基于流场分析的人工湖设计研究

王依依，张其成，裘李豪，龙珂良

(河海大学水文水资源学院，南京 210098)

· 水环境 ·

基于流场分析的人工湖设计研究

王依依，张其成，裘李豪，龙珂良

(河海大学水文水资源学院，南京 210098)

在人工湖设计研究中考虑湖泊流场分析，通过优化调整湖泊形态以改善人工湖水动力条件，维持水体水质情况。以临漳新城区人工湖为例，利用MIKE21模型对初步湖泊形态的流场情况进行模拟，并对调整后的湖泊形态进行验证分析。基于流场模拟结果和周边土地利用类型提出人工湖驳岸建设方案，为城市新区人工湖设计提供科学依据。

人工湖；湖泊流场；MIKE21水动力模型

1 前 言

近年来随着城市化的急剧发展，为带动区域经济和城市生态环境的整体提升，构建人工湖已成为城市发展战略中的一项重要措施。人工湖作为城市滨水空间的重要组成部分，具有改善人居环境、调节局部气候、维护生物多样性等生态功能，同时可为民众提供良好的观景休憩空间。然而相较于自然湖泊，人工湖受到地形、土地利用开发、社会经济等因素的限制，水体流动性能较差，生态系统较不稳定，容易引发水质恶化等问题，逐步影响水体功能和景观效果。人工湖的水动力特性是影响水体富营养化状态的主要自然因素之一[1]，为避免人工景观湖建成后水生态环境问题的发生，在规划设计时进行湖泊水动力条件的研究分析尤为重要。鉴此，本文以临漳新城区人工湖为例，基于二维水动力模型模拟初期人工湖形态条件下的湖泊流场，提出人工湖形态优化方案和相应的生态驳岸建设，对人工湖开发与治理有重要意义。

2 设计思路

人工湖是非自然环境下产生的，人为有计划挖掘建设的湖泊。湖区选址主要依托原有的水系河流、洪水泛滥区、靠近自然湖泊或海洋的水资源丰富区、空闲地、农田、季节性耕地滩涂等地[2]。根据不同人工湖的功能需求，从湖泊与城市空间格局的关系、生态景观建设等角度出发，综合考虑景观、生态、游憩等因素，设计城市人工湖景观水体。

目前随着湖泊生态环境恶化问题突出，湖泊物理因子对生态系统结构功能的影响、湖泊生态修复和湖泊生态多样性保护等逐渐成为研究热点。许多学者开始对湖泊水动力进行观测和数值模拟研究，但在规划设计人工景观湖时进行水动力分析的例子仍较少。袁文麒等人认为景观水体的流场形态和流速等水动力条件对水质影响较大，采取有效的水力循环措施可降低季节性温度突变对水质的影响[3]。而湖体形态是约束水流流速大小和流动方向的重要自然条件。科学合理的人工湖湖体形态有利于促进水体循环交换能力，维持良好的水生态环境，降低后期运营成本。因此在人工湖设计时需对规划前后的湖泊流场进行数值模拟以确定合理的湖泊形态，目前国际上常用的湖泊水体模拟软件有EFDC、WASP、MIKE、CE-QUAL等。由于城市人工湖规划尚未有具体的设计标准，本文先通过借鉴国内已有人工湖泊建设的经验和研究成果对临漳新城区人工湖湖体形态的几点设计要素(如表1所示)进行考虑和初步设计，利用MIKE21模型对初步湖体形态的流场情况进行模拟，并基于模拟结果提出湖形调整方案和进一步验证分析。根据周围土地利用类型，针对流场模拟结果中的岸线易冲刷区和缓流区提出相应的人工湖驳岸方案，注重人工湖岸线的生态建设和人湖和谐发展。

表1 人工湖设计的关键要素及考虑的主要内容Tab.1 The key factors in the design of artificial lake and the main content of consideration

3 研究区概况

研究区人工湖位于河北省临漳县西南新城区，气候相对干燥，年降水量少于年蒸发量，降水主要集中在汛期的6～9月份。新城区总面积约2.6km2，整体地势呈西北高东南低，地面高程介于65.0m～68.0m之间(图1)。为保障新城区生态环境质量，提升景观文化特色，利用新城区内数个面积不等的坑塘开挖打造人工湖，作为新城区人工生态水网的主体。坑塘总面积约22.4hm2，塘底高程最低点处为62.5m。坑塘主要由近年人工挖沙取土形成，整体平面形态为不规则几何状，局部地形狭长曲折。坑塘岸线大多呈折线或弯曲度较大的曲线型，且边坡坡度较陡，存在岸坡不自然、不美观、不安全的问题。研究区所在地土壤多为潮土、粉砂质，地下水含水层埋深多在地下15m以下。人工湖周边用地大多为行政中心、商业用地和部分居住用地，对人工湖的景观性和水环境质量要求较高。

4 基于流场分析的湖泊形态设计方案

4.1 湖泊形态初步方案

人工湖的形态设计一般包括湖水深度、湖面形态和湖底形态等[4]。为减少工程量，以最少改造和土方平衡为原则，在临漳新城区原有坑塘的基础上进行湖泊平面形态的初步调整。刘晓群等人认为人工湖的水深不宜过浅，可以依照地理、气候条件相似或相近的原理初步拟定湖泊水深的取值[5]。研究区坑塘最深处3.5m深，参考北方地区人工湖经验，初步拟定人工湖平均水深为2m左右。从安全与防崩塌角度上考虑对近岸岸线进行缓坡化处理，在近岸2m范围内水深拟定为0.3m～1.2m，局部地段适当向外扩展，部分过深区域进行填充，整体堤岸坡度不超过1∶3。由于人工湖进出水口布设简单，为保证水体的流动性和整体流速均匀分布，平面形态布置成梨形比较理想，部分湖泊布置成以流线型的圆形、椭圆形为主的复杂形态[6]。基于“流线发散和约束”的特点[7]，将原本不规则岸线改造为顺畅曲线，弧线半径不小于2m，使岸线形态过渡相对自然，以减少水流间的干扰，利于整体水流平顺(图2)。

采用水系与路网统筹规划方法，沿道路布设渠道连通各湖区，整个水系设计采用重力自流排水。根据已建成道路系统控制标高对水系水位的要求,各湖泊规划参数如表2所示。1#湖作为新城生态水网入水口，依次途径2#、3#、4#湖，在退水调度上主要以5#湖作为退水通道，6#湖以满足生态功能为主(图2)。规划后的湖泊水面总面积为25.73hm2(包含连通水系2.13hm2)，较原坑塘面积22.45hm2有所增加。除填埋原有两个坑塘外，人工湖平面形态与原坑塘范围基本一致。为进一步优化湖体设计，需对人工湖区建立二维水动力模型，尤其是对有湖心岛的人工湖进行湖泊流场分析。

图1 研究区地形图Fig.1 Topographic map of the studied area

图2 湖泊形态调整对比图及引退水路径示意图Fig.2 Comparison chart of lake morphology adjustment and Schematic diagram of water diversion and return path

表2 各湖泊规划参数Tab.2 Planning parameters for artificial lakes

4.2 流场计算

4.2.1 模型介绍

目前国际上常用的湖泊水体模拟软件有EFDC、WASP、MIKE、CE-QUAL等。由于临漳新城人工湖平均水深为2m左右，湖体坡度缓，无明显垂直环流，因此选取MIKE21模型进行湖泊流场的模拟。MIKE21是丹麦水力研究所开发的系列水动力学软件之一，主要应用于模拟河流、湖泊、水库、海湾及海洋近岸区域的水流、泥沙及水环境[8]。水动力学模块(HD模块)是其最核心的基础模块，可模拟各种作用力下忽略分层的二维自由表面流的水位和水流变化，为环境模拟提供了水动力学的计算基础[9]。

平面二维水流运动基本方程组是由连续性方程和沿水流方向(x方向)的动量方程和垂直水流方向(y方向)的动量方程组成。

(1)

(2)

(3)

其中：f=2Ωsinφ

式中，h为静止水深；t为时间；u、v为流速在x、y方向上的分量；x、y、z为右手Cartesian坐标系；S为源汇项；f为Coriolis参量；Ω为地球自转角速率，φ为地理纬度；g为重力加速度；η为水位；ρ0为参考水密度；Pa为当地气压；ρ为水密度；Sxx、Sxy、Syx、Syy为辐射应力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy为水平黏滞应力；τax、τay、τbx、τby为水面与河床边界水流切应力在x、y方向上的分量；us、vs为源汇项水流流速。

4.2.2 模拟方案及结果分析

根据临漳新城人工湖区的地形数据，提取湖区岸线和地形坐标，采用三角形非结构网格划分计算网格。人工湖主要利用上游岳城水库调水工程措施引水，经过引水渠道引入湖内。按1#湖65.3m控制水位、入湖流量5.0m3/s的补给量进行湖泊流场模拟。模型假定初始湖水静止，水平流速和垂直流速均为0m/s，初始水位设置为一定值h0。在上述边界条件和初始条件下，构建人工湖二维水动力模型，得出引水过程中各湖泊水动力情况。

由图3各湖泊流场模拟结果可看出：①1#、4#、6#湖泊除部分区域流场偏弱外，绝大部分区域处于流动的状态，流速在0.01～0.10m/s之间；②进出水口和渠道等狭窄区域水体交换能力强，流速可达到0.10m/s以上；③2#湖的北部、3#湖的东北部，5#湖的西南部与东北部形成了大面积滞水区，基本没有流动迹象，水体交换速度滞缓，这主要是由于进出水口的位置及地形条件的约束对水动力条件带来了一定的影响。

图3 湖泊流场示意图Fig.3 Schematic diagram of lake flow field

4.3 湖泊形态调整

根据临漳人工湖流场模拟分析，在尽量不破坏外围用地的情况下对湖泊形态进行优化调整。针对2#、3#湖泊现状，为加强湖泊间水体的流动性，考虑适当增加布设进出水口使流速分布更均匀，新开北段引水河道连通2#与3#湖。在5#湖内增设人工岛屿，对进水起到阻隔作用，改善水体流向，避免水流直接流向下湖，增大水体扩散作用。

结合调整后的湖泊形态再次进行流场模拟。从图4中流场变化来看，2#、3#、5#湖泊流场环境明显改善，原滞水区(v<0.01m/s)面积分别减少16.42%、5.89%和39.02%，整体流速位于0.01～0.10m/s之间，基本满足水体循环的要求。最终确定的三维湖体形态和现状流场模拟分析，也可为人工湖驳岸建设提供科学合理的依据。

图4 2#、3#、5#湖泊调整后流场示意图Fig.4 Schematic diagram of 2#、3#、5# lake flow field after adjustment

5 基于流场的人工湖驳岸建设

人工湖的驳岸设计既要满足防洪的安全性要求，也要维持湖泊生态系统结构与功能的完整性，满足建成区居民亲水近水的需求[10]。由于城市人工湖内水位落差小且整体流速状况稳定，生态系统相对脆弱，因此尽量采用木桩、石笼、块石堆等构建生态型驳岸。对于湖区内易冲刷岸线和土体稳定性较差区域，可通过选择合适植被与工程材料相结合，以加强湖泊岸线稳定性的同时，维护研究区内的水生态环境，见图5。

对临漳新城区人工湖进行驳岸设计研究时，采用多种驳岸形式相结合的方法，根据湖泊流场情况、驳岸坡度及周边用地类型把湖泊驳岸分段为13处，对不同驳岸段根据当地的侧重点安排驳岸的类型。

图5 人工湖驳岸示意图Fig.5 Schematic diagram of artificial lake revetment

(1)A、C、G、J、M处，水流流速较慢，坡度较小，腹地较大，采用自然原型驳岸。在正常水位以上考虑种植草皮，用草根加固和约束土体从而保护岸坡，配以乔灌木形成环湖过滤带。对局部流场偏弱区域，在沿岸浅水区种植芦苇、香蒲、睡莲等挺水植物或水缘植物，吸收水中的营养物质起到净化水体的效果，形成自然多样的景观效果。

(2)B处，水流速度较快，且坡度较大，湖岸临近道路，采用干砌块石驳岸。使用混凝土格子加固干砌块石驳岸下部[11]，增加堤岸的稳定性。在悬空的块石间留出适当空隙，结合水的深度种植各种水生、耐水湿植物，增加硬质护岸的生态性，丰富驳岸的景观效果。

(3)D、H、I、L处，采用自然块石堆砌护岸，通过机械或人工抛掷块石等石料，形成错落有致的山石景观。适用于水流速度中等的砾石和沙砾土质地段，结合低矮的观赏植物，与周边环境融合程度高。

(4)E、F处，河床浅、坡度小、水流速度较缓，采用卵石滩驳岸，既可以适应水的涨落也可以减弱水流的冲刷作用，对抑制河床下降，促进砂石淤积有一定的效果。结合块石和水生植物，利于驳岸环境的协调发展。

(5)N处，湖岸濒临城市道路，且湖底高程变化较大，采用天然石材、多孔渗透性混凝土等新材料形成立式人工驳岸，满足护岸稳定性和安全性的基本要求。水域岸边人流比较密集，采用驳岸与铺装结合，设置栏杆增加安全性。在混凝土驳岸低的位置设置自然驳岸或仿自然驳岸，形成良好的过渡带。

6 结 语

(1)临漳地处华北平原地区，受自然地理条件限制和城镇化影响城市水系破坏较为严重，城市水系规划中缺乏整体景观设计。采用研究区现有坑塘地形构建人工湖公园，增加城市水面与绿化空间，利用工程防渗、生态驳岸等措施加强水生态环境建设，以改善城市生态环境和文化景观风貌。可为类似地区人工湖设计研究提供参考。

(2)利用MIKE21软件对湖泊流场进行数值模拟，获得引水过程中湖泊水体的流场分布情况，为湖形优化设计和驳岸建设提供了科学依据，以增强水体的流动性，改善水环境质量，是人工湖设计的重要手段。

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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

国家自然科学基金(51579148)。

王依依(1992-)，女，浙江绍兴人，河海大学水文学及水资源专业2014级在读硕士研究生，研究方向为水文学及水资源。

张其成，36946161@qq.com。

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1001-3644(2017)02-0050-07