大型浅水湖泊水动力特性数值研究

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1、大型浅水湖泊水动力特性数值研究　　摘要：准确模拟太湖水流动态变化特性及水动力特征对模拟、预测污染物迁移转化规律以及理解水流运动与污染物相互作用机制具有重要的实用价值。以环境流体力学（EFDC）模型为基础，收集2009年-2010年水文、气象数据及湖区地形数据，并考虑引江济太工程对湖区的影响，建立符合太湖湖区水流特性的水动力模型。模型模拟结果表明最大风向、最大风速的组合方式模拟出来的流场情况最接近真实湖体流场，引江济太工程对湖流的影响微小，模型的水动力模拟效果良好。关键词：水动力；太湖湖泊；EFDC模型；流场；水动力学模型中图分类号：TV213文献标识码：A文

2、章编号：16721683（2013）050034049太湖是长江三角洲最大的浅水湖泊，随着经济的不断发展，湖体环境遭到严重破坏，太湖由草型湖泊转变成为富营养化严重的藻类湖泊，水质也由最初的Ⅰ-Ⅱ类下降到以Ⅴ类为主的水体。目前，湖体自身的营养物质成为诱发太湖水华的主要因素，在一定环境下，内源营养的沉积、再悬浮为藻类的生长提供生长条件。流场状态是诱发物质再悬浮的主要因素，所以流场对于太湖的水动力，及水体中营养物质的迁移、转换起着至关重要的作用，而引江济太工程的实施改变了水体边界条件，可能会影响到太湖湖体环境。研究清楚太湖流场的状况，对于后续的治理工作十分重要。太

3、湖局部地区染严重，水华事件连年爆发，研究较为深入[12]。对于太湖整个湖区的研究有待于进一步深入，濮培民[35]等人采用三维风生流模型模拟了太湖夏季某日的流场，进一步研究了围垦对于湖流的影响；钱新[6]等研究了特定条件下高温微风对太湖湖流的影响。引江济太工程实施之后，滑磊[7]等人研究了引江济太对湖体水龄的影响，对于新环境下的湖体湖流情况还没有相关研究。本文收集2009年-2010年太湖湖区实测数据，选用功能较为成熟、成功案例广泛的EFDC（ENVIRONMENTALFLUIDDYNAMICSCODE）模型[89]模拟太湖整个湖区的水动力环境，探究新环境下的

4、流场情况，以及风场的最佳组合方式。为后续太湖水质生态模型的建立打下基础，并为太湖的预报、预警、调度、规划、治理等工作提供技术支持。1研究区概况及二维模型的构建1.1区域概况太湖是典型的大型浅水湖泊，湖泊水面积2338km2，最大水深3.34m，平均深度1.899m，平均水温为17.1℃。太湖流域属北亚热带南部向中亚热带北部过渡区，四季分明，热量充裕。太湖地区还处于东南季风气候区，湖区风向4月-8月以南风、东南风为多，每年9月-10月平均遭受两次台风影响，此时短时以东北风向为主；10月至翌年2月，则以东北、西北风向为主[2]，全年平均风速为3.5～5.0m/s

5、。1.2模型的建立太湖流域河网交错复杂，与太湖连通的河道多达百条，其中大部分河道出入湖水量较小，苕溪、南溪、运河水系为太湖的主要补给河道，太浦河、吴淞江为其主要的出流河道[10]，本文选择环太湖出入流量较大的15条河道作为模型边界（表1）。太湖湖区平均水深仅为1.89m，采用二维水动力模型进行模拟计算可以满足工程设计的需要，垂向设为一层。根据数据收集情况，本文建模选用水位数据为主要输入边界条件，以流量数据为辅。湖区的气象边界条件主要包括降雨、蒸发、太阳辐射、温度等。2模型参数的确定2.1湖底糙率确定湖底糙率是影响模型稳定的重要参数之一，由于太湖湖底较为平坦，

6、故本文计算时将糙率视为常数。参考相关文献及模型的率定情况，设置默认糙率为0.2。2.2流场处理9太湖湖流形成原因主要有两种，出入湖泊引起的吞吐流，及湖区上方风场引起的风生流。流场对于建立水动力模型，及后续湖泊中营养物质的输移、悬浮，生态模拟准确性起到至关重要的作用。然而由于测量艰难、工作量大，流场的实测数据很难收集。国内对于太湖流场的研究众多[36，1112]，多数研究过程都忽略吞吐流所造成的影响，单考虑风生流的作用。然而，近年来引江济太（利用常熟水利枢纽引长江水，通过望亭水利枢纽进入太湖，最终再从太浦闸流入太浦河，从而实现长江水稀释太湖水，改善湖水水质的目

7、的）工程的实施，闸调度工作可能会引起湖区流场方向的改变，考虑到以上因素，本文在选用水位边界的同时，在闸调度河道还设置了流量边界，更真实的还原太湖湖区的水环境。吞吐流可以根据水位、流量边界条件确定；风生流主要由湖区上方的风场数据确定。由于太湖湖区面积较大、检测站点有限，收集的风场数据具有一定的局限性。本文选用湖区内吴县东山气象监测站的监测数据，模型输入边界采用以天为单位的时长，收集到的气象数据有日平均风速、最大风速、极大风速、最大风向、极大风向。本文设计4组方案：相同的水文、水质边界输入，相同的率定参数，不同的气象数据，根据水质数据的输出情况反推风场数据的最佳

8、组合形式（表2）。3模拟与分析9模型选用美国EPA研