MIKE21模型在城市生态型人工湖规划设计中的应用

(上海宏波工程咨询管理有限公司，上海 201799)

近年来生态文明建设已成为国家现代化发展、城乡建设的主旋律，生态环境问题受到越来越多的关注与重视。上海市金山区为了推进郊区环境综合整治、新农村建设，规划于张堰镇新建一座生态型人工湖，张堰镇重点区域河道整治工程将该湖泊与区管河道张泾河一同进行综合整治，满足当地弥补水面率的需求，打造“十三五”期间所在镇区总体规划关于“绿色核心”的生态格局。诸多的城市人工湖建设经验表明，人工湖发生水质恶化或富营养化的概率正在增加，湖泊生态功能面临考验。因此，人工湖的水利、生态设计逐渐被广泛重视。在张堰镇人工湖的规划与设计阶段，应用二维水动力数值模型——MIKE21模型对湖泊流场进行模拟，并对来水及排水条件进行分析，确定湖泊选址、水资源调度、水工结构及水生态设计的合理方案，为人工湖的规划设计提供了宝贵的思路与方法。

1 在人工湖选址中的应用

1.1 人工湖规划选址概况

该人工湖位于上海市郊区，湖泊规划纳入所在镇区土地利用总体规划中，其选址及规模涉及土地指标等问题。根据规划前期编制情况，暂拟定湖泊总面积为800亩，初选位于张泾河以西或以东。张泾河为金山区的区管河道，其以西选址范围连通九曲河、山塘河、红星河、蒋家港河；其以东选址范围连通联新河、新港河等。拟定选址方案一为张泾河以西800亩，方案二为张泾河以东800亩，方案三为张泾河以东400亩，平面分布见图1。

图1 选址方案地理位置分布

1.2 模型定解条件

a.初始条件：湖底高程、水深和流速。其中流速采用明渠河道不冲不淤的平均流速，取0.5m/s。

b.边界条件：采用河网现状及规划断面的设计流量，上游流量边界取9m3/s；根据上海市水利规划，下游水位值采用所在水利分片的常水位2.50m(吴淞零点高程)。模型计算工况选取下游排水红旗港—龙泉港出海闸排海。由于缺少实测资料，本模型仅用定量计算作为定性判断依据。

1.3 结果分析

利用MIKE21-FLOW模型对三种选址方案、不同水域面积下湖泊流场进行水力计算，结果输出为湖泊与周边河网的相对流速、相对水位，见图2。

从水利防洪除涝及调蓄能力、水资源及水生态角度分析湖泊选址的优缺点，对比见表1。

图2 3种选址湖泊流场计算结果

因 素方 案 一方 案 二方 案 三水面积约800亩约800亩约400亩防洪除涝及调蓄能力水面积大,调蓄能力强水面积大,调蓄能力强水面积小,调蓄能力有限河网水系区位优势 湖区北靠山塘河、南临红旗河、东侧为张泾河、西侧为定向河,来水水源丰富,营造湖泊对区域河网能汇聚成中心之势。靠近镇区中心位置,南临金山新城,以湖区为中心辐射张堰镇区范围大,有效衔接金山新城的延伸效应 湖区现状西侧为张泾河、东侧为战斗港,区位优势同方案一,但南、北侧距离骨干河道红旗港、鲁堰中心河较远 湖区现状水域面积小,靠近镇区边界,以湖区为中心辐射张堰镇区范围小

续表

因此，水利设计结合交通区位、发展潜力、土地可操作性等多因素考虑，确定采取方案二，并在此基础上优化调整湖型，深化水动力、水生态、水资源调度分析。

2 在人工湖湖型设计中的应用

2.1 模型构建

2.1.1 边界条件

本工程可行性研究阶段依据规划规模进行论证，人工湖湖型初步拟定后作为本模型的定解条件之一，并且模型模拟的下游排水条件发生变化，由龙泉港排海调整为张泾河南排工程实施后的直排条件。上海区域除涝标准为20年一遇最大24h面雨量、2005年8月麦莎设计雨型，工程区属浦南东片水利分片，经排涝模型计算后片内除涝规划常水位2.50m、高水位3.90m，因此工况取常水位、高水位2种工况，具体流量边界见表2，模型范围见图3，由此分析对湖泊内流态、流场的影响。

表2 不同工况下的边界条件

图3 模型范围

2.1.2 网格及地形处理

模型计算网格精度取5m，地形分布见图4。

图4 地形分布及模型网格图

2.2 结果分析

2.2.1 常水位工况

模型范围水位总体分布、湖区水位分布见图5(a)、(b)，结果显示常水位下湖泊平均水位为2.34m，无水位差，且没有出现壅水，来水、排水口门较为顺畅；图5(c)显示模型范围内张泾河平均流速为0.40m/s，新港河平均流速0.38m/s。图5(d)～(f)显示上游河道入湖口门流速在0.05～0.15m/s之间，水体进入湖区后流速逐渐减缓，南部水流速比较平均。湖泊西侧与张泾河交汇段总体流速较湖心更大；在新港河、北侧河道入湖口的流速均较大，且往南呈直线发散区域影响湖体流速。若中间设置有岛屿，则岛屿周边流速也会相应较大。

图5 工况1模型计算结果

2.2.2 高水位工况

图6(a)、(b)计算结果显示：当片区水位达到规划除涝最高水位3.90m时，湖泊水位平均为3.39m，无水位差，且没有出现局部壅水，来水、排水口门较为顺畅。流场分布显示高水位时张泾河入海口流速达到0.80m/s，新港河平均流速0.40m/s。图6(d)～(f)显示：新港河、北面河道水体进入湖区后流速逐渐减缓，高水位时，湖心深水区流速比常水位时大，西侧张泾河交汇段流速比较平均。

图6 工况2模型计算结果

2.3 针对水利设计的结论与建议

2.3.1 水位及流速影响

研究区域常水位2.50～2.80m，设计高水位3.90m。模型计算显示：张泾河排海实施后，湖区水位会下降约20～30cm，并且湖区水动力明显改善，湖区内流速明显提升，分析与总结见表3。

表3 模型成果分析与总结

2.3.2 引排水方向影响

湖泊南面排水河道全部汇入张泾河，直接由排海口入海。

2.3.3 汇水量及排水量统计

湖区各支流引、排水流量统计见表4。可见张泾河引水进入湖区范围的水量占比不大，部分水体顺时针绕过张泾河延伸段最南侧岛屿，大部分水体直接南排，若需引张泾河水体进入湖区则需考虑设置控制性口门；北侧和新港河水体基本上全部由张泾河下游排出。

表4 不同工况下引、排水流量统计

根据模型计算结果，针对水利设计提出建议：ⓐ人工湖北部整体水动力较弱，流速较缓，适宜构建湿地用于净化湖泊的补水水质；ⓑ湖心水动力较差，且张泾河补水水量较少，若需要自张泾河引水增强水循环过程，建议增设控制性水利口门；ⓒ西侧张泾河交汇段整体流速较大，选择护岸形式时需考虑采用耐冲刷、有消浪作用的结构，在水位变动区增加护坡结构，且入水以1∶5的缓坡较合适。由于张泾河为通航河道，护岸结构设计时应进行船行波计算复核。

3 针对水生态设计的建议

通过MIKE21模型模拟的人工湖流场分析，整个湖泊的水动力条件较好，结合当地农村实际情况，所在地区的生活污水处理尚未完善，居民生活及生产的污水直排河道，导致上游补水河道存在劣Ⅴ类水体，且人工湖东面2km范围内存在多条劣Ⅴ类水体河道，因此针对补水水源污染等问题，建议在设计阶段即考虑水生态设计，通过人工填料、湿地基质和种植水生植物等措施提升来水水质，降解吸收氮磷等营养物质，改善水质，规避蓝藻水华暴发风险，构建长期稳定的湖泊生态系统。自然河口湿地，利用湿地植物的降速、絮凝、沉淀和净化作用，可有效降低入湖河道所携污染物含量，在减轻湖泊污染负荷等方面，有着不可替代的作用。结合广州、厦门、江苏等地人工湖的实践经验，在建设初期构建人工河口湿地、缓流湿地能十分有效地削减污染量、削减浪高。模型流场显示新港河入湖口、北侧支流入湖口流速较缓，有利于水生植物生长、湿地内部布水与后期演变，建议作为人工湿地的选址。另外，针对水华风险防控设计，除了水质长期监测外，利用MIKE21模型预测水华风险聚集地为湖泊中部深水区至北面湖岸线，因此建议设计蓝藻拦截装置与应急处理方案。

4 结 语

城市生态型人工湖的兴建有利于生态文明建设、改善城市生态环境，本文基于MIKE21模型对上海市金山区张堰镇重点区域河道整治工程中规划新建人工湖的二维水动力流场数值进行了模拟，分析了湖泊不同选址方案下的水动力情况，为选址决策提供科学合理的建议。在张堰镇总体规划确定后，优化模型边界条件，进行了湖泊及周边河网的水动力模拟，可知湖泊在现有条件下建成后流速均匀，张泾河交汇段流速较大，北面沿岸段及湖心流速较缓。针对这些特点，首先，建议在水利设计中增强护岸结构的耐冲刷性，考虑增加控制口门调节张泾河补水量。其次，湖泊水生态应注重入湖污染量削减措施，构建人工河口湿地，既保障湿地建设初期的成效，又利于功能发挥、改善水质；对于湖泊中部水华风险较大的区域，建议设计蓝藻应急预案和拦截装置。用MIKE21模型对人工湖及周边河网流场的数值进行模拟，是人工湖水利设计和生态设计的有效工具，是今后城市人工湖水环境治理不可缺少的手段。