大型淺水湖泊水動力特性數(shù)值研究

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1、大型淺水湖泊水動力特性數(shù)值研究　　摘要：準(zhǔn)確模擬太湖水流動態(tài)變化特性及水動力特征對模擬、預(yù)測污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及理解水流運動與污染物相互作用機制具有重要的實用價值。以環(huán)境流體力學(xué)（EFDC）模型為基礎(chǔ)，收集2009年-2010年水文、氣象數(shù)據(jù)及湖區(qū)地形數(shù)據(jù)，并考慮引江濟太工程對湖區(qū)的影響，建立符合太湖湖區(qū)水流特性的水動力模型。模型模擬結(jié)果表明最大風(fēng)向、最大風(fēng)速的組合方式模擬出來的流場情況最接近真實湖體流場，引江濟太工程對湖流的影響微小，模型的水動力模擬效果良好。關(guān)鍵詞：水動力；太湖湖泊；EFDC模型；流場；水動力學(xué)模型中圖分類號：TV213文獻標(biāo)識碼：A文

2、章編號：16721683（2013）050034049太湖是長江三角洲最大的淺水湖泊，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，湖體環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，太湖由草型湖泊轉(zhuǎn)變成為富營養(yǎng)化嚴(yán)重的藻類湖泊，水質(zhì)也由最初的Ⅰ-Ⅱ類下降到以Ⅴ類為主的水體。目前，湖體自身的營養(yǎng)物質(zhì)成為誘發(fā)太湖水華的主要因素，在一定環(huán)境下，內(nèi)源營養(yǎng)的沉積、再懸浮為藻類的生長提供生長條件。流場狀態(tài)是誘發(fā)物質(zhì)再懸浮的主要因素，所以流場對于太湖的水動力，及水體中營養(yǎng)物質(zhì)的遷移、轉(zhuǎn)換起著至關(guān)重要的作用，而引江濟太工程的實施改變了水體邊界條件，可能會影響到太湖湖體環(huán)境。研究清楚太湖流場的狀況，對于后續(xù)的治理工作十分重要。太

3、湖局部地區(qū)染嚴(yán)重，水華事件連年爆發(fā)，研究較為深入[12]。對于太湖整個湖區(qū)的研究有待于進一步深入，濮培民[35]等人采用三維風(fēng)生流模型模擬了太湖夏季某日的流場，進一步研究了圍墾對于湖流的影響；錢新[6]等研究了特定條件下高溫微風(fēng)對太湖湖流的影響。引江濟太工程實施之后，滑磊[7]等人研究了引江濟太對湖體水齡的影響，對于新環(huán)境下的湖體湖流情況還沒有相關(guān)研究。本文收集2009年-2010年太湖湖區(qū)實測數(shù)據(jù)，選用功能較為成熟、成功案例廣泛的EFDC（ENVIRONMENTALFLUIDDYNAMICSCODE）模型[89]模擬太湖整個湖區(qū)的水動力環(huán)境，探究新環(huán)境下的

4、流場情況，以及風(fēng)場的最佳組合方式。為后續(xù)太湖水質(zhì)生態(tài)模型的建立打下基礎(chǔ)，并為太湖的預(yù)報、預(yù)警、調(diào)度、規(guī)劃、治理等工作提供技術(shù)支持。1研究區(qū)概況及二維模型的構(gòu)建1.1區(qū)域概況太湖是典型的大型淺水湖泊，湖泊水面積2338km2，最大水深3.34m，平均深度1.899m，平均水溫為17.1℃。太湖流域?qū)俦眮啛釒喜肯蛑衼啛釒П辈窟^渡區(qū)，四季分明，熱量充裕。太湖地區(qū)還處于東南季風(fēng)氣候區(qū)，湖區(qū)風(fēng)向4月-8月以南風(fēng)、東南風(fēng)為多，每年9月-10月平均遭受兩次臺風(fēng)影響，此時短時以東北風(fēng)向為主；10月至翌年2月，則以東北、西北風(fēng)向為主[2]，全年平均風(fēng)速為3.5～5.0m/s

5、。1.2模型的建立太湖流域河網(wǎng)交錯復(fù)雜，與太湖連通的河道多達百條，其中大部分河道出入湖水量較小，苕溪、南溪、運河水系為太湖的主要補給河道，太浦河、吳淞江為其主要的出流河道[10]，本文選擇環(huán)太湖出入流量較大的15條河道作為模型邊界（表1）。太湖湖區(qū)平均水深僅為1.89m，采用二維水動力模型進行模擬計算可以滿足工程設(shè)計的需要，垂向設(shè)為一層。根據(jù)數(shù)據(jù)收集情況，本文建模選用水位數(shù)據(jù)為主要輸入邊界條件，以流量數(shù)據(jù)為輔。湖區(qū)的氣象邊界條件主要包括降雨、蒸發(fā)、太陽輻射、溫度等。2模型參數(shù)的確定2.1湖底糙率確定湖底糙率是影響模型穩(wěn)定的重要參數(shù)之一，由于太湖湖底較為平坦，

6、故本文計算時將糙率視為常數(shù)。參考相關(guān)文獻及模型的率定情況，設(shè)置默認(rèn)糙率為0.2。2.2流場處理9太湖湖流形成原因主要有兩種，出入湖泊引起的吞吐流，及湖區(qū)上方風(fēng)場引起的風(fēng)生流。流場對于建立水動力模型，及后續(xù)湖泊中營養(yǎng)物質(zhì)的輸移、懸浮，生態(tài)模擬準(zhǔn)確性起到至關(guān)重要的作用。然而由于測量艱難、工作量大，流場的實測數(shù)據(jù)很難收集。國內(nèi)對于太湖流場的研究眾多[36，1112]，多數(shù)研究過程都忽略吞吐流所造成的影響，單考慮風(fēng)生流的作用。然而，近年來引江濟太（利用常熟水利樞紐引長江水，通過望亭水利樞紐進入太湖，最終再從太浦閘流入太浦河，從而實現(xiàn)長江水稀釋太湖水，改善湖水水質(zhì)的目

7、的）工程的實施，閘調(diào)度工作可能會引起湖區(qū)流場方向的改變，考慮到以上因素，本文在選用水位邊界的同時，在閘調(diào)度河道還設(shè)置了流量邊界，更真實的還原太湖湖區(qū)的水環(huán)境。吞吐流可以根據(jù)水位、流量邊界條件確定；風(fēng)生流主要由湖區(qū)上方的風(fēng)場數(shù)據(jù)確定。由于太湖湖區(qū)面積較大、檢測站點有限，收集的風(fēng)場數(shù)據(jù)具有一定的局限性。本文選用湖區(qū)內(nèi)吳縣東山氣象監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，模型輸入邊界采用以天為單位的時長，收集到的氣象數(shù)據(jù)有日平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速、最大風(fēng)向、極大風(fēng)向。本文設(shè)計4組方案：相同的水文、水質(zhì)邊界輸入，相同的率定參數(shù)，不同的氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)水質(zhì)數(shù)據(jù)的輸出情況反推風(fēng)場數(shù)據(jù)的最佳

8、組合形式（表2）。3模擬與分析9模型選用美國EPA研