基于MIKE21的城市湖泊人工水循环流场数值模拟

路洪涛，路洪波，刘金光

(1.陕西省现代建筑设计研究院， 西安 710048;2.中国市政工程西北设计研究院有限公司天津分院， 天津 300201)

城市湖泊作为城市中重要的景观元素，对人类生活有着重大意义。它既是风光优美，景色宜人的景观工程与旅游胜地，也起到调蓄洪水、防洪减灾、保护生物多样性、维持生态平衡、保存淡水资源、补充地下水、调节气候、降解污染物等作用，具有良好的生态、社会、经济、环境效益［1］。然而近年来随着城市化的急剧发展，城市湖泊的开发强度也逐渐变大，如无锡太湖、江西鄱阳湖、昆明滇池、合肥巢湖、苏州太湖等地区都在大力发展城市滨湖区域经济建设［2］。但是城市湖泊人工设计不够科学，如为满足人们的景观需求，多将湖岸设计成不规则形状，曲折多弯，易出现湖泊水体的“死角”，“死角”中水体流动性较差，得不到置换，随着使用时期延长，各种污染物发生沉积，最终导致水质恶化，并扩散到整个湖泊范围;“死角”越多，所占范围越大，水质恶化也就越快;达不到引水改善湖泊水质的总体效果。广州的荔湾湖、流花湖，南京的玄武湖等都出现富营养甚至重富营养现象，随之而来的藻华已严重威胁到湖泊的景观功能。

总之，由于城市湖泊具有水体流动性较差，水域面积较小、水生生态系统简单、水环境容量小、水体自净能力低、人类活动影响大等特性，导致其生态相当脆弱，污染负荷超过水体自净能力，易引起水生动、植物种类的减少，湖水变黑发臭，造成水质变差和恶化，严重影响水体功能、用途和景观效果［3］，并且难以冶理和修复。

城市湖泊的水动力条件主要依赖于人工水循环过程，由于湖泊水体一般都比较封闭，水体流动性相对较差，其流速场的分布是水环境质量的重要体现［4－9］。利用人工水循环措施改善城市湖泊水质是一种常见的物理方法［10］，可以通过人为的选择和设定不同的进出水口位置、组合以及换水周期，调节和改变换水量和换水时间，改善城市湖泊的水动力条件，进而增大水体循环速度，改变湖泊的水动力学过程，缩短水力滞留时间，改善湖泊水环境。因此对城市湖泊的人工水循环过程中的流场形态进行了数值模拟与对比分析。

目前国际上比较常用的湖泊水体模拟软件有:EFDC、WASP、SMS、MIKE、CE－QUAL－R1、CE －QUAL－W2等。本文中采用MIKE软件进行湖泊流场、浓度场的数值模拟，设定不同的进、出水口方案以选择合理的湖泊规划设计与调控。

MIKE21是丹麦水力研究所开发的系列水动力学软件之一，作为一种通用的二维数学模拟工具，可用来模拟河流、湖泊、水库、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境。其对二维非恒定流进行模拟的同时，也兼顾水下地形、密度变化、气象条件和潮汐变化的影响。MIKE21包含水动力、对流扩散、水质、泥沙传输、波浪等模型。MIKE主要被用来解决与水有关的工程领域及环境问题，包括进行河流水动力模拟、环境模拟、水资源配置模拟等方面，从而为流域管理机构、水行政管理机构提供科学的依据［11］。

1 长乐湖概况与方案设计

长乐公园景观湖包括Ⅰ号和Ⅱ号两个人工湖，两者之间根据其现有落差，可以通过设置人工泄水建筑物实现水力循环，以增大水体流动，促进水体的扩散与交换，并带动其中污染物质迁移交换，从而直接改变湖泊水体的流场分布，改善水环境质量。

首先在湖泊设计中需要拟定不同的进出水口方案与工况。根据长乐湖的水体容积计算，方案1置换周期为24 h，需要进出口总流量为0.2 m3/s;方案2置换周期为48 h，需要进出口总流量为0.1 m3/s;方案3置换周期为96 h，需要进出口总流量为0.05 m3/s。现按照不同的进、出水口流量分配以及是否增设湖泊岛屿设计了不同的模拟方案，如表1所示;进水口A、B、C、出水口O位置以及增设岛屿的位置如图2所示。

表1 不同进、出水工况设计表 单位:m3/s

2 定解条件的确定

2.1 边界条件的确定

(1)闭边界:湖岸、湖心岛相联接的边界面，其法相流速为零，即:

(2)开边界:进、出水口、源汇点处其相应的流速V0(流量)或水位h0，即

(3)湖底地形:湖底地形根据现有湖泊资料的实际地形高程设定，即地形高程Zb=Zb0

2.2 初始条件的确定

整体模型的初始速度取为0，初始水位设定为一定值h0，即

3 流场数值模拟结果分析

3.1 相同水循环方案下的对比分析

为了研究在不同换水周期对其流场的影响，首先进行了方案1(换水周期为24 h方案)，进出水口均为0.2 m3/s流量的四个工况1、2、3、4在引水24 h后的流场分布如图1所示:

根据图1可知，在引水初始时，水流受二号湖内右岸地形影响，在左侧形成较强的回流，但随着水流的下泄，主流向下游也就是一号湖方向移动，水流在一号湖内扩散明显，且在中心位置有明显的环流结构形成，方案1工况1在引水大约24 h后两个湖中水体大部分已被置换完毕，但在二号湖东南部、一号湖东南部均形成“死角”，基本没有流动迹象，水体得不到置换，水环境质量得不到保障，因此需要对该处进行特殊处理。工况2增加了B号进水口，总流量仍为0.2 m3/s，但是对湖中流场起到了改善作用，二号湖中死角现象得到了部分改善。工况3在保证相同流量下增加了C号进水口，同样也对一号湖中流场起到改善作用。由于进水口A的水流直接流向二号湖，因此有必要在其中间设置岛屿进行阻水，延迟水体滞留时间，工况4由于在工况3的基础上增设了一处岛屿，对进水口A的进水起到了阻隔作用，增大了水体扩散作用，延长了水体滞留时间，流态改善效果得以加强。

从流场变化来看，随着水体的扩散，入湖后沿北岸向西扩散，水体完成一次置换后，水体基本达到完全混合。对比工况1～4，可见，在总流量相同的情况下，采取分流方式进水可以加大水体扩散至整体湖泊，增设岛屿可以阻止水流的主流流动，增大水体在一号湖泊内的扩散作用，从而避免由于水流直接流向下湖导致扩散受阻引起水体交换不够。可见在湖泊中布置多进水口分流量进入能够促进水体的混掺，增大水体复氧，有利于清除湖泊中的“死角”现象;在湖泊中增设岛屿能够促进湖泊水体分流，总之，采取改善措施后，湖中出现的“死角”现象基本消除，水质得以改善。

3.2 不同水循环方案下的对比分析

为了研究不同换水周期对其流场的影响，进行了方案1(换水周期为24 h方案)、方案2(换水周期为48 h方案)、方案3(换水周期为96 h方案)即不同换水流量情况下的流场对比分析，计算结果以工况4、8、12 为例，如图3 所示。

对比分析方案2各工况可知，在总流量相同的情况下，湖泊中布置多进水口分流量进入能够促进水体的混掺，促进水体流动，有利于水体的充分扩散，对湖泊流态改善效果明显，消除了部分原来的“死角”区域。

同样，将方案3各工况进行对比可知，在湖泊中布置岛屿分流能够促进水体的混掺与扩散，促进水体流动，水体的流动性较好，有利于水体的充分扩散，消除了大部分原来的“死角”区域，流速分布较为均匀，大部分区域的水体能够进行良好的循环，增大水体复氧能力，对水质改善效果明显。即工况4、8、12是各方案中最有效的选择。

根据以上流场模拟分析的结果，湖泊中一小部分区域仍然存在流速不足的现象，对于这部分区域需要采取一些措施，例如:设置曝气复氧装置来增大水层、水域之间的交换循环与自净能力，提高湖泊水体中溶解氧的水平;在湖泊沿岸种植各种功能不同的植物，包括抗污、纳污、转化污染物质的水生植物;设置生态浮岛以削减污染物浓度等。这些措施不但有利于改善湖泊水体的流动性和提高水环境质量，同时也能满足景观需求［12］。

4 结论

城市人工湖泊有利于构建城市景观和改善城市生态环境，本文基于MIKE 21软件进行了西安市长乐湖的二维水动力的流场数学模拟，分析了12种不同进、出水口布置情况下，不同引、出水方案下的流场数值模拟，对比分析了改善城市湖泊水体的人工水循环模式。

(1)通过对该人工湖的流场数值模拟，预测与分析了人工水循环过程中湖泊水体的流场分布情况，可知人工水循环措施是改善城市湖泊水体流态的一种有效的物理方法。

图1 方案1在引水24 h后流场分布

图2 景观湖进出水口及增设岛屿(白色区域)位置

图3 不同方案下流场分布图

(2)通过对不同工况下的流场数值模拟结果的对比分析，对于城市人工湖泊，可以通过人为的选择和设定不同的进出水口位置、组合以及换水周期，调节和改变换水量和换水时间，改善城市湖泊的水动力条件，改善水体流态及水体中污染物分布，从而改善湖泊水环境，以达到湖泊水体修复之目的。在相同水体流量下，增加进水口数量或者在湖泊中增设岛屿分流能够使流速场分布更趋均匀，水体流态状况得到了很大改善，湖中出现的“死角”区域现象消除明显，增强了水体的流动性。

(3)利用MIKE 21软件对人工湖泊流场的数值模拟，是城市人工湖泊进行合理的生态环境设计的有效工具，能够作为以后的城市人工湖泊水环境治理的重要手段。

［1］李世杰，窦鸿身，舒金华，等.我国湖泊水环境问题与水生态系统修复的探讨［J］.中国水利，2006，(13):14－17.

［2］杨桂山，马荣华，张路，等.中国湖泊现状及面临的重大问题与保护策略［J］.湖泊科学，2010，22(6):799 －810.

［3］袁文麒，张维佳，黄勇，等.人工水力循环改善园林不规则池塘水质的研究［J］.中国给水排水，2008，24(3):17－20.

［4］王哲，刘凌，宋兰兰.Mike21在人工湖生态设计中的应用［J］.水电能源科学，2008，26(5):124 －127.

［5］沈荣，季斐斐，顾娇.基于流场分析的人工湖生态设计的研究［J］.水电能源科学，2010，28(4):107 －109.

［6］彭森，谭春晓，刘星.景观水体的循环模式研究与流场分析［J］.中国给水排水，2009，25(11):95 －97.

［7］骆碧君，樊在义，陈丽娜，等.利用Fluent软件研究景观水体循环模式与流场优化［J］.中国给水排水，2009，25(19):95－97.

［8］李锦秀，杜斌，孙以三.水动力条件对富营养化影响规律探讨［J］.水利水电技术，2005，36(5):15 －18.

［9］何文学，李茶青.从改善水流流态角度谈富营养化治理［J］.浙江水利水电专科学校学报.2003，15(4):27 －29.

［10］叶上扬.城市景观湖泊水力改善技术及其数值模拟研究［D］.上海:上海交通大学，2011.

［11］陈娟.上海远香景观湖水动力试验与研究［D］.扬州:扬州大学，2009.

［12］何文华，黄国如.Mike21软件在白云湖流场分析中的应用［J］.广东水利水电，2010，(10):52－54.