平原地区人工景观湖水动力模型试验与研究

陈 娟，潘秀华，张正扬

（1.常州市长江堤防工程管理处，江苏 常州 213000；2.泰州市城区河道管理处，江苏 泰州 225300；3.瓜州闸管理所，江苏 扬州 225129）

1 概述

近年来，随着社会的发展，城市规划发展中人工景观湖建设越来越多。由于人工景观湖自身生态脆弱和水质不稳定的特点，特别是平原地区，水流动力性小，致使有些人工景观湖经过短暂的运行后，水质发生了恶变[1]，水发黑发臭或藻类泛滥，影响景观环境甚至人类健康。因此，对人工景观湖的水动力研究很有必要。

人工景观湖一般通过引水、换水的方式来稀释水中污染物，达到自净的效果。人工的河道、湖泊水流结构和河床演变过程相对复杂，通过物理模型试验可以模拟天然湖泊的演变过程及发展趋势。本文采用物理模型对人工景观湖流场分布进行试验研究，选择进水水源，推荐进出口，使得整个湖区有较好的水动力。

2 基本资料

2.1 自然地理资料

上海地处长江三角洲前缘，东濒东海，南临杭州湾，西接江苏、浙江两省，北界长江入海口，正当我国南北海岸线的中部，交通便利，腹地广阔，地理位置优越，是一个良好的江海港口。上海境内除西南部有少数丘陵山脉外，全为坦荡低平的平原，是长江三角洲冲积平原的一部分，平均海拔高度为4 m左右，陆地地势总趋势由东向西低微倾斜。

上海嘉定“新城中心区核心景观区”以远香湖为主体，地处嘉定新城核心区的中轴的东端，向四周辐射。人工景观湖“远香湖”是嘉定区域内有统领作用的水面，也是“千米一湖”规划中最大的一个湖面。远香湖形态以“海”字为意象，与位于中轴西端的F1赛道的“上”字形态呼应。

人工景观湖“远香湖”主景区规划范围为：西至富蕴路，北至白银路，东至横沥河，南至伊宁路，面积约为1120 m×980 m。该规划范围内地势平坦、低洼，设计地面高程为4.50 m，河底高程为-1.0～-0.5 m，一般均在-1.0 m左右。

2.2 水位资料

根据上海嘉定区水务局提供的水文资料，嘉定区南门地区（白银路至伊宁路的横沥河）的水位情况见表1。南北向横沥河为远香湖所在区域的主要来水河道，水质情况较好，水位北高南低，但水位差很小，南北水力坡降约为1/100000。

表1 白银路至伊宁路的横沥河水位

2.3 工程资料

人工景观湖“远香湖”的规模、形状具体图1所示。

图1 远香湖平面布置图

3 物理模型试验研究

3.1 模型设计与制造

依据相似性力学原理及原型条件设计、制造模型和进行模型试验[2]。模型试验就是按照相似准则，将原体实物制成模型，根据其所受的主要作用力，进行试验研究。相似模型的类型主要分为：完全相似模型、近似相似模型、正态模型和变态模型，在实际工程应用中一般是采用正态相似模型。为保证水流各种局部现象都保持相似，本次模型试验采用正态定床模型。

3.1.1 模型比尺

根据重力相似准则，模型按重力相似的Fr准则设计，即根据人工湖规划尺寸和面积，结合场地条件，选择合理的模型比尺，确保模型试验真实可靠，拟取模型几何比尺Lr=Lp/Lm=35，由重力相似定律可得其它水流要素相似比尺，具体见表2。

表2 水流要素相似比尺

3.1.2 模型布置

模型为立体架空结构，可直观地观测流场流态等情况。模型范围取“海”字水系的主体部分，按1：35的比尺制作模型，模型主体范围约为28 m×32 m。模型底板高程用精密水准仪对每个定位坐标点进行校准，在角钢支架上铺设泡沫展板垫层，保证模型底板高程精度控制在0.2 mm之内。在6个进、出水口处分别设置了稳流水箱、控制流量用阀门，在模型中心处设置一水流进出交换用压力水箱，通过管道与6个进、出水口处的稳流水箱连接，在与横沥河相通的3个进、出口处，模拟了横沥河，以便进行自流工况等的试验研究，同时采用循环水泵提供水动力，以实现水流的循环流动。管道布置图具体见图2。

图2 管道布置图

3.1.3 模型材料

根据模型相似准则关于糙率相似的要求，据模型几何比尺Lr来推求糙率系数的比尺，得到糙率比尺：nr=Lr1/6=1.809。由于常见河道的np在0.013～0.03之间[3]，根据换算后，模型相应的糙率nm应在0.0072～0.0166之间。模型制作中河道采用聚氨酯塑料板和抹光混凝土制作，糙率系数分别为0.0086和0.012在常见河道模型糙率范围内，因此能满足相似要求。模型制作所用材料为：混凝土模拟水体边界，聚氨酯塑料板模拟河底；角钢、槽钢、工字钢等型材用来制作核心景观结构框架、测桥等。

3.2 量测方法和设备

（1）流量：模型流量采用超声波流量计测定，超声波流量计是通过检测流体流动时对超声速（或超声脉冲）的作用，以测量体积流量的仪表。该流量计的流量测试精度高于±0.5%[4]。流量计布置在6条进、出水口管道上以及横沥河上，进出口编号见图3。

图3 模型进出口位置布置图

（2）流态：采用专用悬浮粒子对湖区面层流态进行观察，湖区底层流态采用化学示踪法显示流场，通过该方法能较清楚地展示水体的回流和旋流等流态。

（3）流速：各个断面的模型流速采用超声波测速仪（小型StreamPro ADCP测速仪）[3]，可以确定典型工况下主要断面的流速分布。

（4）水位：水位、水位差等采用水准仪、钢尺以及专用稳压差压箱测定。

3.3 模型试验工况设计

模型试验工况的设计按照循序渐进、逐步完善的原则进行。水动力试验研究工况分成自流工况、自流改进工况、辅流工况和辅流改进工况4个阶段，逐步深入分析、比较景观湖的流场分布情况，不断调整改善景观湖的水动力，最终选择出合理的人工景观湖调水方案。

进出水口在“海”字主体水系中共有6个，根据提供的资料及工程换水水质的实际需要，横沥河为景观湖所在区域主要净水水源，与景观湖有3处水源相通（分别为Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号进出水口），因而将这3处定为水源的主要进水口；另3处定为水源的主要出水口，即与小横沥河相通处（即Ⅳ号进出口），与赵泾相通的东云池及荷香潭两处（即Ⅴ号、Ⅵ号进出口），详见图3。试验中通过控制进水流量，使水位差达到试验要求水位差进行试验。

因此，根据各进、出口的组合、流量、水深等情况，模型试验工况如下：

（4）辅流改进工况

3.4 水动力流态试验研究

水动力流态试验分成自流工况、自流改进工况、辅流工况和辅流改进工况这4个工况进行试验，逐步深入分析、比较景观湖的流场分布情况，不断调整改善景观湖的水动力。试验过程中的面层和底层流场情况可以准确的在整个模型的定位坐标上反映，通过人工记录的方式对整个模型的流场进行绘制，最终以电子图形的形式准确还原整个模型的流场情况。

3.4.1 自流工况试验

在历年最高水位、历年最低水位、常年平均水位这3种工况下进行试验，2个进出口位置的水位差较小，形成的动力不足以克服边界阻力形成水体流动，无法通过自流实现水体自净。

3.4.2 自流改进工况试验

（1）自流改进工况Ⅰ

自流改进工况Ⅰ拆除对主体景观影响微小的小岛5、6，并改4号小岛为直立坡进行测试。在横沥河原型常水位▽P=2.58 m和历年最低水位▽P=1.91 m，2个水位下的水位差较小，形成的动力不足以克服边界阻力形成水体流动，无法通过自流实现水体自净。

（2）自流改进工况Ⅱ

局部抬高横沥河水位，适当抬高“海”字主要进出水口水位差（非横沥河水位差），以提升水流动力。当“海”字主要进出水口Ⅰ号和Ⅳ号间模型水位差△Hm=0.0014 m时，即原型为△HP=0.05 m时，有可能通过自流实现水体自净，但需提高主要进出水口水位差，这会影响到横沥河上、下游的水位，现实中很难实现。

3.4.3 辅流工况试验

辅流工况试验是在6个进出口中某位置设置泵站或其它水工建筑物来辅助人工景观湖的水体流动，从而达到水体净化的目的。辅流工况试验设计时，水位以横沥河常年平均水位▽P=2.58 m为主要试验水位，其它水位在工况优化后再作比较；从试验方便观测流态的角度出发，试验中拟定总辅流为Qm=30 m3/h左右，由此换算得原型辅流流量约为60 m3/s，流量取值大小可根据换水时间和泵站过流量关系试验研究结果而定。在此水位和流量条件下采用以下4个工况进行试验。

（1）工况1：Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号分别为进水口，其余3个为出水口。

（2）工况2：Ⅰ号、Ⅱ号分别位为进水口，其余4个为出水口。

（3）工况3：Ⅰ号为进水口，其余5个为出水口。

（4）工况4：Ⅱ号为进水口，Ⅰ号关闭，其余为出水口。

试验结果表明：这4个工况的底层均为为静水区或微速区，水动力不能满足要求，具体见图4～图7。

图4 辅流工况1底层流态示意图

图5 辅流工况2底层流态示意图

图6 辅流工况3底层流态示意图

图7 辅流工况4底层流态示意图

3.4.4 辅流工况改进试验

根据模型试验结果得出最佳工况（辅流改进工况6），水流动力增强，流态进一步改善，最终确定为人工景观湖的最佳进出口组合工况，具体见图8～图11。

3.5 换水时间和泵站流量关系的研究

在最佳工况（即辅流改进工况6）下，我们进行了换水时间和泵站流量关系的试验研究。试验时，在Ⅱ号进水口放置测试换水时间的专用浮子，并在浮子上逐一做标记，用计时器跟踪计时，通过改变流量的大小，测定不同换水流量下所需的换水时间。

图8 辅流改进工况1底层流态示意图

图9 辅流改进工况2底层流态示意图

图10 辅流改进工况3底层流态示意图

图11 辅流改进工况4底层流态示意图

图12 辅流改进工况5底层流态示意图

图13 辅流改进工况6底层流态示意图

经过模型试验得出了不同换水流量下需要的换水时间，运用流量比尺Qr==7247.198和时间比尺Tr==5.916进行换算，得出了原型的换水时间和泵站过流量的关系，具体数据见表3。

辅流泵站规模的可以根据换水时间要求和经济效益综合考虑进行设计，得出更为经济合理的工程造价。

表3 换水时间和泵站流量的对应关系

经过数值分析和曲线的拟合，最终得出了原型的换水时间和泵站过流量的关系曲线，见图14。换水时间和泵站过流量的关系用最小二乘法、三次样条插值函数来拟合，得出关系公式：

（注：此公式在本模型试验条件下，可测试流量内适用。）

举例：当原型泵站过水流量QP=57600 m3/h（即流量为16 m3/s）时，代入式（1）得：

Tp=-7×10-15×576003+6×10-9×576002-0.0016×57600+146.68

=73.089（h）≈ 3（d）

图14 换水时间和泵站流量的关系曲线

4 结语

本文对远香湖的水体水动力情况进行物理模型试验研究，根据地形和水位情况提出多种不同的工况，并通过物理模型试验得出相应的流态示意图，并根据流场来选择合理的人工景观湖进出口方案。文中人工景观湖水动力的研究方法和研究结果具有较强的应用价值，对人工景观湖及同类型的其它工程也有重要的借鉴价值和良好的推广应用前景。