基于Mike21流场分析的人工湖设计研究

石梦洁 胡 操

（安徽省城建设计研究总院股份有限公司 合肥 230051 南京市长江河道管理处 南京 210000）

近年来，生态健康等观念深入人心，构建山、水、城之间的和谐关系成为城市的发展方向之一。在具备合理性和可行性条件的前提下，人工湖的开发便是将自然与人和谐统一的良好手段，在城市改善生活环境、城市整体景观品质、城市魅力及城市投资环境的提升等方面具有相当的意义和价值。鉴于此，人工湖生态设计研究被广泛重视并推广。本文利用Mike21软件通过对念湖风生流和吞吐流模拟研究，分析念湖设计方案的合理性，为念湖生态设计提供了一定的科学依据与技术支持。

1 念湖概况

念湖位于安徽省合肥市长丰县下塘镇中心位置，南临庄墓河主源，东接瓦东干渠，北挨下塘镇规划核心区，西至凤麟大道，为整个镇区的景观中心，建设面积80亩。湖体以结合周围景观以及绿地采用适当的开挖方式成湖，湖体平面成环状，设计岸线平曲交错，具有一定的形态美感，东侧湖区内有三处小岛，西边湖心岛由道路连接南北两岸。东西均规划有相应衔接河道，引补顺畅。

2 研究模型构建

2.1 数值模型

运用Mike软件对念湖流场进行模拟，Mike21是Mike软件中的二维模型模块，该模型运用了三向不可压缩方程以及Reynold值均分布的Navier-Stokes方程，同时也运用了静水压力的假定和Boussinesq假定。二维非恒定浅水方程组为：

图1 流场模拟网格划分及水深分布图

图2 风生流模拟结果图

图3 吞吐流模拟结果图

式中：t为时间，η为水位；h=η+d为总水深，u和v分别是x和y方向上的速度分量，x，y为笛卡尔坐标系坐标，f是科氏力系数，g为重力加速度，sxx，sxy，syy分别为辐射应力分量，S为源项，ρ为水的密度。

2.2 边界条件

通过利用已有的念湖范围和设计水深，利用SMS进行网格划分，然后进行网格内部高程插值后导入MIKE中进行模拟，分风生流和吞吐流进行模拟。给定的风生流边界条件为东北偏东南风2.7m/s，吞吐流边界条件为进出口流量分别设置为3d完成补水流量0.36m3/s，5d完成补水流量0.21m3/s，7d完成补水流量0.15m3/s。

2.3 网格划分

首先根据编制范围提取出计算范围的边界线；其次利用基础地形图等数据提取高程，分别以（x，y，z）坐标格式的*.xyz格式文件进行保存；最后根据大湖计算对地形的要求按照最大网格不超过0.01km2的三角形网格对DEM进行剖分，对主要沟渠、重要地区、地形和平面形态变化较大地区提取为（x，y，z）坐标格式的*.xyz格式文件进行保存，用于网格加密剖分。

此次将念湖网格划分为10000个三角网格。图1为将设计的水位线通过散点的形式以(x，y，z)的形式导入网格后得到的mesh文件。其中颜色越深，水深越深，最深水深为2m，主要集中在念湖中央。

3 研究结果

3.1 风生流研究结果

在给定风速边界条件后模拟得到的念湖无补水条件下稳定水深流场分布图（见图2），通过给定风速2.7m/s，全年多为东北偏东南风，模拟风场条件下念湖的流场变化。其中箭头表示流速方向，在该风场条件下，整个湖区基本都受到了风生流的影响，湖心水流流程较长，整体基本无死水区，因此可认为库区地形设计基本符合要求。

3.2 吞吐流研究结果

在给定流量边界条件后模拟大湖3d、5d、7d完成补水的情况，通过给定进口和出口流量，并都分别设为0.34m3/s、0.20m3/s、0.14m3/s，模拟补水条件下念湖的流场变化。其中箭头表示流速方向，模拟出来的结果表明：补水期间，整个湖区水动力条件较好，死水区和缓流区面积相对较小。从图看出，3d完成补水期间湖区流速快的区域较大；7d完成补水湖区水域流速局部区域变化大，总体平稳，效果较好；5d完成补水效果居中。

4 结语

（1）采用Mike21软件模拟计算流场，风生流模拟结果表明湖心水流流程较长，整体基本无死水区，可认为库区地形设计基本符合要求；吞吐流通过对比三种补水流量方案，结果表明7d完成补水效果最佳。

（2）基于流场分析模拟湖泊流场的结果可应用于城市人工湖前期的湖形设计与补水的优化设计，获得的念湖引水过程中湖泊流场的变化及湖泊的死水区域，为生态建设及辅助设施的布置提供了依据。

（3）使用Mike21软件研究念湖生态设计及可行性，为设计提供了一定科学依据与技术支持■