景观湖生态供水优化数值模拟研究

胡帅张婧

（1.天津市水利勘测设计院天津市300204；2.西华大学能源与动力工程学院成都市610039）

景观湖生态供水优化数值模拟研究

胡帅1张婧2

（1.天津市水利勘测设计院天津市300204；2.西华大学能源与动力工程学院成都市610039）

利用平面二维数学模型，文章模拟了某人工开挖的景观湖在不同供水方式和供水流量下的水流流场。模拟结果说明，同级流量下分散供水比单点集中供水更能有效提高湖内整体水流流速。按分散供水方式，不同量级的供水流量下湖区内水流运动速度与来水量呈正相关关系。为保证湖区内水体的流动性，在与生态治理方案相协调的前提下，应该尽可能增加湖区分散供水点的流量。

人工湖供水二维数值模拟流场

前言

自工业革命以来，工业制造、科技教育、贸易流通等均以城市作为其主要的发生地点。伴随着社会经济的快速发展，城市吸引了大量人口聚集，成为了现代社会人类繁衍生息的主要单元[1]。城市具有经济功能和生态功能的二元性，在提供大量物质和信息的同时，容易引起生态关系的失调，降低城市环境质量[2]。人工景观湖的修建不仅可以美化城市的面貌，还可以改善单一的生态群落，为动植物的多样化提供条件，另外也增添了人们亲水娱乐的活动场所。

景观湖是一个相对封闭的水域，由于干湿沉降和地表径流的影响，及内源释放的影响下，湖内易形成浮游植物为主的藻型浊水生态系统。随着时间推移，藻类生物量增大，水色变绿，会逐渐形成水华，在一些区域富集腐烂分解有机质增加，出现黑臭现象[3]。要防止湖内水质恶化，一方面需要构建初级生产力以高等水生植被为主要生物组分的草型清水生态系统[4]；另一方面保证湖内水体的流动和交换，达到最大程度地遏制藻类的生长、繁殖以及水体富营养化进程的目的，保证景观湖的正常功能发挥。因此，在考虑经济效益的情况下，需要对景观湖的供水方案进行优化[5]。本文采用平面二维数学模型对成都某景观湖在不同供水条件下的湖内流场进行模拟，通过方案的对比研究提出供水方案的建议。

1 研究湖区概况

研究湖区由两个联通的人工湖组成，分别称为1#湖和2#湖，两湖采用涵洞直接贯通，水域表面联通，湖区水域的主要参数列于表1。

表1 研究湖区主要参数

湖区的进水水源直接来自于附近水系河流，外源污染营养盐输入负荷重。一定量的水体交换可以加大污染物、营养盐和藻类等的损失率，避免湖区内高污染区的出现。然而，构建的清水型生态系统具有水质自净的能力，要求湖泊必须有一定的水力滞留时间，这样水质才能得到充分的净化。综合考虑以上两个方面对水体交换量的要求，根据湖内水质的需求，设置最长水力滞留时间，确定最小的水体交换量，即生态流量，以节省水资源，降低工程成本。夏季湖内营养盐浓度较高，设定其水力滞留时间为7天以下，即从附近水源引入的生态需水量为0.78m3/s。鉴于湖区面积较宽阔，分散供水和提升入湖流量均有利于水体的交换，本文分析了集中供水和分布供水方式对湖区水体流动的影响。考虑到远期供水水源的供水能力提升，湖区还设置了远期集中供水的引水管道。湖区的形态及供排水管道的位置如图1所示。

图1 湖区水域形态及供排水位置示意图

2 平面二维数学模型

2.1 基本方程

在笛卡尔坐标系下，沿水深平均的平面二维流动基本方程为：

式中U、V——垂线平均流速；

z——水位；

H——水深；

C=1/nH1/6——谢才系数；

f=2ωsinφ（ω——地球自转角速度，φ——当地纬度）为柯氏力系数；

g——重力加速度;

Vt——涡粘性系数。

由于天然河道具有不规则的边界，为了更好地模拟边界附近的流动，并同时减小计算所需网格节点，在天然河道的流场计算中通常采用正交曲线网格或非结构化网格。本次模拟采用非结构化网格，利用控制体积法离散控制方程，且使用追赶法进行求解。在计算过程中，采用了欠松弛技术、块修正技术以增强迭代过程的稳定性并加速收敛，收敛标准取为误差流量源与入口流量之比小于0.5%。上边界采用进口断面流量过程，下边界采用出口断面水位过程。

2.2 计算范围

根据附近水源的供水条件，近期设5处进水口，远期预留一处进水口，设出水口一处，出口位置采用水位控制。湖区采用四边形网格进行模拟，为较好模拟各小尺度供水点位置处的水流运动，计算网格局部细化，局部网格面积小于10m2，其它区域网格计面积小于50m2，计算区域共剖分为5763个节点，10343个网格。图1显示了模型的计算网格，水域的基本形态以及湖底高程分布示意图。

2.3 计算工况

为分析供水方式对湖区水体运动的影响，首先计算了单点集中供水（从4#供水口供入生态流量0.78m3）时的流场，然后计算了同流量条件下5点均布供水时的流场。考虑加大供水流量改善水体交换条件，计算了采用均布供水方式多级供水流量时的湖内流场情况。鉴于未来可能的供水条件，综合供水方式及流量增大对水体交换情况的改善，提出优化方案，计算出远期同时集中供水和均布供水情况下的流场。表2为模型计算的工况汇总。

表2 模型计算工况

3 模拟结果分析

根据表2的工况，通过二维水流数学模型可以得到湖区模拟流场图，如图2～6所示。本文从供水方式和供水流量两个方面来分析湖区流场。

图2 集中供水（Q=0.78m3/s）时流场

图3 均布供水（Q=0.78m3/s）时流场

图4 均布供水（Q=2.5m3/s）时流场

3.1 供水方式

按生态需水量单点集中供水时，湖区流场如图2所示。除4#供水口附近局部水流流速可达0.03m/s以外，深水区流速普遍较低。整个湖区范围水体流速普遍较低，尤其是远离供水点区域，水体几乎不运动，湖区的西侧大面积水体接近静止状态。

图5 均布供水（Q=5m3/s）时流场

图6 集中供水(3.5m3/s)+均布供水(0.78m3/s)时流场

按生态需水量多点供水时，湖区流场如图3所示。由于流量较小，除供水点附近水深较浅的湿地区以外，湖区范围内流速仍然较小，普遍低于0.01 m/s。但从与单点供水情况相比较，湖区内水流整体运动交换有所增强，尤其是湖区西侧水体，平均流速增加到0.01m/s，全湖范围内水体运动交换显著增强。

为保证湖区左侧（西侧）水体能参与交换，左上方的进水点是必须设置的，而为保证1#湖右侧内湿地的水体流动，右下方的进水点也是必要的。所以，总体而言，布置的5个进水点是合适的。

3.2 供水流量

按5点均布供水的方式给湖区供水，生态流量的供水流量下整个湖区范围内的水体交换增强，但流速仍然普遍较低。若能增加供水流量，对改善湖区水体运动有利。当总来流量达到2.5m3/s时，单个供水口供水流量为0.5m3/s，湖区流场如图4所示。湖内流速总体有所增加，一般可达（0.01～0.02）m/s，但中心深水区仍有流速不到0.005m/s的区域。在2#湖区的近出水口处能形成高速的水流漩涡，有利于带动附近水体的运动。

若能进一步增加供水流量，当总来流量达到5 m3/s时，则每点供水流量为1m3/s，湖区流场如图5所示。由于各点供水能力增加，对促进湖区水体整体流动有利，湖内流速总体有所增加，一般可达（0.012～0.03）m/s，湖区内最小流速约0.005m/s左右。各供水口位置处，顺来流方向，将形成流速较高的条带，由于流速梯度的存在，相对高速运动水体带对带动周边水体运动交换是有利的。

由此可见，在供水流量较小时，湖区内流速普遍较低，随着供水流量的增加，水体流动速度与来流量呈明显的正相关关系。为保障湖区水体流动，即不出现静水区，在投资成本允许的条件下，应该尽可能增加供水流量。

3.3 远期集中供水

若按远期规划，根据供水条件，附近水系还可额外供给3.5m3/s，从预留左侧供水点集中供入，原5点分散供水模式不变，仍按生态流量（0.78m3/s）分散供水，湖区流场图如图6所示。从图可以看出，集中供水点附近流速增加明显，局部流速可达到0.03m/s以上，湖区内低流速区有所压缩，仅局部深水区出现流速小于0.002m/s的流区。但是，集中来流将选择水深较浅的浅水区运动，对深水区水体驱动作用不明显，对湖区范围内的水体交换改善作用不明显。可见，单一增大集中供水流量并不能有效改善湖区整体的水流状态，需要在分散供水方式下增大流量才能更好地驱动湖内水体交换运动。有鉴于此，建议未来远期供水流量仍按分散供水原则，把来流分散至现有供水点，将对改善湖区水体整体交换有利。

4 结论

本文按不同供水方案计算了湖区内的流场情况，通过对比分析水流流动特性，得到如下结论：

（1）通过供水方式（单点集中供水与多点分散供水）比较可见，采用分散供水模式，对增加湖区水体的整体流动性有利，湖区设计的供水点布局较为合理，在供水流量有限的情况下，尽可能地增加了湖区水体交换。

（2）按生态需水量向湖区供水时，因流量较小，湖区范围内水体流动性较差。根据设计的供水通道布置情况，可酌情在特定时段加大湖区供水流量，更有利于水体交换。

（3）按分散供水方式，通过加大供水流量，对增加湖区水流流速有利，但限于湖面范围较大，湖区内水体只能缓慢流动，部分湖区流速在0.005m/s以内。湖区在供水流量（2.5～5.0）m3/s时，湖区内水流流速随流量增加而加大，低流速区范围则有所减小，供水流量达到5.0m3/s时（分散供水），湖区内水流流速普遍在0.012m/s以上。

（4）未来远期集中供水叠加生态流量分散供水的方式仅能驱动集中供水口附近浅水区的水流运动，对其他范围的水体交换改善不明显。根据分散供水条件下加大供水流量有利于提高湖内普遍流速的结论，建议将远期集中供水流量分散至现有供水点，更有利于湖内水体交换。

5 结语

人工湖的修建为单调乏味的城市景观增添了亮色，也是生态景观的重要组成部分，可以显著提高人居环境的舒适性。与此同时，由于与流域水系不连通，人工湖易成为污染物的富集地，藻类植物的生长也会降低水质，使湖区丧失原有的景观功能。本文利用平面二维数学模型模拟了不同供水方式和流量下湖区的流场情况，根据模拟结果对最优方案提出了建议，可为同类型景观湖区的建设和维护提供参考。

[1]蔡莉.中心城市的城市人口迁居因素研究——以成都市为实例[D].成都：四川大学，2003.

[2]石忆邵.城市生态用地与城市竞争力关系[J].广东社会科学，2013，（6）:5-11.

[3]曾峥.新建人工湖水质演变及影响因素研究--以重庆大学虎溪校区人工湖为例[D].重庆：重庆大学，2007.

[4]张锴，刘源，龙伦明.成都地区人工湖富营养化现状与防治措施[J].环境保护科学,2013,39（3）:34-37.

[5]卢慧，宁亚伟，袁永龄.基于EFDC模型的人工湖生态换水优化计算[J].水电能源科学,2013,31（4）:100-102.

2017-02-24）

胡帅（1986-），女，湖南益阳人，硕士研究生，工程师，主要从事水工结构设计工作。