冯丹 田淳 吴月勇

摘要：针对缺水城市人工湖富营养化问题，以引水口数量、位置和引水方式为研究要素，采用MIKE21软件对青海省海东市湟水河治理工程乐都主城段南侧人工湖10种引水方案的引水效果进行数值模拟，分析对比了不同引水方案下水体的换水率，以寻求最佳引水方案。结果表明：主引水口位置应设置在离出水口较远的地方：当引水流量一定时，相较于单一引水口补水方案，多引水口交错补水的方案引水效果较好，其平均换水率和最小换水率均有显著提高，水体流动情况较好，循环程度较高。

关键词：人工湖;引水方案;换水率;数值模拟

中图分类号：TV133.2

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.05 .016

人工湖作为城市的景观水体，不仅可以改善城市水环境，而且可以为大众提供良好的游憩场所，对提升城市环境和居民生活的舒适度具有重要意义。近年来，随着“生态城市”[1]概念深入人心以及人们对更好环境质量的需求，越来越多的城市修建了人工湖，但是在修建人工湖的过程中，注重点往往在于人工湖的“形态”，而忽略了人工湖的水流条件，以及对流态的科学调控，导致很多人工湖出现不同程度的富营养化，不仅没有达到改善城市水环境的目的，而且造成了新的污染，与修建人工湖的初衷背道而驰。部分学者开始注意到这个问题并展开了这方面的研究.Jia Y F等[2]采用有限元法建立了深度平均的平面二维水动力一水质模型，考虑氮、磷、溶解氧等多个水质变量之间的互相转化及迁移，并将该模型应用于浅牛扼湖的水质变化研究中：马骎等[3]以某住宅小区人工湖为例，建立二维水动力模型，模拟了多工况下人工湖流速分布情况，研究表明湖中存在“死角”，并提出了改进方案;余成等[4]以武汉东湖为例，模拟了4种补水工况，结果表明在设置两个补水口以及考虑风速影响的情况下，东湖水体中TN、TP浓度分布最均匀;郭鹏程等[5]采用水动力模型模拟计算了不同方案下北川河生态河道10#生态湖的流场及水体交换情况，结果表明在湖体西北部新开一个引水口，既能大幅度改善湖体水环境质量，又能减少调水时间并节约水量。这些研究大多是针对人工湖水源相对丰富的地区，对于缺水城市人工湖运行方式的研究尚显不足。缺水城市人工湖缺少与天然水体的連通，来水（补水）流量受限，再加上湖体形态复杂，水体流动性差，不利于污染物的稀释与扩散[6]。本文利用MIKE21软件包中的FlowModel FM模块建立数学模型，对青海省海东市湟水河治理工程乐都主城段南侧人工湖的引水方式进行优化分析，确定最佳引水方式，以期为具有相似问题的人工湖建设提供借鉴。

1 数学模型原理

1.1 水动力模型

水动力模型是基于求解沿水深积分的二维不可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程和连续方程建立的，并服从Boussinesq假定和静水压力假定。模型控制方程：

2 模型应用

2.1 研究区概况

青海省属于半干旱大陆性气候区，具有高寒干旱、蒸发量大等特点。年平均气温6.9℃，降水量为319.2-531.9 mm，蒸发能力为1 275.6-1 861.0 mm。研究区人工湖位于海东市湟水河（黄河一级支流）东大桥与水磨营大桥之间堤防的南侧，东西长约460 m.南北宽约380 m.湖面总面积约11万m²，人工湖容积15.6万m³，平均水深2m，水面高程1969 m，湖底高程1966 m。由于湟水河含沙量较大，水体黄浊，因此不宜作为湖区主水源，仅作为应急备用水源。主水源为湖区南侧水质较好的一条天然沟道岗子沟，受岗子沟水源水量分配限制，供水量为5 200 m³/d，通过管道向湖区供水，湖区出水排至湟水河，湖区内设有10座岛屿，因此内部形态不规则，水流流态复杂。

2.2 网格地形图

该人工湖湖深较浅，最大深度为3m，湖面面积约11万m²，水域垂向尺寸远小于水平尺寸，因此采用二维水动力一水质耦合数值模拟模型。由于人工湖围堤边界和湖内水系较复杂，对网格精度要求较高，因此采用三角形非结构化网格划分计算水域，共划分了3 333个网格，人工湖网格划分见图1。

2.3 模型参数设置

该人工湖正常蓄水位为1 969 m，引水量为5 200m²/d.即0.06 m²/s。由于人工湖受到的污染一般为有机污染，因此在水体交换模拟时COD为污染控制因子[7]。模型中将初始条件设置为固定水位1 969 m，湖区初始COD浓度为40 mg/L。边界条件设置为进、出口流量0.06 m²/s。进水口采用点源的方式设置，依据实测资料，引水水源处COD浓度为30 mg/L，将其作为进口控制条件。出水口将湖区水体自然出流作为出口控制条件，根据不同的引水方案给各进水口分配不同的进水流量。模型输出结果为水体中COD的浓度，通过水体中COD浓度变化来反映湖区水体置换率，间接反映引水效果。计算中，湖区水体COD浓度始终为30 - 40 mg/L，浓度越接近30 mg/L，说明该处水体置换率越高。在此特引入无量纲换水率的概念来表示湖区水体置换情况，采用湖区初始COD浓度与某时刻模型计算COD浓度的差值比上湖区初始COD浓度与引水COD浓度的差值来表示换水率。据此可以得出湖区各点的换水率，换水率越大，表示该处水体流动情况越好，水体循环程度高。

3 计算结果

3.1 方案的制定

结合该人工湖的引水周期和进口布置形式，在不考虑沿程损耗的情况下，假定每天将5 200 m²的水全部注入人工湖，拟定以下7种引水方案。考虑到湖区的地形条件和周围河网分布情况，出水口只能在图1中的位置。方案一、二、三均为单口进水;方案四、五、六为双口进水，2个进水口平分进水流量：方案七为3个进水口同时进水，3个进水口平分进水流量。具体引水方案见表1。

3.2 计算结果分析

引水30 d后，对换水周期末时刻湖区内所有位置的COD濃度进行提取，计算换水率，各方案湖区换水率见表2。

从表2可以看出，在连续引水一个月后，方案一、方案二、方案四的最小换水率为0，这说明湖区存在水体流动性较差甚至是完全不流动的“死角”，由此得出，不宜采用进口1单独进水、进口2单独进水、进口1与进口2同时进水的方案。其余4种方案中，方案三、方案五的平均换水率较大，表明采用进口3单独进水或者进口2与进口3同时进水的方案较优。但表2只列出了湖区换水率的统计值，并不能反映湖区换水率的分布情况。一个换水周期（30 d）后，各方案湖区换水率分布情况见图2-图8.图中单位区域换水率越高，表示该区域水质条件越好。

方案一在湖区西部、南部均会出现大面积的湖体死角;方案二、方案四则会在西北处出现湖体死角，主要集中在1#岛、2#岛、10#岛的西侧。主要原因是，进口1和进口2的位置布置不合理，离出水口较近，再加上湖中岛屿对水流的阻碍作用，补充水流到达出水口时，直接从出水口流出，难以到达人工湖的最西侧，人工湖西侧水体交换能力差，水质得不到保障。由此可见，进水口不可离出水口太近，这样不利于湖区水体循环。其余4种方案使用了离出水口较远的进口3，从图中可以看出这4种方案有效减少了引水过程中的湖体“死角”现象。方案七虽然利用多个分散进水口来引水，但仍不是较优方案，由图8可以看出，在3#岛西侧的湖心处换水率最低。原因是，3#岛西侧存在内凹的岬角，进口2、进口3流入的水体会形成对流，在湖心地带形成一条低换水率的狭长带，一直延伸至3#岛西侧;平均进水的方式分散了每个进水口的流量，使得各进水口的作用范围和作用强度减小。此外，方案三也有明显不足，由图4可以看出，8#岛南侧、6#岛附近水域，即模型东南角换水率较低，这些区域水体循环相对较差，原因是进口3位于湖区西北角，距离出水口较远，可以保证湖区大部分水体有较好的流动性，但无法保证距离进口3较远处及被3#岛左侧遮蔽处水体的流动性。

综上所述，进水口不能距离出水口太近，不然会出现换水“死角”：单个进水口方案即使距离出口较远，在湖区岛屿地形复杂时也难以保证整个湖区水体循环良好，因此采取多个进水口方案是十分必要的。

3.3 方案比选

3.3.1 进水口位置优化

在上述几种方案中，进口2位置布置得不合理，进口2并不能发挥较好的引水效果，进口2距离9#岛太近，9#岛的存在，会对引水来流产生顶托作用，产生局部旋滚，水流流速降低，这使得引入的水体难以到达湖区北部。为了发挥进口2的作用，应将其位置适当北移，可以放置在9#岛、10#岛之间，且引水时最好与进口3的引水时间错开。进口2位置调整后，方案二湖区换水率分布（连续引水30 d）见图9。进口2位置调整后，方案二的湖区换水率大大提高，湖区最大换水率为84.30%，平均换水率为72.30%.最小换水率为25.91%。湖区北部的“死角”已基本消除，但湖区西北角和东南角距离进口2较远，换水率较其他区域水体稍低。总的来说，进口2的位置调整后对湖区引水效果有较好的改善作用。

3.3.2 进水形式优化

由方案一至方案七的分析结果可知，人工湖采用多口进水方案比较合适，且应区分主次进水口，引水时应以进口2或进口3为主。因此，在上述方案的基础上提出了方案八、方案九和方案十，其中方案八、方案九以进口3为主，方案十以进口2为主，见表3。新增引水方案换水率见表4。

由图10和图11可知，采取多引水口交错补水的方式，湖区水体的换水率均有显著提高。方案八与方案九虽然均以进口3为主进水口，但方案九湖区局部区域换水率较低。这再一次说明在进行多口引水时，不宜采用分散进水的方式，这样会使单个进水口的引水流量降低，水流流速减小，新旧水体之间的混掺作用减弱，换水效果变差，换水作用范围减小，不利于局部区域“死角”的消除。对比图10与图12，方案八与方案十的换水率分布较为均匀，引水效果较优。但相较方案八，方案十的平均换水率更高，且最小换水率提升较大，故方案十相较方案八为更优换水方案，再次说明在引水时应该以进口2或者进口3为主引水口，并采用多引水口交错引水的方式。

4 结论

基于MIKE21软件对湟水河治理工程乐都主城段南侧人工湖进行二维水动力一水质数值模拟，综合考虑进水口数量、位置以及不同引水方式等因素，模拟了10种不同的引水方案，经分析，在换水过程中根据人工湖的形态制定主次进水口，并科学确定各进水口的进水时间的方案，即方案十为较优方案，湖区内没有出现湖体“死角”，且整个湖区内的换水率较高，对水质改善效果较好。

在供水流量一定的情况，相较于多个进水口同时补水，多进水口交错补水的方式，会使引水的流速明显增大，较大的水流流速会增强新旧水体之间的混掺作用，换水效果显著提高，换水的湖区面积明显扩大。当湖区岛屿较多、地形条件复杂时，为保证整个湖区内水体循环良好，在总的引水规模不变时，出水口与进水口的连线应尽可能贯通整个湖面，并且进水口和出水口最好不要正对岛屿，这种布置能够对水流的扩散起到积极作用，在一定程度上提高人工湖的引水效率。

参考文献：

[l]任倩岚，生态城市：城市可持续发展模式浅议[J].长沙大学学报，2000，14（2）：62-63.

[2]

JIA Y F，WANC S，ZHU T T.Validation of Three-Dimen-sion Hydrodynamic Model for Flow at Bend[J].Advances inHydro-Seience and Engineering， 2004（6）： 1-9.

[3] 马骎，张庆河，苏东升，等，住宅小区人工湖流场数值模拟分析[J].水电能源科学，2015，33（4）：89-92.

[4] 余成，任宪友，班璇，等，二维水质模型在武汉东湖引水工程中的应用[J].湖泊科学，2012，24（1）：43-50.

[5]郭鹏程，蔡明，闫大鹏，基于MIKE21模型的人工生态湖优化设计[J].人民黄河，2014，36（4）：56-58.

[6] 康孟新，城市大型缓流景观水体循环和水质模拟[D].天津：天津大学，2011：11- 13.

[7]赵小利，李文奇，周怀东，水环境数学模型与人工湿地的模拟[J].南水北调与水利科技，2011，9（3）：56-58.