城市景观湖泊水动力学模拟研究——以西安浐灞雁鸣湖2号湖为例

摘要

随着国家城市化进程推进速度的不断加快，为改善不断恶化的城市环境，越来越多的城市景湖泊应运而生，城市景观湖泊作为城市绿色的象征，其不仅能作为市民休闲娱乐的场所，调节区域小气候，而且在对一座城市的环境生态系统的改善方面，具有特殊的存在意义，本文应用水动力学相关理论结合MIKE21模型构建西安沪灞雁鸣湖2号湖的二维水动力学模型，模拟分析了湖体在水量、风场等不同条件下流场、浓度场的变化趋势，为日后开展湖体的综合治理、水环境优化配置和管理的提供技术依据，通过对湖体的研究分析，论文得出以下结论：
　　 (1)根据雁鸣2号湖2008年水质监测数据，对MIKE21模型在雁鸣2号湖的适用性研究表明，几项主要污染物数据的误差基本处于10％之内，MIKE21在雁鸣2号湖具有较强的适用性。
　　 (2)雁鸣湖区2号湖湖体的水质主要受入湖水质的影响，属于磷控制型富营养化湖泊，富营养化程度介于中度富营养化及富营养化之间，水质情况整体处于地面水环境质量Ⅲ类水质，湖体的水环境状况较差。
　　 (3)湖区全年流速均值只在出口处及入口处较大，约为0.04-0.07m/s之间，区域约为湖体面积的5％；湖泊主体区域内流速处于0.001－0.003m/s之间，尤其是水流进入大湖体区域后，流速基本处于0.001-0.002m/s，并在湖体东西两侧护岸地带形成流速小于0.001m/s区域，面积约为湖体的20％。流场流动方向为由南向北、沿湖心岛两侧向湖心岛中心处集中，至出湖口流出。
　　 (4)湖区全年主要污染物浓度分布与入湖口的流量、浓度相关。COD与TN分布情况相似，湖体浓度分区明显，湖体浓度由南向北逐渐降低，湖体整体COD浓度处于14.4-12.8mg/l，TN浓度处于2.1-3.3mg/l；TP的浓度分布规律不存在明显的分区现象，湖泊TP浓度整体处于0.046-0.047mg/l，在湖心岛西北岸及大湖区中心区域形成一段低浓度带，面积约占湖体总面积的2％，浓度约为0.045mg/l；同时，由于在湖体西北边岸附近水动力条件较差，存在一面积约占湖体面积2％的低COD、高TN、高TP的浓度带，浓度值分别为COD10mg/l、TN3.5mg/l、TP0.047-0.050mg/l。
　　 (5)持续风力条件作用下，湖区的流场、浓度场均发生变化明显，主体流速经过大约1小时后，由0.001－0.003m/s增大至0.016-0.08m/s，浓度场的浓度值也得到了有效的消减，提高了湖体的纳污能力，以东北风及东南风提高效果最明显；在短时风力下，相对于流速场，湖区浓度场的变化较小；短时风力条件作用骤停后，流场会在短时间内恢复初始无风时的形态，其中顺水流方向的风大约需要3小时左右，小于逆水流方向7小时的恢复时间，而浓度场的恢复时间相对较长，顺水流方向的风大约需要1-2天左右，小于逆水流方向3-4天的恢复时间。
　　 (6)湖区的水体置换时间主要取决因素为湖体引水量的大小，湖体的置换时间随流量的变大而不断减小，但随着入湖流量的不断增加，湖体中高浓度带到达出湖口的时间、高浓度带置换湖体时间及浓度带达到稳态时间的减少量不断变小；在湖体年均流量0.2m3/s的情况下，高浓度污染物经过5天的时间会达到出湖口处，10天后湖体原有水体会基本被高浓度污染带置换结束，仅在湖体的西北岸及东北岸会有小范围的低浓度区域，面积约占湖体面积的9％。