滴水湖水动力特征及改善研究

陈 翔

（1.上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434；2.三峡智慧水务科技有限公司，上海 200335）

1 概况

滴水湖位于上海芦潮港东面， 是目前国内在尚未成陆的海滩上开挖的最大人工湖，湖面呈圆形，总面积5.56km2， 平均水深3.7m， 湖区容量可达1200～1600万m3［1］。 它是上海地区重点建设的人工景观湖，更是临港新城水系核心和生态调整中心， 承担着临港新城防汛排涝、水体置换等功能，同时对塑造城市生态景观、优化区域小气候具有重要作用。 然而，自2003年10月开始蓄水以来， 其水质一直不容乐观，2006—2008年连续3年湖水年平均富营养化指数均超过70，透明度呈逐年下降趋势［2］。

大量研究表明， 水动力是影响污染物输移、扩散、降解的重要因素，与水环境质量息息相关［3-4］，在实际中，水利调度也是滴水湖水质维护的重要手段。据2015—2016年滴水湖冬、 夏两季定点水文观测结果，滴水湖水体流速基本小于0.1m/s，总体上水动力较弱，在空间分布上流速差异也较大。因而通过改善滴水湖水动力条件提升滴水湖水环境质量是一个重要方向。目前，对滴水湖水环境研究主要在水生态水质监测评估等方面， 对其水动力特征尤其是存在问题等方面研究较少，对水动力改善研究也相对薄弱。通过建立滴水湖三维水动力模型， 全面深入分析滴水湖水动力存在问题， 针对性地提出水动力改善措施，并研究各项措施对滴水湖水动力改善效果，为滴水湖水环境治理提供指导。

2 三维水动力模型构建

2.1 基本方程

假设流体不可压， 垂直方向上服从静水压强分布，采用笛卡尔直角坐标系，X轴和Y轴位于水平面，X轴向东为正，Y轴向北为正，Z轴向下为正， 则三维湖泊水动力方程［5］为：

式中 u，v，w分别为X，Y，Z方向的流速分量（m/s）；g为重力加速度（m/s2）；P为水压（N/m2）；籽 为水的密度（kg/m3）；Ah，Az分别为水平和垂直涡粘系数；f为科氏参数。

2.2 模型构建

2.2.1 模型范围及网格划分滴水湖形态和地形如图1， 湖面直径约2.66km，湖面面积约5.56km2，北部、西部、南部及湖中心均有一岛屿，平均水深3.7m，东西侧各有1个深坑，最深处超6m。

图1 滴水湖地形

依据网格划分基本原则和计算效率， 滴水湖网格边长设为20m， 计算区域共划分为13603个网格节点，26469个三角形网格， 同时垂向依地形分为3层。网格平面划分如图2。

图2 滴水湖网格平面划分

2.2.2 关键参数设置

滴水湖水体流动主要来源于风驱动， 为真实刻画滴水湖水流动力状况，采用实测非定常风，糙率高度取值范围为0.012～0.125m。

2.2.3 模型率定验证

模型模拟了滴水湖2016年夏季实际风场条件下的湖区流场，并采用实测流速、流向资料进行率定验证。 由于滴水湖湖面较小，水体流速总体也偏小，极易受风速变化或船舶影响，从实测结果来看，变风场条件下流速、流向也变化频繁，难以形成稳定流场，对模型率定验证也是一个挑战。

根据模拟结果及实测资料对比分析， 计算值与实测值处于同一量级，大小基本相符，变化趋势基本一致；流向上，计算与实测的主流向基本相符，以西北向和偏南向为主。表、中、底层流速上差异不大，流向上表层、中层流向相对集中，与底层水流同时受地形影响较大关系。总体上，该水动力模型能较好地模拟滴水湖水动力实际状况， 可进一步用于滴水湖水动力特征及改善研究。

3 水动力特征分析

3.1 典型风况分析

为研究滴水湖在典型风场下的典型流态特征，根据2014年滴水湖全年风资料统计分析结果， 滴水湖为典型季风气候，春夏季以东南风为主，平均风速5.4m/s，秋冬季以西北风为主，平均风速6.3m/s。 基于已建滴水湖三维水动力模型对典型风场下滴水湖水动力进行模拟分析。

3.2 水动力特征分析

3.2.1 东南风下水动力特征

东南风下，滴水湖空间流场如图3（因篇幅限制，展示中层流场分布）。在平面空间上，滴水湖东北岸、西南岸和北岛西侧形成较强的西北向沿岸流， 湖心岛四周形成4个较为明显的环流，东、北两个方位为逆时针环流，西、南两个方位为顺时针环流。 垂向上，表层流场中，环流靠岸一侧流速较大，东北沿岸、北岛西侧、西岛东侧和南岛东侧表层流速约0.1m/s，离岸一侧流速较小约0.03m/s；中层流场中，环流靠岸一侧和离岸一侧流速基本相同，约0.06m/s；底层流场中，环流离岸一侧流速要略大于靠岸一侧，西北-东南连线上有一股较强的东南向水流，流速约0.06m/s，与表层的西北向沿岸流流向完全相反，两股水流形成垂向上的水体循环。

图3 SE、NW风下中层流场

东南风下， 湖心岛周边4个环流中心为滞留区，流速非常小；此外，南岛南北两侧、西岛南侧、北岛东侧受岛屿阻隔影响水体流动性较弱。

3.2.2 西北风下水动力特征

西北风下，滴水湖空间流场如图4，在平面空间上，滴水湖东岸、西岸和北岛两侧形成较强的东南向沿岸流，湖心岛周围形成若干个环流。 从垂向上看，表层流场中，环流靠岸一侧流速约0.11m/s，环流离岸一侧流速较小约0.05m/s；中层流场中，环流靠岸一侧流速约0.08m/s，略大于离岸一侧，约0.07m/s；底层流场中，环流靠岸一侧约0.055m/s，略小于离岸一侧流速，约0.07m/s。 底层东南-西北连线上存在一股较强的西北向水流， 结合表层较强的东南向沿岸流形成垂向上的水体循环。

图4 工程前、后垂向平均流场及变化（左：NW 右：SE）

西北风下， 除湖心岛周边4个环流中心为滞留区，流速非常小外；南岛南侧、西岛南侧、北岛东侧受岛屿阻隔水体流动性较弱，且较东南风下更差。

3.2.3 流速分级统计分析

进一步按流速大小对水域面积进行量化分析，如表1。

表1 各流速段对应水域面积占比 单位：%

通过对滴水湖典型风场下水动力特征分析发现，滴水湖流速基本小于0.06m/s，低流速区占比相对较大，尽管在风速增大时，这一情况将得到改善，但整体上水动力仍较弱。平面空间形态上，沿岸顺风向形成较强的沿岸流，湖心区以环流结构为主，垂向上形成表层顺风、底层逆风的循环流动。 此外，环流中心区及北岛、西岛、南岛附近受岛屿阻隔影响，水动力非常弱，易成为藻类和各种污染物的汇集区，通常也是大范围水质污染的爆发点。 这与现实中滴水湖各岛屿附近的水质较差也相吻合，尤其是北岛周边，是当前滴水湖水环境治理的重点区域。

4 水动力改善措施及效果研究

基于滴水湖水动力特征分析结果， 针对局部水动力改善及整体水动力提升需求， 结合滴水湖水环境治理思路，提出两类工程性改善措施：①针对北岛局部水流较弱问题， 采用岛屿环通工程连通岛屿两侧水流，削弱岛屿阻隔影响；②针对环流中心滞留区及整体水动力改善需求， 采用引排工程控制滴水湖环湖河道进出滴水湖水量来改善湖区动力。 通过三维水动力数学模型对上述措施进行研究。

4.1 北岛环通工程

在北岛与湖岸连接处， 通过开挖或埋设管涵连通北岛两侧水流，促进局部水体流通，改善北岛两侧夹角水流较弱的问题，通道底宽设为50m。 不同风况下，北岛环通工程前后流场变化如图4。

西北风下， 北岛西侧沿岸流由环通通道进入东侧原滞流区，两侧水动力均增强。西侧平均流速由工程前0.026m/s提升至0.041m/s，近岸处流速由0.007m/s提升至0.045m/s；东侧平均流速由工程前0.008m/s提升至0.031m/s， 近岸处流速由0.006m/s 提升至0.069m/s。 通道西侧以南和东侧局部区域同时存在流速减小，西侧由于通道分流有所削弱，东侧局部区域由于原水流与通道出水流相顶冲而有所减弱。但流速减小区域原本流速较大，削减幅度较小，环通工程后仍保持较强的水动力，尤其是西侧沿岸流仍达0.5m/s。

东南风下，北岛东侧沿岸流由环通通道进入西侧原滞流区，两侧水动力均改善。 西侧平均流速由工程前0.030m/s 提升至0.044m/s， 近岸处流速由0.008m/s提升至0.054m/s； 东侧平均流速由工程前0.014m/s提升至0.034m/s， 近岸处流速由0.009m/s提升至0.069m/s。 北岛东侧沿岸流由于管道分流而减小，减小约0.02m/s，主要是中下层流速减小。

垂向上，经进一步统计分析，西北风下，北岛东西两侧环通工程实施后底层流速较工程前平均增幅117%，中层流速较工程前平均增幅226%，底层流速较工程前平均增幅194%，垂向平均流速较工程前平均增幅243%。 东南风下，北岛东西两侧底层流速较工程前平均增幅73%， 中层流速较工程前平均增幅101%，底层流速较工程前平均增幅280%，垂向平均流速较工程前平均增幅104%。

因而，环通工程对促进北岛附近区域水体流通，打破原滞水格局，提升两侧水体动力具有显著效果。

4.2 引排工程

滴水湖环湖口门较多， 为改善湖心滞留区水动力，同时放大引排工程对湖区整体水流的提升、置换效应，设置从西北口门引水、东南口门排水，引排规模60m3/s，模拟分析引排工程对滴水湖水动力改善效果。 引排前后湖区流场如图5。

图5 引排前、后垂向平均流场

西北口门引水后，西北湖区流速大幅提升，平均流速近0.2m/s，西北口门附近流速最大近0.5m/s；西北口门与东南口门之间形成一条强流带，流速介于0.05～0.5m/s之间；同时改变原环流格局，原滞留区水动力条件得到显著改善。 垂向上，经进一步统计分析，强流带区域底层流速较引排前平均增幅660%，中层流速较引排前平均增幅1561%， 底层流速较引排前平均增幅426%，垂向平均流速较引流前平均增幅1617%。

因而，引排工程对促进湖区水体整体流动，削弱或打破原环流格局，改善滴水湖整体水动力环境具有显著效果。 同时，可根据滴水湖水动力改善的不同时间、空间需求，通过阶段性引排水和不同口门之间的组合引排水，有针对性地控制、改善滴水湖水流形态。

5 结语

（1）滴水湖现状水动力条件整体较差，流速基本小于0.1m/s。 在典型风况下，形成近岸为顺风向沿岸流、湖心区多环流的平面流态结构；垂向上形成表层顺风、 底层逆风的循环流动。 受环流及岛屿阻隔影响，环流中心区及北岛、西岛、南岛附近水动力较弱，是滴水湖水环境治理的重点。

（2）北岛环通工程实施后，可有效促进北岛东西两侧水体交换流通，显著提升东西两侧水动力条件，流速增加0.02～0.06m/s不等， 有效削弱岛屿阻隔影响，对改善局部水环境具有重要价值；同时对改善南岛、西岛同类水环境问题具有重要借鉴意义。

（3）引排工程实施后，在引水口与排水口之间形成强流带，改变原环流格局，可显著提升原环流中心水体动力，促进湖区水体置换、流通，对改善滴水湖整体水环境具有显著效果。