定常风场下的太湖风生流水动力特征研究

2024-02-21王梦雅廖轶鹏赵金箫徐世凯

江西水利科技 2024年1期

王梦雅，廖轶鹏，王勇，赵金箫，徐世凯

（1.湖北省水利水电规划勘测设计院有限公司，湖北武汉，430070；2.南京水利科学研究院，江苏南京，211100）

湖流是湖泊物质输移的主要动力来源，太湖湖流研究是解决太湖目前面临的富营养化和蓝藻水华等水环境、水生态问题的关键性基础[1-3]。太湖是典型的浅水湖泊，平均水深1.9m，地形平坦，重力流作用微弱，湖流主要以风生流为主[4-6]。受限于观测手段和观测规模等原因，太湖目前进行的原型观测很难全面复演全湖区的风生流水流运动特征，因此通常采用数值模拟方法进行模拟研究[7-9]。

逄勇等[10]首先采用三维数学模型讨论了地形对太湖湖流的影响。胡维平等[11]建立了太湖风生流和风雍增减水三维数值模型，得出了太湖风生流的基本结构特征。王莎等[12]基于MODIS 土地利用资料，采用WRF 模型模拟了太湖地区湖陆风三维结构。王海燕等[13]采用气候数据反算风场，对太湖三维水动力特征进行了模拟。韩景[14]采用水动力数值模型模拟了太湖竺山湖水流和水体迁移规律。王勇等[15]模拟了太湖风生波流作用下的太湖表面流场分布规律。以上学者均对太湖风生流水动力特征进行了模拟，但模拟的风场工况较少，大多缺乏秋冬季节等主流风向下的模拟研究。

本文采用三维水动力数学模型，系统性的模拟研究了东南风、西北风、南风和北风等定常风场作用下太湖全湖区的平面环流结构和垂向流速分布特征，为解决太湖污染物迁移扩散规律和蓝藻聚散运动规律等研究奠定了理论基础。

1 材料与方法

1.1 太湖三维水动力数学模型构建

太湖三维水动力数学模型构建使用MIKE 3 水动力模拟软件，数学网格使用三角形网格，通过有限体积法对控制方程积分。运动方程的空间离散采用低阶精度格式。为模拟由于水位涨落引起计算水域变化的问题，引入了干湿判别技术。时间离散采用显式格式，时间步长动态变化，控制CFL 数小于1，以保证计算的稳定性。计算区域用三角形单元网格剖分，共布置了4 950个节点、8 673 个单元（见图1）。

图1 计算网格布置图

1.2 太湖三维水动力数学模型验证

为了验证太湖三维水动力数学模型的模拟精度，于2017 年8 月1 日～2017 年10 月31 日开展了原型观测试验。原型观测在太湖中选取了三处点位（1 号、2 号、3 号点），点位布置见图2。由于模型模拟的风场为定常风场，因此也在原型试验中选取了持续时间较长（至少24 h），风向较为稳定的风场进行验证。验证风场风速与风向见表1。

表1 太湖三维水动力数学模型验证风场

图2 原型观测流速测点分布图

太湖三维水动力数学模型流场验证结果见图3，图中横坐标为模型模拟得到的流速，纵坐标为原型实测得到的流速，黑色圆点代表三处点位的验证结果。此外，图3 中还给出了斜率为1 的斜线，黑色圆点距离实线越近，说明模型流速与原型观测流速相差越小。图3 中大部分黑色圆点均分布在实线附近，说明太湖三维水动力数学模型的模拟结果与原型观测结果相近，模型精度较高，可以用于太湖风生流水动力特征研究。

图3 太湖三维水动力数学模型验结果

2 结果与讨论

2.1 定常风场下太湖主湖区平面环流特征

东南风、西北风、南风和北风四种不同定常风场作用下的太湖湖区流速云图和流场图结果详见图4 和图5。总体而言，与一般河道的明渠流动相比，太湖的流场结构复杂，存在多个不同尺度的环流，但是在不同风向作用下，环流的位置与形状有所区别。

图4 不同风向定常风场作用下太湖流速云图

图5 不同风向定常风场作用下太湖流场图

通过对比不同风向的流速云图结果可见，定常风场作用下太湖主湖区存在流速较强的主流，且主流的位置与流向受风向影响较大。当风向转向180°时，太湖主流的流动路径基本不变，但流向相反。东南风风场作用下，太湖主流总体由东向西流动，主流自东部沿岸区起北上，流经贡湖湾、梅梁湾湾口，至竺山湾湾口处南下，直至西山岛南侧向西，最后紧贴西太湖湖岸北上。而西北风风场作用下的主流路径与东南风基本重合，但流向相反，总体由西向东。

南风风场作用下的太湖主流与东南风风场略有不同，主流自东部沿岸区起北上后，在焦山岛转向西南，至南部沿岸区后紧贴西太湖湖岸北上。北风风场作用下的太湖主流流动路径与南风风场基本重合，但流向相反，总体由西向东。当风速相同时，风向对太湖湖流大小的影响较小，四种风速引起的湖流平均流速均在0.05m/s 左右，说明太湖水体从相同强度风场中获得的动能相近，由此转化而成的湖流强度差别不明显。

风向还决定了太湖主湖区环流的分布和尺寸。通过对比不同风向作用下太湖的流场图可见，在东南风风场作用下，太湖湖区中存在西部环流、北部环流和中部环流三大环流。西部环流为顺时针环流，位于太湖西部沿岸区，呈椭圆状，是三大环流中尺寸最大的环流，此环流北至城东港，南至苕溪，东西宽度近15km；北部环流为顺时针环流，位于湖心区最北部，靠近贡湖与梅梁湖，环流自贡湖湾口起，流经梅梁湖湾口，自焦山附近向南折回，环流近似圆形，直径约10km；中部环流尺寸最小，位于太湖中部偏西处，与北部环流相邻，环流近似圆形，直径仅5km 左右。西北风风场作用下的环流分布与尺寸和东南风风场基本相同，但环流的流向均与之相反。

同东南风风场相比，南风风场作用下的太湖湖流结构差别较大，太湖西岸同样存在尺寸相近的西部环流，环流形状近似椭圆形，但位置更加偏向北部，北部边界由城东港北移至靠近竺山湖湾口。此外，南风风场条件下，北部环流与中部环流融合成为一个尺寸较大的环流，该环流成L 型，北起梅梁湖湾口，南至西山岛南侧，南北长约25km。北风风场作用下的环流分布与尺寸和南风风场基本相同，但环流的流向均与之相反。

除了环流结构以外，东部沿岸区还存在流向较为统一的流场结构。该区域受岛屿影响，地形狭长，湖区水体沿该区域地形走向有序流动。在东南风和南风作用下，该区内流向由北至南，南风风场作用下的流速大于东南风风场。西北风和北风作用下，该区域内流向由南至北，北风风场作用下的流速大于西北风风场。

2.2 定常风场下太湖北部湖湾平面特征

太湖北部的贡湖、梅梁湖和竺山湖是太湖水环境、水生态问题中的重点研究区域。三处湖湾的水质较差，且常年遭受蓝藻水华影响，同时贡湖和竺山湖还是引江济太工程和新孟河工程的重要受水区域，因此具有较强的研究意义。图6 分别给出了不同风向风场作用下北部三湾的细部流场结果。

图6 不同风向定常风场作用下太湖北部三湾流场图

东南风和西北风风场作用下竺山湾的东北部存在尺度较大的平面环流结构，东南风时为顺时针环流，西北风时为逆时针环流，环流尺寸约为竺山湾面积的50%。南风和北风风场作用下竺山湾的平面环流出现在湖湾西部，南风时为顺时针环流，北风时为逆时针环流，环流尺寸较东南风与西北风风场更大，约为竺山湾面积的75%。

东南风和西北风风场作用下梅梁湾的东北部和西南部各存在两个尺度较大、旋转方向相反的平面环流结构，两大环流在梅梁湾中部相接，面积约占梅梁湾总面积的70%。南风和北风风场作用下梅梁湾中部的东西岸附近分别存在两个尺度较小、旋转方向相反的平面环流结构，面积约占梅梁湾总面积的40%。

东南风和西北风风场作用下贡湖湾东北部存在尺度较大的平面环流结构，东南风时为逆时针环流，西北风时为顺时针环流，环流尺寸约占湖湾面积的30%。南风和北风风场作用下该环流向南偏移，贴近湖湾北岸，形成椭圆形的环流结构，南风时为逆时针环流，北风时为顺时针环流，环流尺寸与东南风和西北风风场相近。

2.3 定常风场下太湖风生流垂向流速分布特征

浅水湖泊风生流存在显著的三维特征，水体表层流向通常与风场方向相同，水体底层流向可能出现与风场方向相反的特征，因此在研究浅水湖泊风生流特性时，需要特别关注垂向流速分布特征。故在太湖湖区中选取了4 处点位，分别研究其垂向流速分布，4 处点位的位置见图2。

图7 给出了5m/s 定常东南风风场作用下，太湖内4 处点位垂向流速分布特征的模拟结果，图中横坐标为流速，以流向与风向角度偏差小于30°的流速为正，与流向与风向角度偏差大于150°的流速为负[18]。纵坐标为相对水深hc，湖底处hc=0，水面处hc=1。从垂向流速分布结果可以看出，1 号～4 号点位呈现出明显的风生流垂向流速分布特征，4 处点位水体表面的流向均与风向一致，最大流速接近0.10m/s，与太湖历年湖流监测结果一致[16～17]，底部水体的流向均与风向相反，最大流速为3～7cm/s。

图7 1 号～4 号点位垂向流速分布结果

根据垂向流速变化过程可将其沿水深分为5 个区间。以1 号点为例，首先区间1 的hc=1～0.8，该区间内流向为正，流速沿水深迅速减小至0m/s；区间2 的hc=0.8～0.7，该区间内流向为负，且流速迅速增大，变化速率与区间1 相同；区间3 的hc= 0.7～0.5，该区间内流向为负，流速缓慢增加至0.06m/s；区间4 的hc= 0.5～0.3，该区间内流向为负，流速迅速减小至0.03m/s；区间5 的hc= 0.3～0.0，该区间内流向为负，流速基本保持不变。