曾秀云，陳鈺林

(1.福州工商學(xué)院，福建 福州 350715；2.福州市城市排水有限公司，福建 福州 350008)

Mike21是水動力及水質(zhì)模擬中最為常用的模型[1]。其中，水動力模塊(HD)是Mike21其它模塊的基礎(chǔ)，用于模擬河流、湖泊的水動力過程[2]；對流擴(kuò)散模塊(AD)可用于研究水質(zhì)組分隨水動力條件變化的過程。近年來，國內(nèi)外應(yīng)用Mike21模型對河道和湖泊等開展了大量研究。如： LaiY.C[3]對 Kaoping流域的面源污染物(NPS)研究中，以SS和NH4-N作為污染指數(shù)代表值，對上游河流流速引起NPS(NH4-N和SS)的變化進(jìn)行分析，建立了Kaoping流域水質(zhì)評價和流域管理策略。 WibowoM[4]等人利用MIKE21模型分析了海上堤壩建成后對三寶壟海灣沿岸水動力場和區(qū)域水質(zhì)變化的影響，詳細(xì)分析了海上堤壩建設(shè)對沿海水環(huán)境動態(tài)平衡的影響。王玥[5]、譚超等[6]分別以大東湖、惠州西湖為研究對象，均采用了Mike21模型對城市湖泊水體進(jìn)行了模擬評估。張葉[7]等基于模擬結(jié)果分析了不同引補(bǔ)水方案下對北京市潮白河順義段水質(zhì)改善情況。李梓嘉[8]等分析了泗洪縣城區(qū)引水沖污措施調(diào)控對各水系的影響。目前尚未有人對推流器在城市湖泊的整治效果開展過模擬和評估。本研究擬基于Mike21建立平面二維數(shù)值模型，模擬在不同工況推流器的作用下，西湖沉淀區(qū)的流場變化，進(jìn)而對水動力改善效果進(jìn)行評估，并為設(shè)計方案提供依據(jù)和理論支撐。

1 研究區(qū)域概況

福州西湖湖體面積30.3 hm2，沉淀區(qū)位于湖區(qū)北側(cè)屏西河入流，面積約1.1*104m2。根據(jù)要求，整治后的西湖沉淀區(qū)平均流速大于0.160 m/s；同時，考慮到不能沖刷附近駁岸，近岸附近最大流速不大于0.5 m/s[9]。根據(jù)設(shè)計，擬在沉淀區(qū)西南方向設(shè)置推流器，西湖沉淀區(qū)推流方案的平面布局如圖1所示。

圖1 西湖沉淀區(qū)推流方案示意圖Fig.1 Layout plan of push flow scheme in West Lake’s sedimentation area

2 研究方法

2.1 模型的建立

2.1.1 模型的網(wǎng)格劃分

根據(jù)西湖-左海地形圖，將其整體湖區(qū)概化為14 361個網(wǎng)格，7 850個節(jié)點(diǎn)，其中最小網(wǎng)格面積10 m2，對西湖沉淀區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行加密。模型計算時間50 h，步長為3 600 s。

2.1.2 模型邊界條件設(shè)置

西湖湖區(qū)由屏西河、銅盤河匯入，其中，屏西河位于西湖主湖區(qū)東北側(cè)，流量為3.00 m3/s；銅盤河位于西湖-左海湖區(qū)西北側(cè)，流量為1.00 m3/s；出流經(jīng)白馬河水閘控制后形成白馬河，湖區(qū)控制水位為5.55 m。

2.1.3 模型參數(shù)率定驗(yàn)證

以2019年10月屏西河沉淀區(qū)入口(P1)的實(shí)測流量(以實(shí)測流速、河道斷面計算)為初始條件，對白馬河出水閘(P2)的流速和液位進(jìn)行驗(yàn)證和率定。模型率定結(jié)果為：湖底糙率(manning number)為45.0 m3/s[10]，流速平均誤差3.99%，水動力條件滿足要求，率定后的流場如圖2，其橫縱坐標(biāo)為西安85坐標(biāo)系。

圖2 西湖流場圖Fig.2 Flow field diagram of West Lake

2.2 推流器模型搭建

在西湖沉淀區(qū)西側(cè)設(shè)置2臺推流器，采用1用1備及2用(全啟動模式)兩種運(yùn)行模式，對功率為5.0 kW和7.5 kW的低速推流器進(jìn)行比選。為將5.0 kW和7.5 kW的推流器概化在數(shù)值模型中，首先獨(dú)立構(gòu)建長350 m、寬200 m、深6 m的水池數(shù)值模型，在每個水池模型的源匯項(xiàng)中設(shè)置一對相關(guān)聯(lián)的負(fù)流量和速度矢量的點(diǎn)源用以模擬推流器的進(jìn)口和出口。將結(jié)果與推流器技術(shù)參數(shù)進(jìn)行擬合，以0.100 m/s的邊界流速作為擬合流場的邊界進(jìn)行率定[11-12]。其中，5.0 kW推流器在距離中心10 m處，模擬流速峰值和實(shí)際參數(shù)相差19 %；40、60、85 m處流速峰值分別相差11.6 %、11.1 %、1.2 %，在推流器的邊界流速擬合較好，誤差在可靠范圍內(nèi)。率定結(jié)果為5.0 kW推流器的等效出口流量為2.000 m3/s，等效出口流速為1.600 m/s，如圖3(a)；7.5 kW推流器在距離中心10 m處，模擬流速峰值和實(shí)際參數(shù)相差0.3 %；40、60、85 m處流速峰值分別相差0.6 %、0.1 %、0.3 %，在推流器的邊界流速擬合較好，誤差在可靠范圍內(nèi)。7.5 kW推流器的等效出口流量為2.500 m3/s，等效出口流速為2.100 m/s，如圖3(b)。模型將每個推流器概化為1個進(jìn)水口和1個具有u、v場的出水口，具體如表1。

圖3 推流器流場的率定Fig.3 Calibration of flow field in the impeller

表1 推流器參數(shù)計算Tab.1 Parameter calculation of the impeller

2.3 結(jié)果驗(yàn)證

結(jié)合模型分析結(jié)果，最終實(shí)際采用7.5 kW推流器(1用1備)，安裝于沉淀區(qū)西側(cè)。經(jīng)實(shí)測，當(dāng)采用1臺7.5 kW推流器時，沉淀區(qū)東側(cè)模擬平均流速0.027～0.033 m/s，實(shí)際平均流速0.031 m/s，與模擬值最大偏差14.8 %；沉淀區(qū)西側(cè)實(shí)際平均流速0.213 m/s，與模擬值0.196 m/s僅偏差7.9 %，模擬情況與實(shí)測偏差較小。

3 工程治理措施效果的評估

3.1 水動力效果分析

為評估沉淀區(qū)東側(cè)主流道和沉淀區(qū)西側(cè)最不利位置的流速，在模型沉淀區(qū)的西側(cè)取3處測點(diǎn)。采用便攜式LS1206B型數(shù)字流速儀，對湖區(qū)相應(yīng)測點(diǎn)位置進(jìn)行流速測定。

通過考察西側(cè)最不利位置的流速評估沉淀區(qū)水動力效果。由圖4(a)西湖沉淀區(qū)初始流場可見，在初始狀態(tài)，自屏西河入流進(jìn)入沉淀區(qū)北側(cè)后，流速減緩，西北側(cè)流速最低，西北側(cè)3個測點(diǎn)平均流速為0.004 m/s。安裝5.0kW的推流器后(1用1備模式)，沉淀區(qū)流速有所加大，測點(diǎn)平均流速增大至0.151 m/s，如圖4(b)；安裝7.5 kW的推流器后(1用1備模式)，沉淀區(qū)流速平均流速增大至0.196 m/s，如圖4(c)，比5.0 kW推流器整體流速增加了29.8 %；當(dāng)采用2臺7.5 kW的推流器后(全啟動模式)，沉淀區(qū)流速平均流速增大至0.298 m/s，如圖4(d)，比5.0kW推流器平均流速增加了97.4 %，實(shí)際流速結(jié)果詳見表2。

圖4 初始狀態(tài)與不同推流器的流場Fig.4 Initial state and flow field of different impellers

表2 沉淀區(qū)(西側(cè))各工況的測點(diǎn)流速Tab.2 Flow velocity of measuring points in sedimentation area (west side) under different working conditions

3.2 推流器選型分析

根據(jù)表2分析，當(dāng)未使用推流器時，沉淀區(qū)平均流速只有0.004 m/s，水動力嚴(yán)重不足。采用功率為5.0 KW的推流器時(1用1備)，沉淀區(qū)最不利點(diǎn)西北角的平均流速為0.151 m/s，推流效果已大為改善，但與設(shè)計要求最不利位置0.160 m/s的平均流速相比，略顯不足；當(dāng)采用7.5 kW的推流器時(1用1備)，平均流速為0.196 m/s，水動力條件已大為改善，可以滿足要求。當(dāng)采用2臺7.5 kW的推流器時(全設(shè)備模式)，沉淀區(qū)西側(cè)平均流速為0.298 m/s，但在湖岸附近最大流速達(dá)到0.500 m/s，流速偏大，如圖4(d)。因此，采用7.5 kW推流器在1用1備的正常工況下，可以大大改善沉淀區(qū)的推流效果；但采用2用的全設(shè)備模式時，長期運(yùn)行會對周邊駁岸造成一定沖刷，需要限制全設(shè)備模式運(yùn)行，或?qū)︸g岸采取加固措施。

基于上述模型分析，采用7.5 kW推流器(1用1備模式)能較好地改善沉淀區(qū)西側(cè)局部水動力不足的狀況。

3.3 整體換水效果分析

西湖湖體較小，入流的停留時間較短，湖體內(nèi)COD、TN、TP等各污染物生化反應(yīng)作用不大，因此可將各類水質(zhì)指標(biāo)的變化概化為Mike21的對流擴(kuò)散模型。開啟推流器后沉淀區(qū)整體的水質(zhì)的變化情況可采用北側(cè)入流的換水率[13-14]指標(biāo)進(jìn)行評價。采用7.5 kW推流器(1用1備模式)的沉淀區(qū)整體水質(zhì)變化如圖5所示。由圖5可見，啟動推流器后，自北側(cè)入湖的屏西河主流改向了沉淀區(qū)西側(cè)，沉淀區(qū)西側(cè)的平均換水率在7 h內(nèi)已達(dá)到61.0 %，且基本趨于穩(wěn)定；沉淀區(qū)東側(cè)受西側(cè)短流影響，屏西河入湖需經(jīng)沉淀區(qū)西側(cè)、南側(cè)繞流后進(jìn)入東側(cè)，換水時間增長，需16 h才達(dá)到基本穩(wěn)定，且較西側(cè)有所降低，穩(wěn)定值為20.9 %，如表3。

圖5 沉淀區(qū)換水率變化情況(7.5 kW推流器)Fig.5 Change of water exchange rate in sedimentation area (7.5 kW impeller)

表3 沉淀區(qū)水質(zhì)變化(換水率)Tab.3 Change of water quality in sedimentation area (water exchange rate)

續(xù)表3

3.4 結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)模型分析，實(shí)際工程采用7.5 kW推流器(1用1備)，安裝于沉淀區(qū)西側(cè)。經(jīng)實(shí)測，沉淀區(qū)東側(cè)模擬平均流速0.027～0.033 m/s，實(shí)際平均流速0.031 m/s，與模擬值最大偏差14.8 %;沉淀區(qū)西側(cè)實(shí)際平均流速0.213 m/s，與模擬值0.196 m/s偏差7.9 %，模擬值與實(shí)測值偏差較小。

4 結(jié)論

1)Mike21模型能夠較為準(zhǔn)確的模擬西湖沉淀區(qū)流場的變化，在Mike21中搭建推流器模型用以模擬推流效果是可行的方案。

2)通過優(yōu)化推流器的選型和工況，湖體的水動力條件得到了充分的改善，其中，采用7.5 kW推流器(1用1備模式)能改善沉淀區(qū)西側(cè)局部水動力不足的狀況，且不會對周邊駁岸造成沖刷。

3)基于該工況，對沉淀區(qū)的整體換水情況進(jìn)行分析，沉淀區(qū)西側(cè)的平均換水率在7 h內(nèi)基本趨于穩(wěn)定；但沉淀區(qū)東側(cè)換水率需16 h才達(dá)到基本穩(wěn)定，較西側(cè)有所降低。

4)基于Mike21的推流器水動力模型在西湖沉淀區(qū)項(xiàng)目的成功應(yīng)用，不僅解決了推流方案的比選優(yōu)化問題，還可為其他城市內(nèi)湖的水動力改善提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。未來可在本研究基礎(chǔ)上，結(jié)合西湖沉淀區(qū)其他工程(如：補(bǔ)水、截污等措施)進(jìn)一步增加水動力和水質(zhì)參數(shù)，為系統(tǒng)研究綜合整治工程的成果做出評估。