风场对人工浅水湖泊水动特性影响研究

李国林

（中铁十九局集团第五工程有限公司，辽宁 大连 116100）

0 前言

信阳高新区海营生态城充分利用生态资源进行规划设计，提升现有绿化环境，将海营片区打造成信阳市的生态标杆，如意湖便是该项目的起步区。如意湖整体设计为“L”形，这样很容易使湖泊水体出现流动性较差的死水区，导致水体得不到充分交换。因此对如意湖的水动力特性开展研究具有十分重要的意义。

1 研究区域及模型建立

1.1 水动力理论

研究采用了二维水动力数值模型，该模型基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并运用了静水压力和Boussinesq的假定。具体表达式如下。

水流连续方程：

X、Y方向水平动量的方程：

式（1）（2）（3）中：η为水位；d为静止水深；h=η+d为总水深；u、v分别为深度平均流速x、y方向的分量；f为科氏力系数，f=2ω sinφ，ω为地球自转角速度，φ为地理纬度；sxx、sxy、syx、syy为辐射应力张量分量；Txx、Txy、Tyy 为水质点侧向应力，包括粘滞摩擦力、紊流摩擦力、对流力等；τsx、τsy分别为湖面风摩阻x、y方向的分量；τbx、τby分别为湖底风摩阻x、y方向的分量。

1.2 研究区域及模型建立

如意湖是信阳市海营生态智慧城起步区项目的核心部分，文章通过构建水动力模型来探究风场对湖泊的水动力特性影响。首先构建出模型的边界，并对边界进行平滑处理，模型边界每4 m 设置一个点，建立了2 262 个非结构网格，1 251 个节点，网格面积为19.76 m2，如意湖的湖水来自北侧海营水库，并通过跌水花瀑流入湖区，入口为特定流量入流；出口通过南侧溢流堰出流，如意湖中设有一座岛屿名为如意岛。湖泊的正常水位为110.70 m，湖平均水深为1.50 m，湖面面积为2.30万m2，水量约为3.40万m3，平面设置与网格划分如图1所示。

图1 如意湖网格划分图

1.3 参数的率定

干湿边界：采用干湿动边界处理技术，干水深设置为5×10-3m，淹没水深设置为6×10-3m，湿水深设置为0.10 m。即当计算区域水深小于5×10-3m时，计算区域为“干”，不参加计算；当水深大于0.10 m时，计算区域为“湿”，参加计算。

糙度：考虑如意湖底部地形的变化和植物生长情况，取粗糙系数为0.031。

为解决流体所引起的雷诺附加应力，涡粘系数取0.28 m2/s。

1.4 设计方案

对特定流量下不同风场工况进行模拟，月平均风速为2.54 m/s，模拟时长为3 d，具体工况见表1。

表1 设计工况表

2 结果与讨论

2.1 如意湖的水动力分析

如意湖在工况1条件下的湖区流速场如图2所示，水流整体由北向南，在如意湖入口处、出口处及如意岛的东南侧流速较大，其他区域流速较小。受湖泊形状的影响，湖区内形成了一处顺时针环流，位于如意湖入口处的西侧，流速在0.20～1.50 cm/s。另外形成两处逆时针环流，一处位于如意湖入口处的东侧，这是由于受湖泊边界影响，湖区主要通道与入水口东侧流速的差距较大，所以形成了逆时针的环流，流速在0.02～0.50 cm/s；另一处位于出水口对面北侧，由于湖泊边界形状不规则，湖区主流方向与岸边走向相反，所以形成了一个较大的逆时针环流，流速在0.01～0.70 cm/s。

图2 无风作用下流场图

2.2 风场对水动力的影响

通过对比5 组不同工况的流速场（如图3）可知，水流流速大小分布与无风工况下相差不大，在如意湖入水口、出水口和如意岛东南侧过水断面变狭窄区域流速较大，其他区域流速相对较小。

图3 各工况流场图分布图

北风工况下，风由北吹向南，风向和水流方向相同，湖区内大部分水体流速方向的都是由北向南流动，受如意湖岸线形状影响，湖区形成两个逆时针环流，在入水口东侧形成一个很小的环流，流速为0.03～0.50 cm/s；在出水口对面形成一个较大环流，流速为0.10～1.50 cm/s，两处环流对比无风条件下都较小。

东风工况，水流在上半部分受风场影响较小，因岸线影响在入水口东侧形成一个逆时针环流，流速为0.07～2.00 cm/s，入水口西侧形成一个很小的顺时针环流，流速为0.06～1.30 cm/s，南侧部分水流流向为由西向东，风向为由东向西，并且受湖泊岸线形状影响，主流区水流由西向东，湖湾区形成了4 个大小不等的环流，流速为0.10～3.00 cm/s，其中主流区以上的两个环流为逆时针环流，主流区以下两个环流为顺时针环流。

南风工况下，水流整体流向与风向相反，受湖泊形状影响易产生环流，在南风作用下共形成8 处环流，其中有四处顺时针环流，四处逆时针环流，在入水口有两个环流分布于主流区的东西两侧，其中东侧为一个较大的逆时针环流，流速为0.12～2.30 cm/s，西侧则为一个较小的顺时针环流，流速为0.10～1.30 cm/s；在未进入如意岛之前由于地形西影响有两处环流，一处为顺时针环流流速在0.15～1.30 cm/s，一处为逆时针环流流速为0.06～1.50 cm/s；在如意湖湖区南部有4个环流，它们以如意湖出口对侧北岸为界，西侧有两个顺时针环流，东侧有两个逆时针环流，流速为2.50×10-3～2.50 cm/s。

西风工况下，如意湖在入水口西侧形成了一个顺时针环流，流速为0.15～1.50 cm/s，在西南侧形成一个逆时针、一个顺时针环流，流速为0.03～2.50 cm/s。

3 结论

建立二维数学模型研究如意湖的水动力特性，对比研究相同流量不同风场下水动力特性变化规律得出结论：①如意湖在无风条件下，水流整体由北向南流动，但在湖区内由于流速的差异较大形成了一个顺时针环流和两个不同大小的逆时针环流。②通过探究相同流量下风场对水动力特性的影响，发现东风和南风作用对流场的影响较大，这是因为如意湖湖区流向与风向相悖，使得湖内产生了顺时针或逆时针环流；如意湖湖区流向与风向相符，北风和西风对流场影响较小，湖区内也存在顺、逆时针环流，但数量较少。