基于MIKE21的人工湖生態(tài)調(diào)水的水動力數(shù)值模擬

甘建軍 李燦

摘 要：以某一平原地區(qū)人工湖為例，通過人工湖立面形態(tài)的確定，綜合景觀需求及項目區(qū)現(xiàn)狀工程的建設(shè)情況，確定了人工湖的常水位與洪水位。根據(jù)湖泊形態(tài)及湖泊水體交換堤的方案布置，基于MIKE21對人工湖的生態(tài)調(diào)水進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：通過控制進(jìn)出口的閘門啟閉時間、加載風(fēng)場、增加內(nèi)循環(huán)可以改善湖區(qū)的水動力。通過該研究可以為類似的人工湖運(yùn)行調(diào)度提供一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：人工湖 生態(tài)調(diào)水 水動力

1.數(shù)學(xué)模型

1.1模型簡介

本次采用丹麥MIKE21水力學(xué)模型，計算了湖區(qū)在不同進(jìn)出水口水量分配，不同循環(huán)組

1.2模型求解方法

采用交替方向隱格式（ADI）求解二維淺水潮波方程，方程矩陣采用雙消除法（Double Sweep）求解，該格式具有二階精度。對流擴(kuò)散方程采用QUICKSET法進(jìn)行離散，其差分格式為時間前差，空間中心差。

2.模型建立

某人工湖建成后與水閘外的周邊河網(wǎng)相對獨(dú)立，因此湖區(qū)水位可實(shí)現(xiàn)人為控制。為保證湖水相對河網(wǎng)只出不進(jìn)，其正常水位應(yīng)高于河網(wǎng)水位，高出程度由人們對湖區(qū)的觀賞性要求確定，需要綜合湖面大小、排澇條件、景觀設(shè)計、周邊開發(fā)模式等綜合因素確定。經(jīng)確定，人工湖湖區(qū)正常水位為3.5m；運(yùn)行水位為3.2m時，可以通過出水口向周邊河道排水；設(shè)計高水位為3.6m，設(shè)計高水位湖區(qū)庫容為285萬m3。

（1）計算網(wǎng)格劃分。本次采用10m（△x=△y=10m）矩形網(wǎng)格對湖區(qū)地形進(jìn)行劃分。

（2）邊界條件。初始條件：湖面高程（3.1m、平均水深約3.0m）、初始計算濃度；邊界條件：引水量按3萬t/d，保持進(jìn)出水量平衡。

3.數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

采用MIKE21水力學(xué)模型，結(jié)合本次擬定的3個生態(tài)水循環(huán)布置方案，模擬人工湖湖區(qū)流場及流速分布。

（1）方案一計算結(jié)果。方案一人工湖湖區(qū)流場圖及流速分布圖見圖2。

從圖可見，方案一中心湖區(qū)整體流速相對較小，一般在0.0002m/ s以下。其中主湖區(qū)開闊水域流速較小，且由于水面開闊，形成局部小環(huán)流；往東水面縮窄后，流速有明顯增加。此外，由于內(nèi)進(jìn)口處河道靠近湖泊主出水口，因此流速也相對較大，并沿河道從東往西至內(nèi)出口2形成自然的循環(huán)，但總體流速仍較小。連接內(nèi)循環(huán)出口1的河道及北側(cè)2條閘上河道基本上是水流的隱蔽區(qū)，這部分區(qū)域參與循環(huán)的水體較少，容易形成死水區(qū)。

（2）方案四計算結(jié)果。方案二人工湖區(qū)流場圖及流速分布圖見圖3。

方案二中沒有加入吞吐流量，僅考慮風(fēng)場對湖區(qū)水流產(chǎn)生影響。但對于河道的流場則有較為明顯的變化，方案二河道的流速明顯減少，特別出入口河道，流速從0.02～0.04，下降到0.005以下。說明風(fēng)生流對湖區(qū)流場有較大影響，但對河道影響較小。

（3）方案三計算結(jié)果。方案三人工湖區(qū)流場圖及流速分布圖見圖4。

方案三同方案一相比，加入了內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，即內(nèi)循環(huán)進(jìn)水流量0.69 m3/s，出口流量按堰控制，內(nèi)出口1堰高于水下0.1m，內(nèi)出口2堰高水下0.2m。方案三由于增加了內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)水量增加，大部分湖區(qū)的流速要大于方案一；從流速增加量來看，中心湖區(qū)的流速增加量要明顯小于三個小湖區(qū)以及中心湖區(qū)南側(cè)的河道，說明內(nèi)循環(huán)水量多從河道及三個小湖區(qū)循環(huán)后流出，而進(jìn)入中心湖區(qū)的循環(huán)水量則較少。

4.結(jié)語

通過MIKE21模型可以模擬人工湖區(qū)在不同進(jìn)出水口水量分配，不同循環(huán)組合模式下的流場情況。各進(jìn)出水口河道在沒有水量進(jìn)出時，容易成為循環(huán)的死角，因此，在運(yùn)行調(diào)度時，各進(jìn)出水口均需要適當(dāng)開啟。內(nèi)循環(huán)可有效提高中心湖區(qū)南側(cè)河道及東部三個小湖區(qū)的水量循環(huán)，但內(nèi)循環(huán)水量進(jìn)入中心湖區(qū)開闊水域的則相對較少。此外，有風(fēng)的情況下，內(nèi)循環(huán)對增加湖區(qū)流速的效果更為顯著。

總體來說通過MIKE21模型在模擬湖泊水動力成為了一個有效的工具，可以用來評價湖泊的各種引調(diào)水各種管理方式，為將來制定湖泊的管理措施提供一定的支持和幫助，同時也可以為進(jìn)一步建立湖泊的水質(zhì)模型提供基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳堅.太湖水動力數(shù)值模擬[D].南京：中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，1993.

[2]韓龍喜，張防修.博斯滕湖湖流及礦化度分布研究[J].水利學(xué)報，2004， （10）：100-105.

[3]周雪漪.計算水力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1995：341-370.