人工浅水湖泊水动力和水体交换特性研究

张少雄 何晗笑 张力霆 李国林 李庆林

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院,石家庄 050043;2.道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室(石家庄铁道大学),石家庄 050043;3.中铁十九局集团第五工程有限公司,大连 116100)

湖泊与人类生存和发展息息相关,它不仅具有供水、防洪和提供各种水产品等重要生产与调节服务功能,而且还具有景观旅游等重要文化服务功能.近年来随着经济发展和居民生活水平的提高,各地纷纷掀起了大规模的人工湖开发热潮[1].人工湖大多具有造型特殊、水深较浅的特征,这些特征会导致水动力和水体交换能力较差,进而影响水体质量.水体的交换能力主要通过水体交换率体现,Ribbe等[2]等指出研究区域90%的原有水体被交换才完成了水体更新,即示踪物浓度降至初始浓度的10%.胥瑞晨等[3]探究了“引江济太”工程对太湖水体交换的影响,并对“引江济太”工程调度方案提出可行性建议.龚然等[4]研究了天印湖水动力对水质变化的影响,并为城市水环境建设和保护提供了方案.华祖林等[5]计算了龙湖不同调水方案的水体交换率,提出了最佳水体运行方案,对龙湖湖区水质改善和水环境保护具有重要意义.谭超等[6]通过构建水动力模型分析了4 种不同进、出水口布置情况,不同引、出水方案下的流场,提出了较好的引水方案进而改善了惠州西湖水质.戚文等[7]通过建立EFDC 水动力模型发现了天境湖水动力较差区域,并提出了较好的引水方案.许莉萍等[8]建立了水动力和对流扩散模型,对城市人工湖泊水体交换进行了研究,并提出了后期优化措施,取得了不错的效果.总体而言,国内外学者对天然湖泊水体交换开展研究的较多,对人工湖泊水体交换开展研究的较少,尤其是人工浅水湖泊方面涉及的水体交换研究鲜见报道.

本文以典型的人工浅水湖泊——如意湖为例进行研究.如意湖位于河南信阳高新区海营生态城,是生态城起步区的核心部分,整体平面设计为“L”形,并且湖区水深较浅,很容易导致湖泊水体出现流动性较差的死水区,导致水体得不到充分交换[2],所以对如意湖的水动力和水体交换特性开展研究.本研究通过建立水动力和水体交换模型,基于不同的工况对如意湖进行水动力和水体交换能力分析,给出合理的水动力调控方案,对改善如意湖的水质,营造更好的生态环境具有重要的意义.

1 研究区域及模型建立

1.1 研究区域

信阳高新区海营生态城为了充分利用片区内原有的生态资源,改善现有绿化环境,增加生态旅游设施,营造宜居生态的区域环境,如意湖是信阳市海营生态智慧城起步区项目的核心部分,如意湖水源由北侧海营水库引水到如意湖内,湖水通过南侧溢流的方式排放,湖泊正常水位110.7 m.如意湖湖面面积为23 000 m2,综合考虑鱼类生存水深需求以及水上娱乐需求,确定湖水平均水深1.5 m,水量约34 000 m3.

1.2 水动力理论

本研究采用了二维水动力数值模型,该模型基于三向不可压缩和雷诺值均布的Navier-Stokes方程,并服从于Boussinesq和静水压力的假定.具体表达式如下[9-11]:

水流连续方程:

X、Y方向水平动量的方程:

式中:T ij为水平粘滞应力项,包括粘性力、紊流应力和水平对流,这些量是根据沿水深平均的速度梯度用涡流粘性方程得出的:

1.3 水体交换理论

本文基于对流扩散模型,将如意湖初始保守性质量浓度为100 mg/L,引水入口设定入流物质浓度为0 mg/L,经过一定时间的对流扩散作用,统计出如意湖在某时刻的水体交换率即湖内剩余物质总量占初始物质总量的比率.在此基础上对不同工况下湖内的水体交换率进行分析研究,具体数值模型构建如下[4,8,12]:

式中:C为污染物质量浓度(mg/L);u,v为分布在x,y方向上的流速分量(m/s);D x,D y为其方向上的扩散系数(m2/s);S为源汇项[g/(m2·s)].

式中:C0为初始质量浓度100 mg/L;V为水体体积之和;V i(t)为个单个网格i在t时刻的水体体积;C i(t)为t时刻网格i的质量浓度;T为计算时长.

1.4 模型建立及方案设计

为探究如意湖的水动力特性和水体交换情况,本文通过构建模型进行数值模拟.首先提取如意湖的边界点和高程点,对研究区域边界做平滑处理,每4 m设一个点,网格最小允许角度30°,网格最大面积19.76 m2,得到2 262个非结构网格,节点数为1 251个,如图1所示.

图1 如意湖网格划分

如意湖入口设置流量入流边界,出口设置溢流堰进行出流.模型采用干湿动边界处理技术,干水深设置为0.005 m,淹没水深设置为0.006 m,湿水深设置为0.1 m,涡粘系数取0.28 m2/s,粗糙系数取0.031,CFL数取0.8.

如意湖初步设计引水流量为0.5 m3/s,每次引水时间为3 d.首先计算如意湖在设计引水流量下的水动力和水体交换情况,掌握其水体交换特性;然后依次设置不同的引水流量,探求引水流量对如意湖水体交换的影响.模拟时长为3 d,具体工况见表1.

表1 计算工况

2 结果与讨论

2.1 设计工况结果分析

如意湖设计工况引水流量为0.5 m3/s,本节对该引水流量下的水动力和水体交换进行模拟,了解掌握如意湖的水体交换特性.

(1)流场计算结果

设计工况下如意湖流速场如图2所示,水流整体由北向南流动,在如意湖入水口、如意岛东侧和出水口处由于过水断面较狭窄导致流速较大,其他区域流速较小.受湖泊岸线形状影响,湖内形成了两处环流,一处位于入水口东侧,这是由于入口水流流速较大,与东侧静水区流速差别较大,形成逆时针环流,环流流速介于0.05～0.36 cm/s;另一处位于出水口北岸湖湾区,由于岸边走向与主流方向相反,在此处形成一个较大的逆时针环流,环流流速介于0.045～0.21 cm/s.

图2 设计工况如意湖流场图

(2)水体交换结果

设计工况的引水流量为0.5 m3/s,取引水时间为t=1/4、1/3、1/2、1、2、3 d进行水体交换率分析,如意湖的水体交换率如表2和图3所示,图3列举了1/4 d、1 d和3 d的水体交换率.

表2 设计工况下不同时刻的水体交换率

图3 设计工况下不同时刻的水体交换率

当t=1/4 d时,如意湖大部分水体都开始进行交换,此时水体交换率为51.46%;当t=1/3 d时,如意湖北边水体几乎交换完成,但入水口东侧出现逆时针环流的地方水体交换能力较差,此时水体交换率为67.19%;当t=1/2 d 时,如意湖水体交换率达82.19%,主体都已交换完成但有四处水体交换能力较差的地方,分别是两处出现逆时针环流的地方和如意湖西南处和如意湖最东侧;当t=1 d时,如意湖水体交换率已达到95.61%,此时除了出水口北岸湖湾区和如意湖最东侧区域其他水体都已交换完成;当t=2 d和t=3 d时,如意湖水体交换率超过99%,此时如意湖整体水体交换完成,不过可以看出如意湖最东侧仍有一些水体未进行交换.综合图3可看出如意湖有四个地方水体交换较缓慢,其中在出现较明显的逆时针环流的地方交换较差,另外两处出现在如意湖西南处和如意湖最东侧.

2.2 流量对水动力的影响分析

通过对比6组不同流量工况的流速场(如图4)可知,各工况的流速场分布规律基本相同,水流整体由北向南流动,湖内有两处逆时针环流现象,随着流量的增大流速也随之增大,当引水流量为0.2 m3·s-1时环流流速为0.01～0.15 cm·s-1,当引水流量增大到3 m3·s-1时环流流速为0.12～1.86 cm·s-1.通过对比分析发现两处环流的位置和大小都不随引水流量的改变而改变.

图4 各工况下流场图

为了分析如意湖各特征部位流速的变化规律,取如意湖中10个特征点如图5所示,其中点1为靠近入口的点,点2为未经过如意岛的点,点3位于如意湖和如意岛边界中间,点4为经过如意岛后的点,点5为如意湖中心,点6靠近出口,点7 为入水口东侧逆时针环流的中心点,点8为出水口北岸湖湾区逆时针环流的中心点,点9 位于如意湖西南角流速较小处,点10位于如意湖最东侧流速较小处.

图5 各特征点分布情况

各点流速情况如图6所示.

图6 各特征点流速变化

由图6可知,点4和点6流速较大,点4位于湖内过流断面较狭窄处因此流速较大.点6位于溢流堰出口处,由于溢流堰长度较短,所以导致出口处流速也较大.点1位于入口附近,由于入口为跌水花瀑,长度较长,所以入口流速相对较小.各点流速都随着引水流量的增加而增大,但呈现不同的增长规律,在湖内的主流区流速随流量增加较快,基本成线性增加;在湖湾区流速随流量增加较为缓慢,逐渐趋于不变.

各工况最后时刻的水体交换情况如图7所示,可以看出流量越大,水体交换越快.当引水流量小于等于0.8 m3·s-1时,引水3 d后水体没有全部完成交换,0.2 m3·s-1工况水体交换率为97.22%,0.5 m3·s-1工况水体交换率为99.83%,0.8 m3·s-1工况水体交换率为99.99%.当引水流量大于0.8 m3·s-1时,引水3 d 后所有水体均完成了交换,交换率为100%.

图7 不同工况不同时刻的水体交换率

各工况在不同时刻的水体交换率如图7所示.由图可知各工况水体交换率都随着引水时间的增加而提高,在引水第一天水体交换率增长较快,随后水体交换率增长速率减缓,直至趋于不变.例如在设计引水流量0.5 m3·s-1工况下,水体交换率在初始时刻为0%,第一天末时刻的水体交换率为95.61%,第1天时间水体交换率增长了95.61%;第二天末时刻的水体交换率为99.25%,比第一天末时刻增长了3.64%;第三天末时刻的水体交换率为99.83%,比第二天末时刻增长了0.58%.

3 结论

本文以如意湖为例,通过建立数学模型对人工浅水湖泊的水动力和水体交换进行研究,得到主要结论如下:

1)对如意湖设计工况下的水动力和水体交换特性进行了研究,发现如意湖水流流态整体较为平顺,在湖内存在两处主要的环流现象;如意湖水体交换率随引水时间增加逐渐提高,在引水末时刻整个湖泊水体交换率为99.83%,水体交换情况较好.

2)开展了流量对如意湖水动力特性影响的研究,发现湖内水体流速随流量的增加而增大,在主流区流速随流量增加呈线性增长;在湖湾区流速随流量增加较为缓慢,逐渐趋于稳定.在各种引水流量工况下湖内都存在环流现象,环流流速随流量的增加而增加,但环流位置和大小不随流量改变.

3)开展了流量对如意湖水体交换特性影响的研究,发现水体交换率随着流量的增加而增大,当引水流量大于0.8 m3·s-1时,引水3 d后所有水体交换率为100%.各工况水体交换率都随着引水时间的增加而提高,在引水第一天水体交换率增长较快,随后水体交换率增长速率减缓,直至趋于不变.