水动力-水质模型在人工湖优化设计中的应用

水动力－水质模型在人工湖优化设计中的应用

哈佳 顾霜妹 孟潇 薛海

作者：哈佳 顾霜妹 孟潇 薛海

摘要: 以青海省德令哈市人工湖为例，介绍了MIKE 水动力－水质耦合模型在人工湖引水流量及湖体形态优化设计中的应用情况。通过对人工湖形态的网格划分，在大量模拟方案的基础上，系统模拟了人工湖不同点位的水体交换完成时间，确定了2 条引水渠道的引水流量和引水周期; 通过人工湖“新”、“老”水体的对流扩散模拟，确定了湖体重污染潜在区域和富营养化高发区，为湖体形态和水体流态的优化提供了重要技术支撑; 通过对风场叠加方案的模拟，为工程运行期间换水时机的选择提供了关键的参考依据。

关键词: 水环境; MIKE 水动力-水质耦合模型; 人工湖; 优化设计

中图分类号: TV213．9 文献标志码: A doi: 10．3969/j．issn．1000-1379．2013．11．020 Application of Hydrodynamic Water Quality Model in the Artificial Lake Optimization Design

HA Jia1 ，GU Shuang-mei2 ，MENG Xiao1 ，XUE Hai3

Abstract: Taking the artificial lake at Delingha City in Qinghai Province for an example，this paper introduced the application of hydrodynamic water quality model in the optimization designs of the flow of water division and overall morphology of the artificial lake．Utilizing the most advanced

MIKE hydrodynamic water quality coupled model and meshing the artificial lake，this paper systematically simulated the completion time of water exchange of different points in the artificial lake and determined the water division flow and water cycle of two division channels，based on a large number of modeling schemes．By the simulation of the convective diffusion between the new and the old water body in the artificial lake，this paper determined the potential severe pollution area and high incidence area of eutrophication，which provided technical support for the optimization design of lake morphology and water flow pattern．Meanwhile，by the modeling of the wind field overlay scheme，this paper provided reference basis for the water exchange time selection in the project running period．

Key words: water environment; MIKE hydrodynamic water quality coupling model; artificial lake; optimal design

1 研究背景

青海省德令哈市水资源丰富，巴音河自北向南穿城而过并在老城区内形成水网，但在

规划的新的行政中心区没有成片的集中水面。为了美化城市面貌，提升城市环境质量，打造“魅力、宜居的生态城市”，市政府提出在行政中心核心区域通过合理开挖，利用巴音河水资源，从总干渠引水，蓄水形成人工湖，配合周边生态景观工程构建整个行政中心核心生态景观区域(见图1) 。

在项目补水水源和湖区水环境保护目标明确的前提下，设计过程中有以下几个需要解决的关键技术难点:①在湖区蓄水规模确定情况下，湖体的平面形态和湖底形态的设计。也就是什么样的湖体平面形态和湖底断面形态能更大程度地适应湖区水流的流动特性，维持水体最佳循环流动。②在引水渠道数量和位置给定的条件下，引水规模的确定。也就是确定2 条引水渠道的引水规模及其最佳流量配比，选择何种引水流量组合，才能实现湖区水体的高效置换。③湖区水体的运行方式。也就是在确定的引水规模和流量配比条件下，多长时间才能完成整个湖区的水体置换; 在综合考虑风场等外部环境条件下，如何选择最优的换水时机。

为了解决以上技术问题，在设计中打破了以往传统的造湖设计理念，引入当前最为先进的MIKE 水动力－水质数学模型(主要应用其中的水动力模块和对流扩散模块) ，模拟湖体正常运行后的边界条件，分析比较湖体流场的时空变化情况，从而优化湖体的设计形态，寻求引水条件的最优组合。

2 水动力－水质模型构建

德令哈人工湖属于宽浅性水域，水底坡度较缓，无明显垂直环流，可采用忽略侧向交换的二维不可压浅水方程来模拟水流运行。

2．1 水动力学模型

水环境数学模型采用的基本动量方程、连续方程及状态方程分别为

式中: x、y、z 为笛卡儿坐标系坐标; u、v、w 分别为边界拟合正交曲线坐标x、y、z 方向上的速度分量; mx和my分别为度量张量对角元素的平方根; H 为总水深; f 为科里奥利系数; g 为重力加速度; 为自由水深; t为时间; p 为压力; h 为相对于湖底的垂向坐标; Av为垂向紊动黏滞系数; Qu、Qv分别为x、y 方向上的动量源汇项; ρ为混合密度; ρ0为参考密度; S 为盐度; T 为温度。研究对象为地表水体，盐度S 取0，并假设水为不可压缩流体，密度ρ和水温T 为常量。

在离散求解过程中，空间上和时间上均采用一阶精度。使用质量守恒格式的干湿网格处理方法，更好地模拟了湖流的漫滩过程，保证浅水区域计算结果的准确性［1］。

2．2 对流扩散模型

利用对流扩散模型(TＲ) ，模拟污染物在湖体中的运动轨迹，从而分析模拟区域内污染物的迁移扩散规律。

二维曲线正交坐标系的质量运输对流扩散方程为

式中: t 为时间; (x，y) 为颗粒的坐标; c 为浓度; 为流体运动的速度; DH为水平扩散系数。

颗粒运动的微分方程为

式中: xdrift、ydrift分别为x、y 方向上的拖曳作用分量; xran、yran分别为x、y 方向上的随机作用分量; p 为一个由分布相同均值为0．5的随机变量产生的随机值，当转换使用2p － 1 时，这个随机部分的平均值为0 并在－1 ～1 范围内。

2．3 模型构建

整个成湖工程共有大、小两个湖区。大湖区与名为“长江”“黄河”的2 个引水口相连通，岸线形态复杂，水体规模较大，且湖中分布有1# ～ 8#共8 个岛屿。整个湿地生态修复工程水域面积78．7 hm2 ，岛屿面积3．3 hm2。大湖区和小湖区采用明渠连接，连通工程全长320 m。大湖区水体规模为145．6 万m3 ，通过对大湖区进行模拟分析所确定的水体运行方式即为整个生态修复工程的水体运行方式。

根据人工湖工程区实测地形数据以及大湖区的岸线形态和地形划分计算网格。模型网格的划分采用三角形非结构网格，计算网格如图2 所示。

3 水体运行最优方案的确定

3．1 边界条件和水体交换完成的界定

由于2 条引水渠道均从与巴音河相连通的总干渠引水，因此引水渠的最大引水流量受制于总干渠的引水规模。总干渠的设计流量为7．2 m3/s，且在引水渠道引水口与退水口之间分布有4 条渠(设计流量不足0．1 m3/s)。因此最大限制流量取7．0 m3/s，即2 条引水渠道的总引水规模不超过7．0 m3/s。

因研究对象为城市人工湖泊，受到的污染一般为有机污染，故在水体交换模拟时选取

COD 为控制因子［2］。湖区水体交换完成与否的界定，以3 d 内80%的水域面积完成交换作为最终的控制条件，完成交换后的COD 控制浓度为18 mg/L(如果湖区水体有80%的水域COD 含量小于18 mg/L，即视为交换完成) 。

3．2 模拟方案的制定和计算结果

为确定2 条引水渠道不同引水流量分配比例下湖区水体的流态，根据边界条件，分别假定2 条引水渠引水规模在0 ～ 7m3/s 之间，进行各种可能流量组合计算分析，并选取4 个典型基础方案(均为无风场条件) 进行分析论证，各方案引水流量与完成水体交换面积见表1。

由表1 可知，在无风场条件下，方案二完成交换的水域面积最大。当“长江”、“黄河”引水口引水流量分别为1．0 m3/s和4．0 m3/s，模拟周期结束时，主湖区大部分水体均得到了有效交换，完成水体交换的水域面积占湖区总面积的84．2%，超过了湖区总面积的80%，因此，在设计的引水周期(3 d) 内，可以完成整个引水过程，实际达到完成交换80%的水体目标的时间为2．85 d。

3．3 风场对湖区水体流态的影响分析

为研究风场对湖区水体流态的影响，分析了在多年平均风速(2．3 m/s) 条件下湖区流场分布情况，如图3所示(图中的箭头反映了水流运动的轨迹) 。

由图3 可见，风场在相对开阔的水面区域形成了多个环流。湖区左侧形成的环流主要有两个，其中一个环绕1# 岛屿而成，范围较大; 另一个位于出水口右侧水域，分布范围较

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