风场和吞吐流对洪泽湖流场的影响分析

刘翊竣，徐国宾

(天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300354)

1 研究背景

大中型天然湖泊水动力过程是湖体内污染物迁移、转化和生态环境演变的关键因素，它与湖泊本身的几何特征、风场、吞吐流等物理参数有关。其中，风场决定着湖泊的湖流形态、环流结构及湖流流速大小[1-4]。吞吐流是指由河湖水量交换造成水面倾斜作用而产生的湖流现象，会对湖泊污染物质扩散、迁移、泥沙冲於变化产生影响[5-6]。本文将探究不同强度风场和吞吐流作用对洪泽湖流场的影响。

目前对于大中型湖泊的水动力特性和流场分布已有大量的研究成果，潘思怡[7]、吴青[8]、林玉茹[9]对鄱阳湖水流特性进行了系统研究，认为枯水时期对湖区水流流速和流向影响最大，平水时期次之，丰水时期影响最小；高峰[10]对浅水湖泊水动力特性进行了研究，认为风的作用与湖流流速有着密切连系，能改变湖泊环流结构，而吞吐流对环流结构影响不大，仅仅对进出水口附近区域的水流流态有一定影响；张华杰[11]对太湖流场及水动力特性进行了研究，通过大量数值模拟试验，模拟了不同风力、不同湖泊水位的湖泊水动力学特性，分析了湖泊在自然风力因素与人为因素下的流场分布规律。到目前为止，对于洪泽湖流场的分析和模拟比较少，只有姜加虎等[12-14]对洪泽湖的混合流和风生流进行了模拟，他指出洪泽湖南部湖区是受其吞吐流影响最大的湖区；成子湖湾是受风生流作用最强的湖区，吞吐流作用初期，以河口扩散流形式进入开敞湖区，进入速度取决于出入湖流量的大小。有关洪泽湖不同风速和吞吐流强度下的流场分布的研究更少。随着数值模拟技术的发展，许多计算软件在研究水动力特性方面得到了广泛的应用。朱世云等[15]基于MIKE21 FM模型对洞庭湖区平原城市洪水演进进行了模拟；路洪涛等[16]基于MIKE21对城市湖泊人工水循环流场数值模拟做了研究；赵正文等[17]、韩红娟等[18]对不同湖泊的流场结构进行了数值模拟。

本文基于MIKE21建立洪泽湖水动力模型，首先对洪泽湖二维水动力模型进行了参数的校准与验证，其次对不同风场下的流场结构和流速进行了对比分析，最后改变出入湖流量进而研究吞吐流对洪泽湖流场的影响。

2 洪泽湖水动力模型计算条件及验证

洪泽湖位于淮河中游、江苏省洪泽区西部，是我国五大淡水湖之一，是“南水北调”工程东线过水通道组成部分。在正常湖水位12.5 m时，水面面积为1 597 km2，平均水深1.9 m。淮河是其最大的入湖河流，是洪泽湖水量补给的主要来源，占总入湖水量的80%以上。出湖通道中入江水道为主要的泄洪道，湖水60% ～70%由入江水道的三河闸下泄。湖区汛期盛行SE风。湖区分为溧河洼区、南部湖区、东部湖区和成子湖区。洪泽湖区间构成及空间区域分布见图1。

2.1 模型的计算范围及参数的选取

2.1.1 模型范围选定 洪泽湖主要有7条入湖通道，以淮河干流为主，同时有新濉河、老濉河、徐洪河、新汴河、怀洪新河、池河6条支流分布在淮河两侧。主要有4条出湖通道，包括淮河入江水道、入海水道、苏北灌溉总渠和分淮入沂工程[19]。

模型计算范围由淮河干流和6条支流以及整个洪泽湖区间构成，如图1所示。对于洪泽湖的模拟选取淮河干流为主要入湖进口，设置为开边界并给定龟山实测流量过程，其他支流包括怀洪新河、新汴河、新濉河、老濉河和徐洪河以集中旁侧入流方式作为源项给定实测流量过程；选取三河闸作为洪泽湖出口，设置成开边界并给定三河闸实测水位过程，其他出口包括入海水道、苏北总灌渠、分淮入沂以旁侧出流方式作为汇项给定实测流量过程。

2.1.2 计算水文条件 由于所采用的洪泽湖地形资料是2013年实测地形，因此选取2013年汛期作为计算时段，计算期为2013年6月29日08：00：00-2013年8月24日08：00：00。

2.1.3 风场资料 经查阅相关资料可知，洪泽湖区汛期盛行风为东南风，风级一般在2 ～ 4级，相当于风速1 ～ 3m/s。由于洪泽湖湖区范围较大，实测风场资料难以收集，因而本次计算采用定常风速2 m/s，风向为东南。

2.2 模型参数选取

2.2.1 计算时空步长 洪泽湖二维模型采用非结构三角形网格，空间步长一般取300～500 m，在淮河干流入湖口和三河闸出口地区进行局部加密，加密地区空间步长取100～200 m；模型共有25 974个网格节点，50 643个计算单元，网格布置如图2所示。为满足模型稳定性和计算精度的要求，同时受限于柯朗条件该模型计算时间步长选取60 s。

2.2.2 糙率、涡黏系数和风阻力系数 洪泽湖湖区糙率一般取0.020～0.022，本文计算选取糙率为0.020。涡黏系数根据Smagorinsky公式确定，该模型计算取0.28。该模型风阻力系数cd由经验公式(1)得到[20]。

(1)

式中：w10为距地10 m高程处的实测风速,m/s;wa、wb为界限风速值，wa=7 m/s，wb=25 m/s；ca、cb为界限风速所对应的风阻力系数值，ca=1.255×10-3，cb=2.425×10-3。

2.3 模型的验证

利用2013年临淮头和高良涧测站的实测水位资料作为校准资料，将模型计算出的各测站水位值和实测值进行对比，如图3所示。从图3中可以看出，临淮头和高良涧测站的计算水位过程线与实测水位过程线符合较好，说明该模型可以用于洪泽湖的水动力模拟。

图2 洪泽湖水动力二维模型网格划分

图3 2013年临淮头和高良涧测站水位实测值与计算值对比

3 风场和吞吐流对洪泽湖流场的影响

3.1 风场对洪泽湖流场的影响

大中型天然湖泊具有湖水浅、湖面大的特征，导致水动力过程复杂多变。风是湖流运动的主要驱动力，环流形态和方向以及湖流流速大小由湖区风速及风向共同决定。洪泽湖汛期盛行风为东南风，本文基于上述模型，以淮河入湖口为开边界并给定2013年实测流量过程，以三河闸出口为开边界并给定2013年实测水位过程，其余出入口均以源汇给定实测流量过程，模拟了5、10 m/s风速和无风作用下洪泽湖流场分布。

洪泽湖各湖区在5、10 m/s风速和无风作用下的流场分布分别如图4～7所示。由图4～7的数值模拟结果中可以看出，在5 m/s风速作用下溧河洼湖区水流运动比较微弱，其中A区域有逆向环流存在，而南部湖区水流运动显著，在B区域同样有逆向环流存在，A、B两处距淮河入湖口较远且无支流汇入，湖区的东南风是形成逆向环流的主要因素，且环流主要位于湖边凸岸；东部湖区水流运动显著，湖区内C区域有明显的逆向环流存在，此环流是在吞吐流和风场作用下共同形成的；成子湖区水流运动也较为显著，其中D区域有逆向环流存在，该区域靠近湖岸，受风场作用明显，而E区域有带状环流存在，靠近湖区两岸的水流流向为西北向而湖区中央水流流向为东南向，即湖区两岸和中央的水流流向呈相反趋势，成子湖区只有徐洪河一条支流汇入，可知风场是决定该区域流场结构的主导因素。在10 m/s的风场作用下各个湖区的流场结构与5 m/s风场作用下的流场结构相似，在环流强度上有所增加，而在无风条件下整个湖区的流场结构以吞吐流的形式为主，各个湖区的环流结构变得很微弱，尤其是成子湖的E区域，几乎为静止的水面。湖区的流场分布决定了水流运动形式，从而影响到污染物的迁移，尤其是在环流结构显著和流速较小的区域容易聚集污染物。

在流速方面，当无风时湖区流速约为0.15～0.3 m/s，5 m/s风速时湖区流速约为0～0.15 m/s，10 m/s风速时湖区流速约为0～0.1 m/s，可以看到随着风速的增加，各个湖区的流速呈现减小的趋势，这是因为汛期洪泽湖湖区盛行风为东南向与出入湖水流流向呈相反的方向，风场作用抑制了洪泽湖的出流。通过对比分析，可知风场是影响洪泽湖湖区流场结构的重要因素，各个湖区存在的逆向环流大部分是在风的作用下而形成，而且风速大小决定了环流强度。除此之外，盛行风会抑制洪泽湖的出流，且风速越大抑制作用越明显。

图4 不同风速下洪泽湖溧河洼区水流流场分布图

图5 不同风速下洪泽湖南部湖区水流流场分布图

图6 不同风速下洪泽湖东部湖区水流流场分布图

3.2 吞吐流对流场的影响

吞吐流是湖泊中湖水运动的主要形式之一[8-10]。为了研究吞吐流对洪泽湖流场结构的影响，选取淮河流域2007年洪水年的水文资料作为模型的出入湖边界，在淮河入湖口给定2007年实测流量过程，三河闸出口给定2007年实测水位过程，其余各出入口均以源汇项给定2007年实测流量过程，相比2013年加大了吞吐流的流量，同时给定5 m/s风场，其计算结果如图8所示，与2013年流场模拟图(图4～7)对比发现：溧河洼A区域和成子湖D、E区域的流场结构与2013年基本相同，仍存在相似的逆向环流；而在南部湖区的B区域逆向环流减弱，仅在湖岸周边有微弱的流场存在；东部湖区的C区域逆向环流基本消失，但是吞吐流作用加强。由此可知溧河洼湖区和成子湖区的流场结构主要受风场影响，南部湖区和东部湖区的流场结构受风场和吞吐流共同影响，且吞吐流为主导因素。加大吞吐流量后，流速也随之增大，由原来的0～0.15 m/s增至0～0.6 m/s，尤其是三河闸出口处流速增长最大，流速峰值可达到1.8 m/s。

图7 不同风速下洪泽湖成子湖区水流流场分布图

图8 2007年5 m/s风速下洪泽湖各湖区流场分布图

4 结 论

本文采用MIKE21建立了洪泽湖二维水动力模型，通过对模型参数进行校准，模型可以较好地对洪泽湖进行数值模拟，进而借助该模型展开了不同强度风场和吞吐流作用下的洪泽湖流场变化分析，得到以下主要结论:

(1)大型浅水湖泊的流场结构是决定污染物迁移过程、水体交换频率和水环境质量的重要条件，本文所展开的研究可以为洪泽湖水生态环境提供相应流场分布情况。

(2)风是影响洪泽湖流场结构的重要因素，风速的大小对洪泽湖区的环流结构影响较小，但对环流强度影响较大，即风速越大，则环流强度越大，而且由风形成的逆向环流多存在于凸岸。同时，风场的作用会影响洪泽湖的出流能力，湖区流速随风速的增加呈减小的趋势。

(3)吞吐流是影响洪泽湖流场结构的主要因素，吞吐流是湖泊水流的主要驱动力且吞吐流对出入口局部水域水流流态有较大影响。

(4)洪泽湖的溧河洼区和成子湖区的流场结构主要由风场决定，而南部湖区和东部湖区的流场结构由风场和吞吐流共同决定且以吞吐流为主。