風(fēng)場和吞吐流對洪澤湖流場的影響分析

劉翊竣，徐國賓

(天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300354)

1 研究背景

大中型天然湖泊水動(dòng)力過程是湖體內(nèi)污染物遷移、轉(zhuǎn)化和生態(tài)環(huán)境演變的關(guān)鍵因素，它與湖泊本身的幾何特征、風(fēng)場、吞吐流等物理參數(shù)有關(guān)。其中，風(fēng)場決定著湖泊的湖流形態(tài)、環(huán)流結(jié)構(gòu)及湖流流速大小[1-4]。吞吐流是指由河湖水量交換造成水面傾斜作用而產(chǎn)生的湖流現(xiàn)象，會(huì)對湖泊污染物質(zhì)擴(kuò)散、遷移、泥沙沖於變化產(chǎn)生影響[5-6]。本文將探究不同強(qiáng)度風(fēng)場和吞吐流作用對洪澤湖流場的影響。

目前對于大中型湖泊的水動(dòng)力特性和流場分布已有大量的研究成果，潘思怡[7]、吳青[8]、林玉茹[9]對鄱陽湖水流特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，認(rèn)為枯水時(shí)期對湖區(qū)水流流速和流向影響最大，平水時(shí)期次之，豐水時(shí)期影響最?。桓叻錥10]對淺水湖泊水動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為風(fēng)的作用與湖流流速有著密切連系，能改變湖泊環(huán)流結(jié)構(gòu)，而吞吐流對環(huán)流結(jié)構(gòu)影響不大，僅僅對進(jìn)出水口附近區(qū)域的水流流態(tài)有一定影響；張華杰[11]對太湖流場及水動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，通過大量數(shù)值模擬試驗(yàn)，模擬了不同風(fēng)力、不同湖泊水位的湖泊水動(dòng)力學(xué)特性，分析了湖泊在自然風(fēng)力因素與人為因素下的流場分布規(guī)律。到目前為止，對于洪澤湖流場的分析和模擬比較少，只有姜加虎等[12-14]對洪澤湖的混合流和風(fēng)生流進(jìn)行了模擬，他指出洪澤湖南部湖區(qū)是受其吞吐流影響最大的湖區(qū)；成子湖灣是受風(fēng)生流作用最強(qiáng)的湖區(qū)，吞吐流作用初期，以河口擴(kuò)散流形式進(jìn)入開敞湖區(qū)，進(jìn)入速度取決于出入湖流量的大小。有關(guān)洪澤湖不同風(fēng)速和吞吐流強(qiáng)度下的流場分布的研究更少。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，許多計(jì)算軟件在研究水動(dòng)力特性方面得到了廣泛的應(yīng)用。朱世云等[15]基于MIKE21 FM模型對洞庭湖區(qū)平原城市洪水演進(jìn)進(jìn)行了模擬；路洪濤等[16]基于MIKE21對城市湖泊人工水循環(huán)流場數(shù)值模擬做了研究；趙正文等[17]、韓紅娟等[18]對不同湖泊的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

本文基于MIKE21建立洪澤湖水動(dòng)力模型，首先對洪澤湖二維水動(dòng)力模型進(jìn)行了參數(shù)的校準(zhǔn)與驗(yàn)證，其次對不同風(fēng)場下的流場結(jié)構(gòu)和流速進(jìn)行了對比分析，最后改變出入湖流量進(jìn)而研究吞吐流對洪澤湖流場的影響。

2 洪澤湖水動(dòng)力模型計(jì)算條件及驗(yàn)證

洪澤湖位于淮河中游、江蘇省洪澤區(qū)西部，是我國五大淡水湖之一，是“南水北調(diào)”工程?hào)|線過水通道組成部分。在正常湖水位12.5 m時(shí)，水面面積為1 597 km2，平均水深1.9 m。淮河是其最大的入湖河流，是洪澤湖水量補(bǔ)給的主要來源，占總?cè)牒康?0%以上。出湖通道中入江水道為主要的泄洪道，湖水60% ～70%由入江水道的三河閘下泄。湖區(qū)汛期盛行SE風(fēng)。湖區(qū)分為溧河洼區(qū)、南部湖區(qū)、東部湖區(qū)和成子湖區(qū)。洪澤湖區(qū)間構(gòu)成及空間區(qū)域分布見圖1。

2.1 模型的計(jì)算范圍及參數(shù)的選取

2.1.1 模型范圍選定 洪澤湖主要有7條入湖通道，以淮河干流為主，同時(shí)有新濉河、老濉河、徐洪河、新汴河、懷洪新河、池河6條支流分布在淮河兩側(cè)。主要有4條出湖通道，包括淮河入江水道、入海水道、蘇北灌溉總渠和分淮入沂工程[19]。

模型計(jì)算范圍由淮河干流和6條支流以及整個(gè)洪澤湖區(qū)間構(gòu)成，如圖1所示。對于洪澤湖的模擬選取淮河干流為主要入湖進(jìn)口，設(shè)置為開邊界并給定龜山實(shí)測流量過程，其他支流包括懷洪新河、新汴河、新濉河、老濉河和徐洪河以集中旁側(cè)入流方式作為源項(xiàng)給定實(shí)測流量過程；選取三河閘作為洪澤湖出口，設(shè)置成開邊界并給定三河閘實(shí)測水位過程，其他出口包括入海水道、蘇北總灌渠、分淮入沂以旁側(cè)出流方式作為匯項(xiàng)給定實(shí)測流量過程。

2.1.2 計(jì)算水文條件 由于所采用的洪澤湖地形資料是2013年實(shí)測地形，因此選取2013年汛期作為計(jì)算時(shí)段，計(jì)算期為2013年6月29日08：00：00-2013年8月24日08：00：00。

2.1.3 風(fēng)場資料 經(jīng)查閱相關(guān)資料可知，洪澤湖區(qū)汛期盛行風(fēng)為東南風(fēng)，風(fēng)級(jí)一般在2 ～ 4級(jí)，相當(dāng)于風(fēng)速1 ～ 3m/s。由于洪澤湖湖區(qū)范圍較大，實(shí)測風(fēng)場資料難以收集，因而本次計(jì)算采用定常風(fēng)速2 m/s，風(fēng)向?yàn)闁|南。

2.2 模型參數(shù)選取

2.2.1 計(jì)算時(shí)空步長 洪澤湖二維模型采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，空間步長一般取300～500 m，在淮河干流入湖口和三河閘出口地區(qū)進(jìn)行局部加密，加密地區(qū)空間步長取100～200 m；模型共有25 974個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，50 643個(gè)計(jì)算單元，網(wǎng)格布置如圖2所示。為滿足模型穩(wěn)定性和計(jì)算精度的要求，同時(shí)受限于柯朗條件該模型計(jì)算時(shí)間步長選取60 s。

2.2.2 糙率、渦黏系數(shù)和風(fēng)阻力系數(shù) 洪澤湖湖區(qū)糙率一般取0.020～0.022，本文計(jì)算選取糙率為0.020。渦黏系數(shù)根據(jù)Smagorinsky公式確定，該模型計(jì)算取0.28。該模型風(fēng)阻力系數(shù)cd由經(jīng)驗(yàn)公式(1)得到[20]。

(1)

式中：w10為距地10 m高程處的實(shí)測風(fēng)速,m/s;wa、wb為界限風(fēng)速值，wa=7 m/s，wb=25 m/s；ca、cb為界限風(fēng)速所對應(yīng)的風(fēng)阻力系數(shù)值，ca=1.255×10-3，cb=2.425×10-3。

2.3 模型的驗(yàn)證

利用2013年臨淮頭和高良澗測站的實(shí)測水位資料作為校準(zhǔn)資料，將模型計(jì)算出的各測站水位值和實(shí)測值進(jìn)行對比，如圖3所示。從圖3中可以看出，臨淮頭和高良澗測站的計(jì)算水位過程線與實(shí)測水位過程線符合較好，說明該模型可以用于洪澤湖的水動(dòng)力模擬。

圖2 洪澤湖水動(dòng)力二維模型網(wǎng)格劃分

圖3 2013年臨淮頭和高良澗測站水位實(shí)測值與計(jì)算值對比

3 風(fēng)場和吞吐流對洪澤湖流場的影響

3.1 風(fēng)場對洪澤湖流場的影響

大中型天然湖泊具有湖水淺、湖面大的特征，導(dǎo)致水動(dòng)力過程復(fù)雜多變。風(fēng)是湖流運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力，環(huán)流形態(tài)和方向以及湖流流速大小由湖區(qū)風(fēng)速及風(fēng)向共同決定。洪澤湖汛期盛行風(fēng)為東南風(fēng)，本文基于上述模型，以淮河入湖口為開邊界并給定2013年實(shí)測流量過程，以三河閘出口為開邊界并給定2013年實(shí)測水位過程，其余出入口均以源匯給定實(shí)測流量過程，模擬了5、10 m/s風(fēng)速和無風(fēng)作用下洪澤湖流場分布。

洪澤湖各湖區(qū)在5、10 m/s風(fēng)速和無風(fēng)作用下的流場分布分別如圖4～7所示。由圖4～7的數(shù)值模擬結(jié)果中可以看出，在5 m/s風(fēng)速作用下溧河洼湖區(qū)水流運(yùn)動(dòng)比較微弱，其中A區(qū)域有逆向環(huán)流存在，而南部湖區(qū)水流運(yùn)動(dòng)顯著，在B區(qū)域同樣有逆向環(huán)流存在，A、B兩處距淮河入湖口較遠(yuǎn)且無支流匯入，湖區(qū)的東南風(fēng)是形成逆向環(huán)流的主要因素，且環(huán)流主要位于湖邊凸岸；東部湖區(qū)水流運(yùn)動(dòng)顯著，湖區(qū)內(nèi)C區(qū)域有明顯的逆向環(huán)流存在，此環(huán)流是在吞吐流和風(fēng)場作用下共同形成的；成子湖區(qū)水流運(yùn)動(dòng)也較為顯著，其中D區(qū)域有逆向環(huán)流存在，該區(qū)域靠近湖岸，受風(fēng)場作用明顯，而E區(qū)域有帶狀環(huán)流存在，靠近湖區(qū)兩岸的水流流向?yàn)槲鞅毕蚨^(qū)中央水流流向?yàn)闁|南向，即湖區(qū)兩岸和中央的水流流向呈相反趨勢，成子湖區(qū)只有徐洪河一條支流匯入，可知風(fēng)場是決定該區(qū)域流場結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)因素。在10 m/s的風(fēng)場作用下各個(gè)湖區(qū)的流場結(jié)構(gòu)與5 m/s風(fēng)場作用下的流場結(jié)構(gòu)相似，在環(huán)流強(qiáng)度上有所增加，而在無風(fēng)條件下整個(gè)湖區(qū)的流場結(jié)構(gòu)以吞吐流的形式為主，各個(gè)湖區(qū)的環(huán)流結(jié)構(gòu)變得很微弱，尤其是成子湖的E區(qū)域，幾乎為靜止的水面。湖區(qū)的流場分布決定了水流運(yùn)動(dòng)形式，從而影響到污染物的遷移，尤其是在環(huán)流結(jié)構(gòu)顯著和流速較小的區(qū)域容易聚集污染物。

在流速方面，當(dāng)無風(fēng)時(shí)湖區(qū)流速約為0.15～0.3 m/s，5 m/s風(fēng)速時(shí)湖區(qū)流速約為0～0.15 m/s，10 m/s風(fēng)速時(shí)湖區(qū)流速約為0～0.1 m/s，可以看到隨著風(fēng)速的增加，各個(gè)湖區(qū)的流速呈現(xiàn)減小的趨勢，這是因?yàn)檠雌诤闈珊^(qū)盛行風(fēng)為東南向與出入湖水流流向呈相反的方向，風(fēng)場作用抑制了洪澤湖的出流。通過對比分析，可知風(fēng)場是影響洪澤湖湖區(qū)流場結(jié)構(gòu)的重要因素，各個(gè)湖區(qū)存在的逆向環(huán)流大部分是在風(fēng)的作用下而形成，而且風(fēng)速大小決定了環(huán)流強(qiáng)度。除此之外，盛行風(fēng)會(huì)抑制洪澤湖的出流，且風(fēng)速越大抑制作用越明顯。

圖4 不同風(fēng)速下洪澤湖溧河洼區(qū)水流流場分布圖

圖5 不同風(fēng)速下洪澤湖南部湖區(qū)水流流場分布圖

圖6 不同風(fēng)速下洪澤湖東部湖區(qū)水流流場分布圖

3.2 吞吐流對流場的影響

吞吐流是湖泊中湖水運(yùn)動(dòng)的主要形式之一[8-10]。為了研究吞吐流對洪澤湖流場結(jié)構(gòu)的影響，選取淮河流域2007年洪水年的水文資料作為模型的出入湖邊界，在淮河入湖口給定2007年實(shí)測流量過程，三河閘出口給定2007年實(shí)測水位過程，其余各出入口均以源匯項(xiàng)給定2007年實(shí)測流量過程，相比2013年加大了吞吐流的流量，同時(shí)給定5 m/s風(fēng)場，其計(jì)算結(jié)果如圖8所示，與2013年流場模擬圖(圖4～7)對比發(fā)現(xiàn)：溧河洼A區(qū)域和成子湖D、E區(qū)域的流場結(jié)構(gòu)與2013年基本相同，仍存在相似的逆向環(huán)流；而在南部湖區(qū)的B區(qū)域逆向環(huán)流減弱，僅在湖岸周邊有微弱的流場存在；東部湖區(qū)的C區(qū)域逆向環(huán)流基本消失，但是吞吐流作用加強(qiáng)。由此可知溧河洼湖區(qū)和成子湖區(qū)的流場結(jié)構(gòu)主要受風(fēng)場影響，南部湖區(qū)和東部湖區(qū)的流場結(jié)構(gòu)受風(fēng)場和吞吐流共同影響，且吞吐流為主導(dǎo)因素。加大吞吐流量后，流速也隨之增大，由原來的0～0.15 m/s增至0～0.6 m/s，尤其是三河閘出口處流速增長最大，流速峰值可達(dá)到1.8 m/s。

圖7 不同風(fēng)速下洪澤湖成子湖區(qū)水流流場分布圖

圖8 2007年5 m/s風(fēng)速下洪澤湖各湖區(qū)流場分布圖

4 結(jié) 論

本文采用MIKE21建立了洪澤湖二維水動(dòng)力模型，通過對模型參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，模型可以較好地對洪澤湖進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而借助該模型展開了不同強(qiáng)度風(fēng)場和吞吐流作用下的洪澤湖流場變化分析，得到以下主要結(jié)論:

(1)大型淺水湖泊的流場結(jié)構(gòu)是決定污染物遷移過程、水體交換頻率和水環(huán)境質(zhì)量的重要條件，本文所展開的研究可以為洪澤湖水生態(tài)環(huán)境提供相應(yīng)流場分布情況。

(2)風(fēng)是影響洪澤湖流場結(jié)構(gòu)的重要因素，風(fēng)速的大小對洪澤湖區(qū)的環(huán)流結(jié)構(gòu)影響較小，但對環(huán)流強(qiáng)度影響較大，即風(fēng)速越大，則環(huán)流強(qiáng)度越大，而且由風(fēng)形成的逆向環(huán)流多存在于凸岸。同時(shí)，風(fēng)場的作用會(huì)影響洪澤湖的出流能力，湖區(qū)流速隨風(fēng)速的增加呈減小的趨勢。

(3)吞吐流是影響洪澤湖流場結(jié)構(gòu)的主要因素，吞吐流是湖泊水流的主要驅(qū)動(dòng)力且吞吐流對出入口局部水域水流流態(tài)有較大影響。

(4)洪澤湖的溧河洼區(qū)和成子湖區(qū)的流場結(jié)構(gòu)主要由風(fēng)場決定，而南部湖區(qū)和東部湖區(qū)的流場結(jié)構(gòu)由風(fēng)場和吞吐流共同決定且以吞吐流為主。