基于MIKE21的人工湖生态调水的水动力数值模拟

甘建军 李灿

摘 要：以某一平原地区人工湖为例，通过人工湖立面形态的确定，综合景观需求及项目区现状工程的建设情况，确定了人工湖的常水位与洪水位。根据湖泊形态及湖泊水体交换堤的方案布置，基于MIKE21对人工湖的生态调水进行数值模拟，结果表明：通过控制进出口的闸门启闭时间、加载风场、增加内循环可以改善湖区的水动力。通过该研究可以为类似的人工湖运行调度提供一定的借鉴作用。

关键词：人工湖 生态调水 水动力

1.数学模型

1.1模型简介

本次采用丹麦MIKE21水力学模型，计算了湖区在不同进出水口水量分配，不同循环组

1.2模型求解方法

采用交替方向隐格式（ADI）求解二维浅水潮波方程，方程矩阵采用双消除法（Double Sweep）求解，该格式具有二阶精度。对流扩散方程采用QUICKSET法进行离散，其差分格式为时间前差，空间中心差。

2.模型建立

某人工湖建成后与水闸外的周边河网相对独立，因此湖区水位可实现人为控制。为保证湖水相对河网只出不进，其正常水位应高于河网水位，高出程度由人们对湖区的观赏性要求确定，需要综合湖面大小、排涝条件、景观设计、周边开发模式等综合因素确定。经确定，人工湖湖区正常水位为3.5m；运行水位为3.2m时，可以通过出水口向周边河道排水；设计高水位为3.6m，设计高水位湖区库容为285万m3。

（1）计算网格划分。本次采用10m（△x=△y=10m）矩形网格对湖区地形进行划分。

（2）边界条件。初始条件：湖面高程（3.1m、平均水深约3.0m）、初始计算浓度；边界条件：引水量按3万t/d，保持进出水量平衡。

3.数值模拟结果验证

采用MIKE21水力学模型，结合本次拟定的3个生态水循环布置方案，模拟人工湖湖区流场及流速分布。

（1）方案一计算结果。方案一人工湖湖区流场图及流速分布图见图2。

从图可见，方案一中心湖区整体流速相对较小，一般在0.0002m/ s以下。其中主湖区开阔水域流速较小，且由于水面开阔，形成局部小环流；往东水面缩窄后，流速有明显增加。此外，由于内进口处河道靠近湖泊主出水口，因此流速也相对较大，并沿河道从东往西至内出口2形成自然的循环，但总体流速仍较小。连接内循环出口1的河道及北侧2条闸上河道基本上是水流的隐蔽区，这部分区域参与循环的水体较少，容易形成死水区。

（2）方案四计算结果。方案二人工湖区流场图及流速分布图见图3。

方案二中没有加入吞吐流量，仅考虑风场对湖区水流产生影响。但对于河道的流场则有较为明显的变化，方案二河道的流速明显减少，特别出入口河道，流速从0.02～0.04，下降到0.005以下。说明风生流对湖区流场有较大影响，但对河道影响较小。

（3）方案三计算结果。方案三人工湖区流场图及流速分布图见图4。

方案三同方案一相比，加入了内循环系统，即内循环进水流量0.69 m3/s，出口流量按堰控制，内出口1堰高于水下0.1m，内出口2堰高水下0.2m。方案三由于增加了内循环系统，循环水量增加，大部分湖区的流速要大于方案一；从流速增加量来看，中心湖区的流速增加量要明显小于三个小湖区以及中心湖区南侧的河道，说明内循环水量多从河道及三个小湖区循环后流出，而进入中心湖区的循环水量则较少。

4.结语

通过MIKE21模型可以模拟人工湖区在不同进出水口水量分配，不同循环组合模式下的流场情况。各进出水口河道在没有水量进出时，容易成为循环的死角，因此，在运行调度时，各进出水口均需要适当开启。内循环可有效提高中心湖区南侧河道及东部三个小湖区的水量循环，但内循环水量进入中心湖区开阔水域的则相对较少。此外，有风的情况下，内循环对增加湖区流速的效果更为显著。

总体来说通过MIKE21模型在模拟湖泊水动力成为了一个有效的工具，可以用来评价湖泊的各种引调水各种管理方式，为将来制定湖泊的管理措施提供一定的支持和帮助，同时也可以为进一步建立湖泊的水质模型提供基礎。

参考文献：

[1]吴坚.太湖水动力数值模拟[D].南京：中国科学院南京地理与湖泊研究所，1993.

[2]韩龙喜，张防修.博斯滕湖湖流及矿化度分布研究[J].水利学报，2004， （10）：100-105.

[3]周雪漪.计算水力学[M].北京：清华大学出版社，1995：341-370.