風場和吞吐流對洪澤湖流場的影響分析

劉翊竣，徐國賓

(天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300354)

1 研究背景

大中型天然湖泊水動力過程是湖體內污染物遷移、轉化和生態環境演變的關鍵因素，它與湖泊本身的幾何特征、風場、吞吐流等物理參數有關。其中，風場決定著湖泊的湖流形態、環流結構及湖流流速大小[1-4]。吞吐流是指由河湖水量交換造成水面傾斜作用而產生的湖流現象，會對湖泊污染物質擴散、遷移、泥沙沖於變化產生影響[5-6]。本文將探究不同強度風場和吞吐流作用對洪澤湖流場的影響。

目前對于大中型湖泊的水動力特性和流場分布已有大量的研究成果，潘思怡[7]、吳青[8]、林玉茹[9]對鄱陽湖水流特性進行了系統研究，認為枯水時期對湖區水流流速和流向影響最大，平水時期次之，豐水時期影響最??；高峰[10]對淺水湖泊水動力特性進行了研究，認為風的作用與湖流流速有著密切連系，能改變湖泊環流結構，而吞吐流對環流結構影響不大，僅僅對進出水口附近區域的水流流態有一定影響；張華杰[11]對太湖流場及水動力特性進行了研究，通過大量數值模擬試驗，模擬了不同風力、不同湖泊水位的湖泊水動力學特性，分析了湖泊在自然風力因素與人為因素下的流場分布規律。到目前為止，對于洪澤湖流場的分析和模擬比較少，只有姜加虎等[12-14]對洪澤湖的混合流和風生流進行了模擬，他指出洪澤湖南部湖區是受其吞吐流影響最大的湖區；成子湖灣是受風生流作用最強的湖區，吞吐流作用初期，以河口擴散流形式進入開敞湖區，進入速度取決于出入湖流量的大小。有關洪澤湖不同風速和吞吐流強度下的流場分布的研究更少。隨著數值模擬技術的發展，許多計算軟件在研究水動力特性方面得到了廣泛的應用。朱世云等[15]基于MIKE21 FM模型對洞庭湖區平原城市洪水演進進行了模擬；路洪濤等[16]基于MIKE21對城市湖泊人工水循環流場數值模擬做了研究；趙正文等[17]、韓紅娟等[18]對不同湖泊的流場結構進行了數值模擬。

本文基于MIKE21建立洪澤湖水動力模型，首先對洪澤湖二維水動力模型進行了參數的校準與驗證，其次對不同風場下的流場結構和流速進行了對比分析，最后改變出入湖流量進而研究吞吐流對洪澤湖流場的影響。

2 洪澤湖水動力模型計算條件及驗證

洪澤湖位于淮河中游、江蘇省洪澤區西部，是我國五大淡水湖之一，是“南水北調”工程東線過水通道組成部分。在正常湖水位12.5 m時，水面面積為1 597 km2，平均水深1.9 m?；春邮瞧渥畲蟮娜牒恿?，是洪澤湖水量補給的主要來源，占總入湖水量的80%以上。出湖通道中入江水道為主要的泄洪道，湖水60% ～70%由入江水道的三河閘下泄。湖區汛期盛行SE風。湖區分為溧河洼區、南部湖區、東部湖區和成子湖區。洪澤湖區間構成及空間區域分布見圖1。

2.1 模型的計算范圍及參數的選取

2.1.1 模型范圍選定 洪澤湖主要有7條入湖通道，以淮河干流為主，同時有新濉河、老濉河、徐洪河、新汴河、懷洪新河、池河6條支流分布在淮河兩側。主要有4條出湖通道，包括淮河入江水道、入海水道、蘇北灌溉總渠和分淮入沂工程[19]。

模型計算范圍由淮河干流和6條支流以及整個洪澤湖區間構成，如圖1所示。對于洪澤湖的模擬選取淮河干流為主要入湖進口，設置為開邊界并給定龜山實測流量過程，其他支流包括懷洪新河、新汴河、新濉河、老濉河和徐洪河以集中旁側入流方式作為源項給定實測流量過程；選取三河閘作為洪澤湖出口，設置成開邊界并給定三河閘實測水位過程，其他出口包括入海水道、蘇北總灌渠、分淮入沂以旁側出流方式作為匯項給定實測流量過程。

2.1.2 計算水文條件 由于所采用的洪澤湖地形資料是2013年實測地形，因此選取2013年汛期作為計算時段，計算期為2013年6月29日08：00：00-2013年8月24日08：00：00。

2.1.3 風場資料 經查閱相關資料可知，洪澤湖區汛期盛行風為東南風，風級一般在2 ～ 4級，相當于風速1 ～ 3m/s。由于洪澤湖湖區范圍較大，實測風場資料難以收集，因而本次計算采用定常風速2 m/s，風向為東南。

2.2 模型參數選取

2.2.1 計算時空步長 洪澤湖二維模型采用非結構三角形網格，空間步長一般取300～500 m，在淮河干流入湖口和三河閘出口地區進行局部加密，加密地區空間步長取100～200 m；模型共有25 974個網格節點，50 643個計算單元，網格布置如圖2所示。為滿足模型穩定性和計算精度的要求，同時受限于柯朗條件該模型計算時間步長選取60 s。

2.2.2 糙率、渦黏系數和風阻力系數 洪澤湖湖區糙率一般取0.020～0.022，本文計算選取糙率為0.020。渦黏系數根據Smagorinsky公式確定，該模型計算取0.28。該模型風阻力系數cd由經驗公式(1)得到[20]。

(1)

式中：w10為距地10 m高程處的實測風速,m/s;wa、wb為界限風速值，wa=7 m/s，wb=25 m/s；ca、cb為界限風速所對應的風阻力系數值，ca=1.255×10-3，cb=2.425×10-3。

2.3 模型的驗證

利用2013年臨淮頭和高良澗測站的實測水位資料作為校準資料，將模型計算出的各測站水位值和實測值進行對比，如圖3所示。從圖3中可以看出，臨淮頭和高良澗測站的計算水位過程線與實測水位過程線符合較好，說明該模型可以用于洪澤湖的水動力模擬。

圖2 洪澤湖水動力二維模型網格劃分

圖3 2013年臨淮頭和高良澗測站水位實測值與計算值對比

3 風場和吞吐流對洪澤湖流場的影響

3.1 風場對洪澤湖流場的影響

大中型天然湖泊具有湖水淺、湖面大的特征，導致水動力過程復雜多變。風是湖流運動的主要驅動力，環流形態和方向以及湖流流速大小由湖區風速及風向共同決定。洪澤湖汛期盛行風為東南風，本文基于上述模型，以淮河入湖口為開邊界并給定2013年實測流量過程，以三河閘出口為開邊界并給定2013年實測水位過程，其余出入口均以源匯給定實測流量過程，模擬了5、10 m/s風速和無風作用下洪澤湖流場分布。

洪澤湖各湖區在5、10 m/s風速和無風作用下的流場分布分別如圖4～7所示。由圖4～7的數值模擬結果中可以看出，在5 m/s風速作用下溧河洼湖區水流運動比較微弱，其中A區域有逆向環流存在，而南部湖區水流運動顯著，在B區域同樣有逆向環流存在，A、B兩處距淮河入湖口較遠且無支流匯入，湖區的東南風是形成逆向環流的主要因素，且環流主要位于湖邊凸岸；東部湖區水流運動顯著，湖區內C區域有明顯的逆向環流存在，此環流是在吞吐流和風場作用下共同形成的；成子湖區水流運動也較為顯著，其中D區域有逆向環流存在，該區域靠近湖岸，受風場作用明顯，而E區域有帶狀環流存在，靠近湖區兩岸的水流流向為西北向而湖區中央水流流向為東南向，即湖區兩岸和中央的水流流向呈相反趨勢，成子湖區只有徐洪河一條支流匯入，可知風場是決定該區域流場結構的主導因素。在10 m/s的風場作用下各個湖區的流場結構與5 m/s風場作用下的流場結構相似，在環流強度上有所增加，而在無風條件下整個湖區的流場結構以吞吐流的形式為主，各個湖區的環流結構變得很微弱，尤其是成子湖的E區域，幾乎為靜止的水面。湖區的流場分布決定了水流運動形式，從而影響到污染物的遷移，尤其是在環流結構顯著和流速較小的區域容易聚集污染物。

在流速方面，當無風時湖區流速約為0.15～0.3 m/s，5 m/s風速時湖區流速約為0～0.15 m/s，10 m/s風速時湖區流速約為0～0.1 m/s，可以看到隨著風速的增加，各個湖區的流速呈現減小的趨勢，這是因為汛期洪澤湖湖區盛行風為東南向與出入湖水流流向呈相反的方向，風場作用抑制了洪澤湖的出流。通過對比分析，可知風場是影響洪澤湖湖區流場結構的重要因素，各個湖區存在的逆向環流大部分是在風的作用下而形成，而且風速大小決定了環流強度。除此之外，盛行風會抑制洪澤湖的出流，且風速越大抑制作用越明顯。

圖4 不同風速下洪澤湖溧河洼區水流流場分布圖

圖5 不同風速下洪澤湖南部湖區水流流場分布圖

圖6 不同風速下洪澤湖東部湖區水流流場分布圖

3.2 吞吐流對流場的影響

吞吐流是湖泊中湖水運動的主要形式之一[8-10]。為了研究吞吐流對洪澤湖流場結構的影響，選取淮河流域2007年洪水年的水文資料作為模型的出入湖邊界，在淮河入湖口給定2007年實測流量過程，三河閘出口給定2007年實測水位過程，其余各出入口均以源匯項給定2007年實測流量過程，相比2013年加大了吞吐流的流量，同時給定5 m/s風場，其計算結果如圖8所示，與2013年流場模擬圖(圖4～7)對比發現：溧河洼A區域和成子湖D、E區域的流場結構與2013年基本相同，仍存在相似的逆向環流；而在南部湖區的B區域逆向環流減弱，僅在湖岸周邊有微弱的流場存在；東部湖區的C區域逆向環流基本消失，但是吞吐流作用加強。由此可知溧河洼湖區和成子湖區的流場結構主要受風場影響，南部湖區和東部湖區的流場結構受風場和吞吐流共同影響，且吞吐流為主導因素。加大吞吐流量后，流速也隨之增大，由原來的0～0.15 m/s增至0～0.6 m/s，尤其是三河閘出口處流速增長最大，流速峰值可達到1.8 m/s。

圖7 不同風速下洪澤湖成子湖區水流流場分布圖

圖8 2007年5 m/s風速下洪澤湖各湖區流場分布圖

4 結 論

本文采用MIKE21建立了洪澤湖二維水動力模型，通過對模型參數進行校準，模型可以較好地對洪澤湖進行數值模擬，進而借助該模型展開了不同強度風場和吞吐流作用下的洪澤湖流場變化分析，得到以下主要結論:

(1)大型淺水湖泊的流場結構是決定污染物遷移過程、水體交換頻率和水環境質量的重要條件，本文所展開的研究可以為洪澤湖水生態環境提供相應流場分布情況。

(2)風是影響洪澤湖流場結構的重要因素，風速的大小對洪澤湖區的環流結構影響較小，但對環流強度影響較大，即風速越大，則環流強度越大，而且由風形成的逆向環流多存在于凸岸。同時，風場的作用會影響洪澤湖的出流能力，湖區流速隨風速的增加呈減小的趨勢。

(3)吞吐流是影響洪澤湖流場結構的主要因素，吞吐流是湖泊水流的主要驅動力且吞吐流對出入口局部水域水流流態有較大影響。

(4)洪澤湖的溧河洼區和成子湖區的流場結構主要由風場決定，而南部湖區和東部湖區的流場結構由風場和吞吐流共同決定且以吞吐流為主。