绿色生态功能片区水系循环模拟分析

王 彬

（天津滨海旅游区投资控股有限公司，天津 300480）

天津市是资源型缺水城市，随着社会经济的快速发展，水环境与社会发展的矛盾尤为突出。为科学有效地实现水量优化配置及水动循环连通，学者进行了大量模拟研究，其中建立DHI MIKE数学模型是水系循环模拟的一种方法。吴思等[1]、冯静[2]、李昂泽[3]、李明[4]利用DHI MIKE软件在武汉市典型雨水系统评估、海洋工程环境评价、内涝风险评估，城市洪水模拟等方面进行研究。本文在前人研究成果基础上，建立模型，通过新建或改建水工构筑物连通各独立水体，实现水系的连通，达到区域内部循环。

1 水系循环数值模拟建立

1.1 工程概况

中新天津生态城旅游区南部现状水系主要有贝壳堤公园、中央大道东侧水渠、生态公园一期、生态公园二期、南堤公园、河口公园、海堤公园等相对独立、大小不一的水体，见表1。

表1 现状水系

目前存在水系之间不连通，无补水来源及排涝出路等问题。南部水系各公园水体、中央大道东侧水系的连通，是区域水系功能发挥的基础。为实现区域的水质达标，水系的排涝、循环功能是必要手段，其前提即水系的全面连通。打通中央大道东侧水系各阻水节点，同时采用输水管线连通各公园水体，使中央大道东侧水系—生态公园一期—生态公园二期—南堤公园—河口公园—海堤公园—3号雨水泵站—贝壳堤公园成为环状连通水系。为实现南部水系的连通，共涉及10个连通节点，根据各节点现场实际情况及路面下现有管线情况，确定节点形式及规模。见图1。

图1 水系布局及连通节点

1.2 数值模拟建立

正常情况下，除雨水补给外，南部水系缺少水源，水系水体流动缓慢、交换能力不足，易使一些区域形成死水区。与正常河流相比，水流放缓使入流水体带入的营养盐类大量集聚，造成水体营养物超标和藻类快速繁殖生长，最终使水环境逐步恶化。为保证南部水系水体交换能力，利用现有3号雨水泵站作为提水循环泵站，形成内部自循环。采用DHI（丹麦水力研究所）开发的平面二维数学模型MIKE21进行模拟计算[5～8]。

根据贝壳堤公园、生态公园、南堤公园施工图和中央水系测绘断面、概化管道及连通节点等基础数据，构建南部水系地形图。研究区域面积约429 hm2，模型构建面积约107 hm2；网格尺度0.2～12 m，网格数量19 807个。见图2。

图2 南部水系地形

1）工况设置。循环水量的确定主要依据换水周期及流速，模拟历时10 d。见表2。

表2 排涝工况设置

2）边界设置。利用现有3号雨水泵站作为循环泵站，形成内部水体自循环。遵循排涝泵站功能设置，循环方向为逆时针，见图3。

图3 循环方向

2 水循环模拟分析

2.1 对流扩散情况

2.1.1 工况一

循环流量为1.0 m3/s，循环10 d后，水体交换仍不彻底。见图4。

图4 工况一对流扩散

2.1.2 工况二

循环流量为2.4 m3/s，循环5 d后，水体交换比较彻底；10 d后，水体可整体交换一遍。见图5。

图5 工况二对流扩散

2.1.3 工况三

循环流量为4.8 m3/s，循环5 d后，水体交换已彻底。见图6。

图6 工况三对流扩散

2.2 换水周期

循环流量为1.0 m3/s时，大部分水体换水周期为8 d以上；循环流量为2.4 m3/s时，大部分水体换水周期为4～7 d；循环流量4.8 m3/s时，大部分水体换水周期为2～4 d。见图7。

图7 各工况下换水周期

2.3 循环流速

3种循环流量下，河道各点位流速均处于低流速（流速＜10 cm/s）状态；各工况流速平稳。见图8。

图8 各工况下水体流速

3 结语

综合换水周期和水体流速，初步确定南部水系循环方案为循环流量2.4 m3/s、3 d间隔运行。此外，贝壳堤公园东北侧水域循环线路长、水体交换缓慢，建议在保证连通性的同时，通过推流、曝气等措施加强换水能力。

模型的建立为中新生态城南部区域构建区域协调、循环良好、水量保障、水质改善的水生态系统提供了实质性的技术支持，为相关研究提供新的借鉴方法，也为相关主管部门提供更好地管理依据。