景觀湖生態(tài)供水優(yōu)化數(shù)值模擬研究

胡帥張婧

（1.天津市水利勘測設(shè)計院天津市300204；2.西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院成都市610039）

景觀湖生態(tài)供水優(yōu)化數(shù)值模擬研究

胡帥1張婧2

（1.天津市水利勘測設(shè)計院天津市300204；2.西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院成都市610039）

利用平面二維數(shù)學(xué)模型，文章模擬了某人工開挖的景觀湖在不同供水方式和供水流量下的水流流場。模擬結(jié)果說明，同級流量下分散供水比單點集中供水更能有效提高湖內(nèi)整體水流流速。按分散供水方式，不同量級的供水流量下湖區(qū)內(nèi)水流運動速度與來水量呈正相關(guān)關(guān)系。為保證湖區(qū)內(nèi)水體的流動性，在與生態(tài)治理方案相協(xié)調(diào)的前提下，應(yīng)該盡可能增加湖區(qū)分散供水點的流量。

人工湖供水二維數(shù)值模擬流場

前言

自工業(yè)革命以來，工業(yè)制造、科技教育、貿(mào)易流通等均以城市作為其主要的發(fā)生地點。伴隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市吸引了大量人口聚集，成為了現(xiàn)代社會人類繁衍生息的主要單元[1]。城市具有經(jīng)濟功能和生態(tài)功能的二元性，在提供大量物質(zhì)和信息的同時，容易引起生態(tài)關(guān)系的失調(diào)，降低城市環(huán)境質(zhì)量[2]。人工景觀湖的修建不僅可以美化城市的面貌，還可以改善單一的生態(tài)群落，為動植物的多樣化提供條件，另外也增添了人們親水娛樂的活動場所。

景觀湖是一個相對封閉的水域，由于干濕沉降和地表徑流的影響，及內(nèi)源釋放的影響下，湖內(nèi)易形成浮游植物為主的藻型濁水生態(tài)系統(tǒng)。隨著時間推移，藻類生物量增大，水色變綠，會逐漸形成水華，在一些區(qū)域富集腐爛分解有機質(zhì)增加，出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象[3]。要防止湖內(nèi)水質(zhì)惡化，一方面需要構(gòu)建初級生產(chǎn)力以高等水生植被為主要生物組分的草型清水生態(tài)系統(tǒng)[4]；另一方面保證湖內(nèi)水體的流動和交換，達到最大程度地遏制藻類的生長、繁殖以及水體富營養(yǎng)化進程的目的，保證景觀湖的正常功能發(fā)揮。因此，在考慮經(jīng)濟效益的情況下，需要對景觀湖的供水方案進行優(yōu)化[5]。本文采用平面二維數(shù)學(xué)模型對成都某景觀湖在不同供水條件下的湖內(nèi)流場進行模擬，通過方案的對比研究提出供水方案的建議。

1 研究湖區(qū)概況

研究湖區(qū)由兩個聯(lián)通的人工湖組成，分別稱為1#湖和2#湖，兩湖采用涵洞直接貫通，水域表面聯(lián)通，湖區(qū)水域的主要參數(shù)列于表1。

表1 研究湖區(qū)主要參數(shù)

湖區(qū)的進水水源直接來自于附近水系河流，外源污染營養(yǎng)鹽輸入負(fù)荷重。一定量的水體交換可以加大污染物、營養(yǎng)鹽和藻類等的損失率，避免湖區(qū)內(nèi)高污染區(qū)的出現(xiàn)。然而，構(gòu)建的清水型生態(tài)系統(tǒng)具有水質(zhì)自凈的能力，要求湖泊必須有一定的水力滯留時間，這樣水質(zhì)才能得到充分的凈化。綜合考慮以上兩個方面對水體交換量的要求，根據(jù)湖內(nèi)水質(zhì)的需求，設(shè)置最長水力滯留時間，確定最小的水體交換量，即生態(tài)流量，以節(jié)省水資源，降低工程成本。夏季湖內(nèi)營養(yǎng)鹽濃度較高，設(shè)定其水力滯留時間為7天以下，即從附近水源引入的生態(tài)需水量為0.78m3/s。鑒于湖區(qū)面積較寬闊，分散供水和提升入湖流量均有利于水體的交換，本文分析了集中供水和分布供水方式對湖區(qū)水體流動的影響。考慮到遠期供水水源的供水能力提升，湖區(qū)還設(shè)置了遠期集中供水的引水管道。湖區(qū)的形態(tài)及供排水管道的位置如圖1所示。

圖1 湖區(qū)水域形態(tài)及供排水位置示意圖

2 平面二維數(shù)學(xué)模型

2.1 基本方程

在笛卡爾坐標(biāo)系下，沿水深平均的平面二維流動基本方程為：

式中U、V——垂線平均流速；

z——水位；

H——水深；

C=1/nH1/6——謝才系數(shù)；

f=2ωsinφ（ω——地球自轉(zhuǎn)角速度，φ——當(dāng)?shù)鼐暥龋榭率狭ο禂?shù)；

g——重力加速度;

Vt——渦粘性系數(shù)。

由于天然河道具有不規(guī)則的邊界，為了更好地模擬邊界附近的流動，并同時減小計算所需網(wǎng)格節(jié)點，在天然河道的流場計算中通常采用正交曲線網(wǎng)格或非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。本次模擬采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，利用控制體積法離散控制方程，且使用追趕法進行求解。在計算過程中，采用了欠松弛技術(shù)、塊修正技術(shù)以增強迭代過程的穩(wěn)定性并加速收斂，收斂標(biāo)準(zhǔn)取為誤差流量源與入口流量之比小于0.5%。上邊界采用進口斷面流量過程，下邊界采用出口斷面水位過程。

2.2 計算范圍

根據(jù)附近水源的供水條件，近期設(shè)5處進水口，遠期預(yù)留一處進水口，設(shè)出水口一處，出口位置采用水位控制。湖區(qū)采用四邊形網(wǎng)格進行模擬，為較好模擬各小尺度供水點位置處的水流運動，計算網(wǎng)格局部細化，局部網(wǎng)格面積小于10m2，其它區(qū)域網(wǎng)格計面積小于50m2，計算區(qū)域共剖分為5763個節(jié)點，10343個網(wǎng)格。圖1顯示了模型的計算網(wǎng)格，水域的基本形態(tài)以及湖底高程分布示意圖。

2.3 計算工況

為分析供水方式對湖區(qū)水體運動的影響，首先計算了單點集中供水（從4#供水口供入生態(tài)流量0.78m3）時的流場，然后計算了同流量條件下5點均布供水時的流場?？紤]加大供水流量改善水體交換條件，計算了采用均布供水方式多級供水流量時的湖內(nèi)流場情況。鑒于未來可能的供水條件，綜合供水方式及流量增大對水體交換情況的改善，提出優(yōu)化方案，計算出遠期同時集中供水和均布供水情況下的流場。表2為模型計算的工況匯總。

表2 模型計算工況

3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)表2的工況，通過二維水流數(shù)學(xué)模型可以得到湖區(qū)模擬流場圖，如圖2～6所示。本文從供水方式和供水流量兩個方面來分析湖區(qū)流場。

圖2 集中供水（Q=0.78m3/s）時流場

圖3 均布供水（Q=0.78m3/s）時流場

圖4 均布供水（Q=2.5m3/s）時流場

3.1 供水方式

按生態(tài)需水量單點集中供水時，湖區(qū)流場如圖2所示。除4#供水口附近局部水流流速可達0.03m/s以外，深水區(qū)流速普遍較低。整個湖區(qū)范圍水體流速普遍較低，尤其是遠離供水點區(qū)域，水體幾乎不運動，湖區(qū)的西側(cè)大面積水體接近靜止?fàn)顟B(tài)。

圖5 均布供水（Q=5m3/s）時流場

圖6 集中供水(3.5m3/s)+均布供水(0.78m3/s)時流場

按生態(tài)需水量多點供水時，湖區(qū)流場如圖3所示。由于流量較小，除供水點附近水深較淺的濕地區(qū)以外，湖區(qū)范圍內(nèi)流速仍然較小，普遍低于0.01 m/s。但從與單點供水情況相比較，湖區(qū)內(nèi)水流整體運動交換有所增強，尤其是湖區(qū)西側(cè)水體，平均流速增加到0.01m/s，全湖范圍內(nèi)水體運動交換顯著增強。

為保證湖區(qū)左側(cè)（西側(cè)）水體能參與交換，左上方的進水點是必須設(shè)置的，而為保證1#湖右側(cè)內(nèi)濕地的水體流動，右下方的進水點也是必要的。所以，總體而言，布置的5個進水點是合適的。

3.2 供水流量

按5點均布供水的方式給湖區(qū)供水，生態(tài)流量的供水流量下整個湖區(qū)范圍內(nèi)的水體交換增強，但流速仍然普遍較低。若能增加供水流量，對改善湖區(qū)水體運動有利。當(dāng)總來流量達到2.5m3/s時，單個供水口供水流量為0.5m3/s，湖區(qū)流場如圖4所示。湖內(nèi)流速總體有所增加，一般可達（0.01～0.02）m/s，但中心深水區(qū)仍有流速不到0.005m/s的區(qū)域。在2#湖區(qū)的近出水口處能形成高速的水流漩渦，有利于帶動附近水體的運動。

若能進一步增加供水流量，當(dāng)總來流量達到5 m3/s時，則每點供水流量為1m3/s，湖區(qū)流場如圖5所示。由于各點供水能力增加，對促進湖區(qū)水體整體流動有利，湖內(nèi)流速總體有所增加，一般可達（0.012～0.03）m/s，湖區(qū)內(nèi)最小流速約0.005m/s左右。各供水口位置處，順來流方向，將形成流速較高的條帶，由于流速梯度的存在，相對高速運動水體帶對帶動周邊水體運動交換是有利的。

由此可見，在供水流量較小時，湖區(qū)內(nèi)流速普遍較低，隨著供水流量的增加，水體流動速度與來流量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。為保障湖區(qū)水體流動，即不出現(xiàn)靜水區(qū)，在投資成本允許的條件下，應(yīng)該盡可能增加供水流量。

3.3 遠期集中供水

若按遠期規(guī)劃，根據(jù)供水條件，附近水系還可額外供給3.5m3/s，從預(yù)留左側(cè)供水點集中供入，原5點分散供水模式不變，仍按生態(tài)流量（0.78m3/s）分散供水，湖區(qū)流場圖如圖6所示。從圖可以看出，集中供水點附近流速增加明顯，局部流速可達到0.03m/s以上，湖區(qū)內(nèi)低流速區(qū)有所壓縮，僅局部深水區(qū)出現(xiàn)流速小于0.002m/s的流區(qū)。但是，集中來流將選擇水深較淺的淺水區(qū)運動，對深水區(qū)水體驅(qū)動作用不明顯，對湖區(qū)范圍內(nèi)的水體交換改善作用不明顯?？梢?，單一增大集中供水流量并不能有效改善湖區(qū)整體的水流狀態(tài)，需要在分散供水方式下增大流量才能更好地驅(qū)動湖內(nèi)水體交換運動。有鑒于此，建議未來遠期供水流量仍按分散供水原則，把來流分散至現(xiàn)有供水點，將對改善湖區(qū)水體整體交換有利。

4 結(jié)論

本文按不同供水方案計算了湖區(qū)內(nèi)的流場情況，通過對比分析水流流動特性，得到如下結(jié)論：

（1）通過供水方式（單點集中供水與多點分散供水）比較可見，采用分散供水模式，對增加湖區(qū)水體的整體流動性有利，湖區(qū)設(shè)計的供水點布局較為合理，在供水流量有限的情況下，盡可能地增加了湖區(qū)水體交換。

（2）按生態(tài)需水量向湖區(qū)供水時，因流量較小，湖區(qū)范圍內(nèi)水體流動性較差。根據(jù)設(shè)計的供水通道布置情況，可酌情在特定時段加大湖區(qū)供水流量，更有利于水體交換。

（3）按分散供水方式，通過加大供水流量，對增加湖區(qū)水流流速有利，但限于湖面范圍較大，湖區(qū)內(nèi)水體只能緩慢流動，部分湖區(qū)流速在0.005m/s以內(nèi)。湖區(qū)在供水流量（2.5～5.0）m3/s時，湖區(qū)內(nèi)水流流速隨流量增加而加大，低流速區(qū)范圍則有所減小，供水流量達到5.0m3/s時（分散供水），湖區(qū)內(nèi)水流流速普遍在0.012m/s以上。

（4）未來遠期集中供水疊加生態(tài)流量分散供水的方式僅能驅(qū)動集中供水口附近淺水區(qū)的水流運動，對其他范圍的水體交換改善不明顯。根據(jù)分散供水條件下加大供水流量有利于提高湖內(nèi)普遍流速的結(jié)論，建議將遠期集中供水流量分散至現(xiàn)有供水點，更有利于湖內(nèi)水體交換。

5 結(jié)語

人工湖的修建為單調(diào)乏味的城市景觀增添了亮色，也是生態(tài)景觀的重要組成部分，可以顯著提高人居環(huán)境的舒適性。與此同時，由于與流域水系不連通，人工湖易成為污染物的富集地，藻類植物的生長也會降低水質(zhì)，使湖區(qū)喪失原有的景觀功能。本文利用平面二維數(shù)學(xué)模型模擬了不同供水方式和流量下湖區(qū)的流場情況，根據(jù)模擬結(jié)果對最優(yōu)方案提出了建議，可為同類型景觀湖區(qū)的建設(shè)和維護提供參考。

[1]蔡莉.中心城市的城市人口遷居因素研究——以成都市為實例[D].成都：四川大學(xué)，2003.

[2]石憶邵.城市生態(tài)用地與城市競爭力關(guān)系[J].廣東社會科學(xué)，2013，（6）:5-11.

[3]曾崢.新建人工湖水質(zhì)演變及影響因素研究--以重慶大學(xué)虎溪校區(qū)人工湖為例[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.

[4]張鍇，劉源，龍倫明.成都地區(qū)人工湖富營養(yǎng)化現(xiàn)狀與防治措施[J].環(huán)境保護科學(xué),2013,39（3）:34-37.

[5]盧慧，寧亞偉，袁永齡.基于EFDC模型的人工湖生態(tài)換水優(yōu)化計算[J].水電能源科學(xué),2013,31（4）:100-102.

2017-02-24）

胡帥（1986-），女，湖南益陽人，碩士研究生，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。