引水方案對人工湖內換水率影響的數值模擬

馮丹 田淳 吳月勇

摘要：針對缺水城市人工湖富營養化問題，以引水口數量、位置和引水方式為研究要素，采用MIKE21軟件對青海省海東市湟水河治理工程樂都主城段南側人工湖10種引水方案的引水效果進行數值模擬，分析對比了不同引水方案下水體的換水率，以尋求最佳引水方案。結果表明：主引水口位置應設置在離出水口較遠的地方：當引水流量一定時，相較于單一引水口補水方案，多引水口交錯補水的方案引水效果較好，其平均換水率和最小換水率均有顯著提高，水體流動情況較好，循環程度較高。

關鍵詞：人工湖;引水方案;換水率;數值模擬

中圖分類號：TV133.2

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.05 .016

人工湖作為城市的景觀水體，不僅可以改善城市水環境，而且可以為大眾提供良好的游憩場所，對提升城市環境和居民生活的舒適度具有重要意義。近年來，隨著“生態城市”[1]概念深入人心以及人們對更好環境質量的需求，越來越多的城市修建了人工湖，但是在修建人工湖的過程中，注重點往往在于人工湖的“形態”，而忽略了人工湖的水流條件，以及對流態的科學調控，導致很多人工湖出現不同程度的富營養化，不僅沒有達到改善城市水環境的目的，而且造成了新的污染，與修建人工湖的初衷背道而馳。部分學者開始注意到這個問題并展開了這方面的研究.Jia Y F等[2]采用有限元法建立了深度平均的平面二維水動力一水質模型，考慮氮、磷、溶解氧等多個水質變量之間的互相轉化及遷移，并將該模型應用于淺牛扼湖的水質變化研究中：馬骎等[3]以某住宅小區人工湖為例，建立二維水動力模型，模擬了多工況下人工湖流速分布情況，研究表明湖中存在“死角”，并提出了改進方案;余成等[4]以武漢東湖為例，模擬了4種補水工況，結果表明在設置兩個補水口以及考慮風速影響的情況下，東湖水體中TN、TP濃度分布最均勻;郭鵬程等[5]采用水動力模型模擬計算了不同方案下北川河生態河道10#生態湖的流場及水體交換情況，結果表明在湖體西北部新開一個引水口，既能大幅度改善湖體水環境質量，又能減少調水時間并節約水量。這些研究大多是針對人工湖水源相對豐富的地區，對于缺水城市人工湖運行方式的研究尚顯不足。缺水城市人工湖缺少與天然水體的連通，來水（補水）流量受限，再加上湖體形態復雜，水體流動性差，不利于污染物的稀釋與擴散[6]。本文利用MIKE21軟件包中的FlowModel FM模塊建立數學模型，對青海省海東市湟水河治理工程樂都主城段南側人工湖的引水方式進行優化分析，確定最佳引水方式，以期為具有相似問題的人工湖建設提供借鑒。

1 數學模型原理

1.1 水動力模型

水動力模型是基于求解沿水深積分的二維不可壓縮雷諾時均Navier-Stokes方程和連續方程建立的，并服從Boussinesq假定和靜水壓力假定。模型控制方程：

2 模型應用

2.1 研究區概況

青海省屬于半干旱大陸性氣候區，具有高寒干旱、蒸發量大等特點。年平均氣溫6.9℃，降水量為319.2-531.9 mm，蒸發能力為1 275.6-1 861.0 mm。研究區人工湖位于海東市湟水河（黃河一級支流）東大橋與水磨營大橋之間堤防的南側，東西長約460 m.南北寬約380 m.湖面總面積約11萬m²，人工湖容積15.6萬m³，平均水深2m，水面高程1969 m，湖底高程1966 m。由于湟水河含沙量較大，水體黃濁，因此不宜作為湖區主水源，僅作為應急備用水源。主水源為湖區南側水質較好的一條天然溝道崗子溝，受崗子溝水源水量分配限制，供水量為5 200 m³/d，通過管道向湖區供水，湖區出水排至湟水河，湖區內設有10座島嶼，因此內部形態不規則，水流流態復雜。

2.2 網格地形圖

該人工湖湖深較淺，最大深度為3m，湖面面積約11萬m²，水域垂向尺寸遠小于水平尺寸，因此采用二維水動力一水質耦合數值模擬模型。由于人工湖圍堤邊界和湖內水系較復雜，對網格精度要求較高，因此采用三角形非結構化網格劃分計算水域，共劃分了3 333個網格，人工湖網格劃分見圖1。

2.3 模型參數設置

該人工湖正常蓄水位為1 969 m，引水量為5 200m²/d.即0.06 m²/s。由于人工湖受到的污染一般為有機污染，因此在水體交換模擬時COD為污染控制因子[7]。模型中將初始條件設置為固定水位1 969 m，湖區初始COD濃度為40 mg/L。邊界條件設置為進、出口流量0.06 m²/s。進水口采用點源的方式設置，依據實測資料，引水水源處COD濃度為30 mg/L，將其作為進口控制條件。出水口將湖區水體自然出流作為出口控制條件，根據不同的引水方案給各進水口分配不同的進水流量。模型輸出結果為水體中COD的濃度，通過水體中COD濃度變化來反映湖區水體置換率，間接反映引水效果。計算中，湖區水體COD濃度始終為30 - 40 mg/L，濃度越接近30 mg/L，說明該處水體置換率越高。在此特引入無量綱換水率的概念來表示湖區水體置換情況，采用湖區初始COD濃度與某時刻模型計算COD濃度的差值比上湖區初始COD濃度與引水COD濃度的差值來表示換水率。據此可以得出湖區各點的換水率，換水率越大，表示該處水體流動情況越好，水體循環程度高。

3 計算結果

3.1 方案的制定

結合該人工湖的引水周期和進口布置形式，在不考慮沿程損耗的情況下，假定每天將5 200 m²的水全部注入人工湖，擬定以下7種引水方案。考慮到湖區的地形條件和周圍河網分布情況，出水口只能在圖1中的位置。方案一、二、三均為單口進水;方案四、五、六為雙口進水，2個進水口平分進水流量：方案七為3個進水口同時進水，3個進水口平分進水流量。具體引水方案見表1。

3.2 計算結果分析

引水30 d后，對換水周期末時刻湖區內所有位置的COD濃度進行提取，計算換水率，各方案湖區換水率見表2。

從表2可以看出，在連續引水一個月后，方案一、方案二、方案四的最小換水率為0，這說明湖區存在水體流動性較差甚至是完全不流動的“死角”，由此得出，不宜采用進口1單獨進水、進口2單獨進水、進口1與進口2同時進水的方案。其余4種方案中，方案三、方案五的平均換水率較大，表明采用進口3單獨進水或者進口2與進口3同時進水的方案較優。但表2只列出了湖區換水率的統計值，并不能反映湖區換水率的分布情況。一個換水周期（30 d）后，各方案湖區換水率分布情況見圖2-圖8.圖中單位區域換水率越高，表示該區域水質條件越好。

方案一在湖區西部、南部均會出現大面積的湖體死角;方案二、方案四則會在西北處出現湖體死角，主要集中在1#島、2#島、10#島的西側。主要原因是，進口1和進口2的位置布置不合理，離出水口較近，再加上湖中島嶼對水流的阻礙作用，補充水流到達出水口時，直接從出水口流出，難以到達人工湖的最西側，人工湖西側水體交換能力差，水質得不到保障。由此可見，進水口不可離出水口太近，這樣不利于湖區水體循環。其余4種方案使用了離出水口較遠的進口3，從圖中可以看出這4種方案有效減少了引水過程中的湖體“死角”現象。方案七雖然利用多個分散進水口來引水，但仍不是較優方案，由圖8可以看出，在3#島西側的湖心處換水率最低。原因是，3#島西側存在內凹的岬角，進口2、進口3流入的水體會形成對流，在湖心地帶形成一條低換水率的狹長帶，一直延伸至3#島西側;平均進水的方式分散了每個進水口的流量，使得各進水口的作用范圍和作用強度減小。此外，方案三也有明顯不足，由圖4可以看出，8#島南側、6#島附近水域，即模型東南角換水率較低，這些區域水體循環相對較差，原因是進口3位于湖區西北角，距離出水口較遠，可以保證湖區大部分水體有較好的流動性，但無法保證距離進口3較遠處及被3#島左側遮蔽處水體的流動性。

綜上所述，進水口不能距離出水口太近，不然會出現換水“死角”：單個進水口方案即使距離出口較遠，在湖區島嶼地形復雜時也難以保證整個湖區水體循環良好，因此采取多個進水口方案是十分必要的。

3.3 方案比選

3.3.1 進水口位置優化

在上述幾種方案中，進口2位置布置得不合理，進口2并不能發揮較好的引水效果，進口2距離9#島太近，9#島的存在，會對引水來流產生頂托作用，產生局部旋滾，水流流速降低，這使得引入的水體難以到達湖區北部。為了發揮進口2的作用，應將其位置適當北移，可以放置在9#島、10#島之間，且引水時最好與進口3的引水時間錯開。進口2位置調整后，方案二湖區換水率分布（連續引水30 d）見圖9。進口2位置調整后，方案二的湖區換水率大大提高，湖區最大換水率為84.30%，平均換水率為72.30%.最小換水率為25.91%。湖區北部的“死角”已基本消除，但湖區西北角和東南角距離進口2較遠，換水率較其他區域水體稍低。總的來說，進口2的位置調整后對湖區引水效果有較好的改善作用。

3.3.2 進水形式優化

由方案一至方案七的分析結果可知，人工湖采用多口進水方案比較合適，且應區分主次進水口，引水時應以進口2或進口3為主。因此，在上述方案的基礎上提出了方案八、方案九和方案十，其中方案八、方案九以進口3為主，方案十以進口2為主，見表3。新增引水方案換水率見表4。

由圖10和圖11可知，采取多引水口交錯補水的方式，湖區水體的換水率均有顯著提高。方案八與方案九雖然均以進口3為主進水口，但方案九湖區局部區域換水率較低。這再一次說明在進行多口引水時，不宜采用分散進水的方式，這樣會使單個進水口的引水流量降低，水流流速減小，新舊水體之間的混摻作用減弱，換水效果變差，換水作用范圍減小，不利于局部區域“死角”的消除。對比圖10與圖12，方案八與方案十的換水率分布較為均勻，引水效果較優。但相較方案八，方案十的平均換水率更高，且最小換水率提升較大，故方案十相較方案八為更優換水方案，再次說明在引水時應該以進口2或者進口3為主引水口，并采用多引水口交錯引水的方式。

4 結論

基于MIKE21軟件對湟水河治理工程樂都主城段南側人工湖進行二維水動力一水質數值模擬，綜合考慮進水口數量、位置以及不同引水方式等因素，模擬了10種不同的引水方案，經分析，在換水過程中根據人工湖的形態制定主次進水口，并科學確定各進水口的進水時間的方案，即方案十為較優方案，湖區內沒有出現湖體“死角”，且整個湖區內的換水率較高，對水質改善效果較好。

在供水流量一定的情況，相較于多個進水口同時補水，多進水口交錯補水的方式，會使引水的流速明顯增大，較大的水流流速會增強新舊水體之間的混摻作用，換水效果顯著提高，換水的湖區面積明顯擴大。當湖區島嶼較多、地形條件復雜時，為保證整個湖區內水體循環良好，在總的引水規模不變時，出水口與進水口的連線應盡可能貫通整個湖面，并且進水口和出水口最好不要正對島嶼，這種布置能夠對水流的擴散起到積極作用，在一定程度上提高人工湖的引水效率。

參考文獻：

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