張其成，裘李豪，龍珂良

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098)

· 水環(huán)境 ·

基于流場(chǎng)分析的人工湖設(shè)計(jì)研究

王依依，張其成，裘李豪，龍珂良

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098)

在人工湖設(shè)計(jì)研究中考慮湖泊流場(chǎng)分析，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整湖泊形態(tài)以改善人工湖水動(dòng)力條件，維持水體水質(zhì)情況。以臨漳新城區(qū)人工湖為例，利用MIKE21模型對(duì)初步湖泊形態(tài)的流場(chǎng)情況進(jìn)行模擬，并對(duì)調(diào)整后的湖泊形態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證分析?；诹鲌?chǎng)模擬結(jié)果和周邊土地利用類型提出人工湖駁岸建設(shè)方案，為城市新區(qū)人工湖設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

人工湖；湖泊流場(chǎng)；MIKE21水動(dòng)力模型

1 前 言

近年來(lái)隨著城市化的急劇發(fā)展，為帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和城市生態(tài)環(huán)境的整體提升，構(gòu)建人工湖已成為城市發(fā)展戰(zhàn)略中的一項(xiàng)重要措施。人工湖作為城市濱水空間的重要組成部分，具有改善人居環(huán)境、調(diào)節(jié)局部氣候、維護(hù)生物多樣性等生態(tài)功能，同時(shí)可為民眾提供良好的觀景休憩空間。然而相較于自然湖泊，人工湖受到地形、土地利用開發(fā)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素的限制，水體流動(dòng)性能較差，生態(tài)系統(tǒng)較不穩(wěn)定，容易引發(fā)水質(zhì)惡化等問(wèn)題，逐步影響水體功能和景觀效果。人工湖的水動(dòng)力特性是影響水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的主要自然因素之一[1]，為避免人工景觀湖建成后水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的發(fā)生，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行湖泊水動(dòng)力條件的研究分析尤為重要。鑒此，本文以臨漳新城區(qū)人工湖為例，基于二維水動(dòng)力模型模擬初期人工湖形態(tài)條件下的湖泊流場(chǎng)，提出人工湖形態(tài)優(yōu)化方案和相應(yīng)的生態(tài)駁岸建設(shè)，對(duì)人工湖開發(fā)與治理有重要意義。

2 設(shè)計(jì)思路

人工湖是非自然環(huán)境下產(chǎn)生的，人為有計(jì)劃挖掘建設(shè)的湖泊。湖區(qū)選址主要依托原有的水系河流、洪水泛濫區(qū)、靠近自然湖泊或海洋的水資源豐富區(qū)、空閑地、農(nóng)田、季節(jié)性耕地灘涂等地[2]。根據(jù)不同人工湖的功能需求，從湖泊與城市空間格局的關(guān)系、生態(tài)景觀建設(shè)等角度出發(fā)，綜合考慮景觀、生態(tài)、游憩等因素，設(shè)計(jì)城市人工湖景觀水體。

目前隨著湖泊生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題突出，湖泊物理因子對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的影響、湖泊生態(tài)修復(fù)和湖泊生態(tài)多樣性保護(hù)等逐漸成為研究熱點(diǎn)。許多學(xué)者開始對(duì)湖泊水動(dòng)力進(jìn)行觀測(cè)和數(shù)值模擬研究，但在規(guī)劃設(shè)計(jì)人工景觀湖時(shí)進(jìn)行水動(dòng)力分析的例子仍較少。袁文麒等人認(rèn)為景觀水體的流場(chǎng)形態(tài)和流速等水動(dòng)力條件對(duì)水質(zhì)影響較大，采取有效的水力循環(huán)措施可降低季節(jié)性溫度突變對(duì)水質(zhì)的影響[3]。而湖體形態(tài)是約束水流流速大小和流動(dòng)方向的重要自然條件?？茖W(xué)合理的人工湖湖體形態(tài)有利于促進(jìn)水體循環(huán)交換能力，維持良好的水生態(tài)環(huán)境，降低后期運(yùn)營(yíng)成本。因此在人工湖設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)規(guī)劃前后的湖泊流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬以確定合理的湖泊形態(tài)，目前國(guó)際上常用的湖泊水體模擬軟件有EFDC、WASP、MIKE、CE-QUAL等。由于城市人工湖規(guī)劃尚未有具體的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，本文先通過(guò)借鑒國(guó)內(nèi)已有人工湖泊建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)和研究成果對(duì)臨漳新城區(qū)人工湖湖體形態(tài)的幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要素(如表1所示)進(jìn)行考慮和初步設(shè)計(jì)，利用MIKE21模型對(duì)初步湖體形態(tài)的流場(chǎng)情況進(jìn)行模擬，并基于模擬結(jié)果提出湖形調(diào)整方案和進(jìn)一步驗(yàn)證分析。根據(jù)周圍土地利用類型，針對(duì)流場(chǎng)模擬結(jié)果中的岸線易沖刷區(qū)和緩流區(qū)提出相應(yīng)的人工湖駁岸方案，注重人工湖岸線的生態(tài)建設(shè)和人湖和諧發(fā)展。

表1 人工湖設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素及考慮的主要內(nèi)容Tab.1 The key factors in the design of artificial lake and the main content of consideration

3 研究區(qū)概況

研究區(qū)人工湖位于河北省臨漳縣西南新城區(qū)，氣候相對(duì)干燥，年降水量少于年蒸發(fā)量，降水主要集中在汛期的6～9月份。新城區(qū)總面積約2.6km2，整體地勢(shì)呈西北高東南低，地面高程介于65.0m～68.0m之間(圖1)。為保障新城區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，提升景觀文化特色，利用新城區(qū)內(nèi)數(shù)個(gè)面積不等的坑塘開挖打造人工湖，作為新城區(qū)人工生態(tài)水網(wǎng)的主體?？犹量偯娣e約22.4hm2，塘底高程最低點(diǎn)處為62.5m?？犹林饕山耆斯ね谏橙⊥列纬桑w平面形態(tài)為不規(guī)則幾何狀，局部地形狹長(zhǎng)曲折?？犹涟毒€大多呈折線或彎曲度較大的曲線型，且邊坡坡度較陡，存在岸坡不自然、不美觀、不安全的問(wèn)題。研究區(qū)所在地土壤多為潮土、粉砂質(zhì)，地下水含水層埋深多在地下15m以下。人工湖周邊用地大多為行政中心、商業(yè)用地和部分居住用地，對(duì)人工湖的景觀性和水環(huán)境質(zhì)量要求較高。

4 基于流場(chǎng)分析的湖泊形態(tài)設(shè)計(jì)方案

4.1 湖泊形態(tài)初步方案

人工湖的形態(tài)設(shè)計(jì)一般包括湖水深度、湖面形態(tài)和湖底形態(tài)等[4]。為減少工程量，以最少改造和土方平衡為原則，在臨漳新城區(qū)原有坑塘的基礎(chǔ)上進(jìn)行湖泊平面形態(tài)的初步調(diào)整。劉曉群等人認(rèn)為人工湖的水深不宜過(guò)淺，可以依照地理、氣候條件相似或相近的原理初步擬定湖泊水深的取值[5]。研究區(qū)坑塘最深處3.5m深，參考北方地區(qū)人工湖經(jīng)驗(yàn)，初步擬定人工湖平均水深為2m左右。從安全與防崩塌角度上考慮對(duì)近岸岸線進(jìn)行緩坡化處理，在近岸2m范圍內(nèi)水深擬定為0.3m～1.2m，局部地段適當(dāng)向外擴(kuò)展，部分過(guò)深區(qū)域進(jìn)行填充，整體堤岸坡度不超過(guò)1∶3。由于人工湖進(jìn)出水口布設(shè)簡(jiǎn)單，為保證水體的流動(dòng)性和整體流速均勻分布，平面形態(tài)布置成梨形比較理想，部分湖泊布置成以流線型的圓形、橢圓形為主的復(fù)雜形態(tài)[6]。基于“流線發(fā)散和約束”的特點(diǎn)[7]，將原本不規(guī)則岸線改造為順暢曲線，弧線半徑不小于2m，使岸線形態(tài)過(guò)渡相對(duì)自然，以減少水流間的干擾，利于整體水流平順(圖2)。

采用水系與路網(wǎng)統(tǒng)籌規(guī)劃方法，沿道路布設(shè)渠道連通各湖區(qū)，整個(gè)水系設(shè)計(jì)采用重力自流排水。根據(jù)已建成道路系統(tǒng)控制標(biāo)高對(duì)水系水位的要求,各湖泊規(guī)劃參數(shù)如表2所示。1#湖作為新城生態(tài)水網(wǎng)入水口，依次途徑2#、3#、4#湖，在退水調(diào)度上主要以5#湖作為退水通道，6#湖以滿足生態(tài)功能為主(圖2)。規(guī)劃后的湖泊水面總面積為25.73hm2(包含連通水系2.13hm2)，較原坑塘面積22.45hm2有所增加。除填埋原有兩個(gè)坑塘外，人工湖平面形態(tài)與原坑塘范圍基本一致。為進(jìn)一步優(yōu)化湖體設(shè)計(jì)，需對(duì)人工湖區(qū)建立二維水動(dòng)力模型，尤其是對(duì)有湖心島的人工湖進(jìn)行湖泊流場(chǎng)分析。

圖1 研究區(qū)地形圖Fig.1 Topographic map of the studied area

圖2 湖泊形態(tài)調(diào)整對(duì)比圖及引退水路徑示意圖Fig.2 Comparison chart of lake morphology adjustment and Schematic diagram of water diversion and return path

表2 各湖泊規(guī)劃參數(shù)Tab.2 Planning parameters for artificial lakes

4.2 流場(chǎng)計(jì)算

4.2.1 模型介紹

目前國(guó)際上常用的湖泊水體模擬軟件有EFDC、WASP、MIKE、CE-QUAL等。由于臨漳新城人工湖平均水深為2m左右，湖體坡度緩，無(wú)明顯垂直環(huán)流，因此選取MIKE21模型進(jìn)行湖泊流場(chǎng)的模擬。MIKE21是丹麥水力研究所開發(fā)的系列水動(dòng)力學(xué)軟件之一，主要應(yīng)用于模擬河流、湖泊、水庫(kù)、海灣及海洋近岸區(qū)域的水流、泥沙及水環(huán)境[8]。水動(dòng)力學(xué)模塊(HD模塊)是其最核心的基礎(chǔ)模塊，可模擬各種作用力下忽略分層的二維自由表面流的水位和水流變化，為環(huán)境模擬提供了水動(dòng)力學(xué)的計(jì)算基礎(chǔ)[9]。

平面二維水流運(yùn)動(dòng)基本方程組是由連續(xù)性方程和沿水流方向(x方向)的動(dòng)量方程和垂直水流方向(y方向)的動(dòng)量方程組成。

(1)

(2)

(3)

其中：f=2Ωsinφ

式中，h為靜止水深；t為時(shí)間；u、v為流速在x、y方向上的分量；x、y、z為右手Cartesian坐標(biāo)系；S為源匯項(xiàng)；f為Coriolis參量；Ω為地球自轉(zhuǎn)角速率，φ為地理緯度；g為重力加速度；η為水位；ρ0為參考水密度；Pa為當(dāng)?shù)貧鈮?；ρ為水密度；Sxx、Sxy、Syx、Syy為輻射應(yīng)力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平黏滯應(yīng)力；τax、τay、τbx、τby為水面與河床邊界水流切應(yīng)力在x、y方向上的分量；us、vs為源匯項(xiàng)水流流速。

4.2.2 模擬方案及結(jié)果分析

根據(jù)臨漳新城人工湖區(qū)的地形數(shù)據(jù)，提取湖區(qū)岸線和地形坐標(biāo)，采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分計(jì)算網(wǎng)格。人工湖主要利用上游岳城水庫(kù)調(diào)水工程措施引水，經(jīng)過(guò)引水渠道引入湖內(nèi)。按1#湖65.3m控制水位、入湖流量5.0m3/s的補(bǔ)給量進(jìn)行湖泊流場(chǎng)模擬。模型假定初始湖水靜止，水平流速和垂直流速均為0m/s，初始水位設(shè)置為一定值h0。在上述邊界條件和初始條件下，構(gòu)建人工湖二維水動(dòng)力模型，得出引水過(guò)程中各湖泊水動(dòng)力情況。

由圖3各湖泊流場(chǎng)模擬結(jié)果可看出：①1#、4#、6#湖泊除部分區(qū)域流場(chǎng)偏弱外，絕大部分區(qū)域處于流動(dòng)的狀態(tài)，流速在0.01～0.10m/s之間；②進(jìn)出水口和渠道等狹窄區(qū)域水體交換能力強(qiáng)，流速可達(dá)到0.10m/s以上；③2#湖的北部、3#湖的東北部，5#湖的西南部與東北部形成了大面積滯水區(qū)，基本沒(méi)有流動(dòng)跡象，水體交換速度滯緩，這主要是由于進(jìn)出水口的位置及地形條件的約束對(duì)水動(dòng)力條件帶來(lái)了一定的影響。

圖3 湖泊流場(chǎng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of lake flow field

4.3 湖泊形態(tài)調(diào)整

根據(jù)臨漳人工湖流場(chǎng)模擬分析，在盡量不破壞外圍用地的情況下對(duì)湖泊形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。針對(duì)2#、3#湖泊現(xiàn)狀，為加強(qiáng)湖泊間水體的流動(dòng)性，考慮適當(dāng)增加布設(shè)進(jìn)出水口使流速分布更均勻，新開北段引水河道連通2#與3#湖。在5#湖內(nèi)增設(shè)人工島嶼，對(duì)進(jìn)水起到阻隔作用，改善水體流向，避免水流直接流向下湖，增大水體擴(kuò)散作用。

結(jié)合調(diào)整后的湖泊形態(tài)再次進(jìn)行流場(chǎng)模擬。從圖4中流場(chǎng)變化來(lái)看，2#、3#、5#湖泊流場(chǎng)環(huán)境明顯改善，原滯水區(qū)(v<0.01m/s)面積分別減少16.42%、5.89%和39.02%，整體流速位于0.01～0.10m/s之間，基本滿足水體循環(huán)的要求。最終確定的三維湖體形態(tài)和現(xiàn)狀流場(chǎng)模擬分析，也可為人工湖駁岸建設(shè)提供科學(xué)合理的依據(jù)。

圖4 2#、3#、5#湖泊調(diào)整后流場(chǎng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of 2#、3#、5# lake flow field after adjustment

5 基于流場(chǎng)的人工湖駁岸建設(shè)

人工湖的駁岸設(shè)計(jì)既要滿足防洪的安全性要求，也要維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的完整性，滿足建成區(qū)居民親水近水的需求[10]。由于城市人工湖內(nèi)水位落差小且整體流速狀況穩(wěn)定，生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)脆弱，因此盡量采用木樁、石籠、塊石堆等構(gòu)建生態(tài)型駁岸。對(duì)于湖區(qū)內(nèi)易沖刷岸線和土體穩(wěn)定性較差區(qū)域，可通過(guò)選擇合適植被與工程材料相結(jié)合，以加強(qiáng)湖泊岸線穩(wěn)定性的同時(shí)，維護(hù)研究區(qū)內(nèi)的水生態(tài)環(huán)境，見圖5。

對(duì)臨漳新城區(qū)人工湖進(jìn)行駁岸設(shè)計(jì)研究時(shí)，采用多種駁岸形式相結(jié)合的方法，根據(jù)湖泊流場(chǎng)情況、駁岸坡度及周邊用地類型把湖泊駁岸分段為13處，對(duì)不同駁岸段根據(jù)當(dāng)?shù)氐膫?cè)重點(diǎn)安排駁岸的類型。

圖5 人工湖駁岸示意圖Fig.5 Schematic diagram of artificial lake revetment

(1)A、C、G、J、M處，水流流速較慢，坡度較小，腹地較大，采用自然原型駁岸。在正常水位以上考慮種植草皮，用草根加固和約束土體從而保護(hù)岸坡，配以喬灌木形成環(huán)湖過(guò)濾帶。對(duì)局部流場(chǎng)偏弱區(qū)域，在沿岸淺水區(qū)種植蘆葦、香蒲、睡蓮等挺水植物或水緣植物，吸收水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)起到凈化水體的效果，形成自然多樣的景觀效果。

(2)B處，水流速度較快，且坡度較大，湖岸臨近道路，采用干砌塊石駁岸。使用混凝土格子加固干砌塊石駁岸下部[11]，增加堤岸的穩(wěn)定性。在懸空的塊石間留出適當(dāng)空隙，結(jié)合水的深度種植各種水生、耐水濕植物，增加硬質(zhì)護(hù)岸的生態(tài)性，豐富駁岸的景觀效果。

(3)D、H、I、L處，采用自然塊石堆砌護(hù)岸，通過(guò)機(jī)械或人工拋擲塊石等石料，形成錯(cuò)落有致的山石景觀。適用于水流速度中等的礫石和沙礫土質(zhì)地段，結(jié)合低矮的觀賞植物，與周邊環(huán)境融合程度高。

(4)E、F處，河床淺、坡度小、水流速度較緩，采用卵石灘駁岸，既可以適應(yīng)水的漲落也可以減弱水流的沖刷作用，對(duì)抑制河床下降，促進(jìn)砂石淤積有一定的效果。結(jié)合塊石和水生植物，利于駁岸環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

(5)N處，湖岸瀕臨城市道路，且湖底高程變化較大，采用天然石材、多孔滲透性混凝土等新材料形成立式人工駁岸，滿足護(hù)岸穩(wěn)定性和安全性的基本要求。水域岸邊人流比較密集，采用駁岸與鋪裝結(jié)合，設(shè)置欄桿增加安全性。在混凝土駁岸低的位置設(shè)置自然駁岸或仿自然駁岸，形成良好的過(guò)渡帶。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)臨漳地處華北平原地區(qū)，受自然地理?xiàng)l件限制和城鎮(zhèn)化影響城市水系破壞較為嚴(yán)重，城市水系規(guī)劃中缺乏整體景觀設(shè)計(jì)。采用研究區(qū)現(xiàn)有坑塘地形構(gòu)建人工湖公園，增加城市水面與綠化空間，利用工程防滲、生態(tài)駁岸等措施加強(qiáng)水生態(tài)環(huán)境建設(shè)，以改善城市生態(tài)環(huán)境和文化景觀風(fēng)貌?？蔀轭愃频貐^(qū)人工湖設(shè)計(jì)研究提供參考。

(2)利用MIKE21軟件對(duì)湖泊流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得引水過(guò)程中湖泊水體的流場(chǎng)分布情況，為湖形優(yōu)化設(shè)計(jì)和駁岸建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)，以增強(qiáng)水體的流動(dòng)性，改善水環(huán)境質(zhì)量，是人工湖設(shè)計(jì)的重要手段。

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Design of Artificial Lake Based on Flow Field Analysis

WANG Yi-yi,ZHANG Qi-cheng,QIU Li-hao，LONG Ke-liang

(CollegeofHydrology&WaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

In the study of artificial lake design, the flow field of the lake was analyzed. The purpose is to maintain the water quality by optimizing and adjusting form of the lake and improve the dynamic condition. Taking the artificial lake in the new urban area of Linzhang County for an example, the MIKE21 model is applied to simulate the flow field mode of its preliminary morphology. And then verified and analyzed the lake form after adjustment. According to the analysis of the flow field and the surrounding land type, the design scheme of artificial lake revetment is proposed, which provides scientific basis for the design of the artificial lake in the new urban area.

Artificial lake; lake flow field; MIKE21 hydrodynamic model

2017-02-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(51579148)。

王依依(1992-)，女，浙江紹興人，河海大學(xué)水文學(xué)及水資源專業(yè)2014級(jí)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樗膶W(xué)及水資源。

張其成，36946161@qq.com。

X524

A

1001-3644(2017)02-0050-07