綠色生態功能片區水系循環模擬分析

王 彬

（天津濱海旅游區投資控股有限公司，天津 300480）

天津市是資源型缺水城市，隨著社會經濟的快速發展，水環境與社會發展的矛盾尤為突出。為科學有效地實現水量優化配置及水動循環連通，學者進行了大量模擬研究，其中建立DHI MIKE數學模型是水系循環模擬的一種方法。吳思等[1]、馮靜[2]、李昂澤[3]、李明[4]利用DHI MIKE軟件在武漢市典型雨水系統評估、海洋工程環境評價、內澇風險評估，城市洪水模擬等方面進行研究。本文在前人研究成果基礎上，建立模型，通過新建或改建水工構筑物連通各獨立水體，實現水系的連通，達到區域內部循環。

1 水系循環數值模擬建立

1.1 工程概況

中新天津生態城旅游區南部現狀水系主要有貝殼堤公園、中央大道東側水渠、生態公園一期、生態公園二期、南堤公園、河口公園、海堤公園等相對獨立、大小不一的水體，見表1。

表1 現狀水系

目前存在水系之間不連通，無補水來源及排澇出路等問題。南部水系各公園水體、中央大道東側水系的連通，是區域水系功能發揮的基礎。為實現區域的水質達標，水系的排澇、循環功能是必要手段，其前提即水系的全面連通。打通中央大道東側水系各阻水節點，同時采用輸水管線連通各公園水體，使中央大道東側水系—生態公園一期—生態公園二期—南堤公園—河口公園—海堤公園—3號雨水泵站—貝殼堤公園成為環狀連通水系。為實現南部水系的連通，共涉及10個連通節點，根據各節點現場實際情況及路面下現有管線情況，確定節點形式及規模。見圖1。

圖1 水系布局及連通節點

1.2 數值模擬建立

正常情況下，除雨水補給外，南部水系缺少水源，水系水體流動緩慢、交換能力不足，易使一些區域形成死水區。與正常河流相比，水流放緩使入流水體帶入的營養鹽類大量集聚，造成水體營養物超標和藻類快速繁殖生長，最終使水環境逐步惡化。為保證南部水系水體交換能力，利用現有3號雨水泵站作為提水循環泵站，形成內部自循環。采用DHI（丹麥水力研究所）開發的平面二維數學模型MIKE21進行模擬計算[5～8]。

根據貝殼堤公園、生態公園、南堤公園施工圖和中央水系測繪斷面、概化管道及連通節點等基礎數據，構建南部水系地形圖。研究區域面積約429 hm2，模型構建面積約107 hm2；網格尺度0.2～12 m，網格數量19 807個。見圖2。

圖2 南部水系地形

1）工況設置。循環水量的確定主要依據換水周期及流速，模擬歷時10 d。見表2。

表2 排澇工況設置

2）邊界設置。利用現有3號雨水泵站作為循環泵站，形成內部水體自循環。遵循排澇泵站功能設置，循環方向為逆時針，見圖3。

圖3 循環方向

2 水循環模擬分析

2.1 對流擴散情況

2.1.1 工況一

循環流量為1.0 m3/s，循環10 d后，水體交換仍不徹底。見圖4。

圖4 工況一對流擴散

2.1.2 工況二

循環流量為2.4 m3/s，循環5 d后，水體交換比較徹底；10 d后，水體可整體交換一遍。見圖5。

圖5 工況二對流擴散

2.1.3 工況三

循環流量為4.8 m3/s，循環5 d后，水體交換已徹底。見圖6。

圖6 工況三對流擴散

2.2 換水周期

循環流量為1.0 m3/s時，大部分水體換水周期為8 d以上；循環流量為2.4 m3/s時，大部分水體換水周期為4～7 d；循環流量4.8 m3/s時，大部分水體換水周期為2～4 d。見圖7。

圖7 各工況下換水周期

2.3 循環流速

3種循環流量下，河道各點位流速均處于低流速（流速＜10 cm/s）狀態；各工況流速平穩。見圖8。

圖8 各工況下水體流速

3 結語

綜合換水周期和水體流速，初步確定南部水系循環方案為循環流量2.4 m3/s、3 d間隔運行。此外，貝殼堤公園東北側水域循環線路長、水體交換緩慢，建議在保證連通性的同時，通過推流、曝氣等措施加強換水能力。

模型的建立為中新生態城南部區域構建區域協調、循環良好、水量保障、水質改善的水生態系統提供了實質性的技術支持，為相關研究提供新的借鑒方法，也為相關主管部門提供更好地管理依據。