基于MIKE21数值模拟的滆湖换水能力评估分析研究.pdf
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1、Journal of Water Resources Research 水资源研究水资源研究,2023,12(4),334-346 Published Online August 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/jwrr https:/doi.org/10.12677/jwrr.2023.124038 文章引用文章引用:李承龙,郭生练,高勋,冯智敏,詹慧婕.基于 MIKE21 数值模拟的滆湖换水能力评估分析研究J.水资源研究,2023,12(4):334-346.DOI:10.12677/jwrr.2023.124038 基于基于MIKE
2、21数值模拟的滆湖换水能力评估数值模拟的滆湖换水能力评估 分析研究分析研究 李承龙李承龙1,郭生练,郭生练1,高,高 勋勋2,冯智敏,冯智敏3,詹慧婕,詹慧婕4 1武汉大学水资源工程与调度国家重点实验室,湖北 武汉 2浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司,浙江 杭州 3黄河水利委员会宁蒙水文水资源局,内蒙古 包头 4河海大学水文水资源学院,江苏 南京 收稿日期:2023年7月17日;录用日期:2023年8月15日;发布日期:2023年8月29日 摘摘 要要 湖泊换水能力直接影响着污染物迁移和水体自净能力,为探究不同引水流量入湖对滆湖换水能力的影响,文中湖泊换水能力直接影响着污染物迁移和水体自净
3、能力,为探究不同引水流量入湖对滆湖换水能力的影响,文中使用使用MIKE21建立了滆湖水动力水质模型,模拟并对比分析多种工况及工况组合对湖区整体和局部的水体交换建立了滆湖水动力水质模型,模拟并对比分析多种工况及工况组合对湖区整体和局部的水体交换能力的影响;提出了使用水体更新时间和水体交换率两个指标,定量分析交叉验证水体交换能力。结果表明:能力的影响;提出了使用水体更新时间和水体交换率两个指标,定量分析交叉验证水体交换能力。结果表明:引水流量为引水流量为100、150、200、250 m3/s时整个湖泊水体交换率到达时整个湖泊水体交换率到达80%以上分别需要以上分别需要60 d、45 d、32 d
4、、30 d。本文的网格划分方案为湖泊水动力水质模型建模提供了新思路,换水能力两个指标能够从时间和空间上综合全本文的网格划分方案为湖泊水动力水质模型建模提供了新思路,换水能力两个指标能够从时间和空间上综合全面的评估湖泊换水能力,研究成果可为滆湖水质改善工程提供重要科学参考。面的评估湖泊换水能力,研究成果可为滆湖水质改善工程提供重要科学参考。关键词关键词 滆湖,水体更新时间,水体交换率,换水能力,滆湖,水体更新时间,水体交换率,换水能力,MIKE21 Evaluation and Analysis of Water Exchange Capacity of Gehu Lake Based on M
5、IKE21 Numerical Simulation Chenglong Li1,Shenglian Guo1,Xun Gao2,Zhimin Feng3,Huijie Zhan4 1State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science,Wuhan University,Wuhan Hubei 2Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydro-Electric Power Co.,Ltd.,Hangzhou Zhejiang 3Nin
6、gmeng Hydrology and Water Resources Bureau of Yellow River Conservancy Commission,Baotou Inner Mongolia 4College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing Jiangsu Received:Jul.17th,2023;accepted:Aug.15th,2023;published:Aug.29th,2023 作者简介:李承龙,男,研究生,研究方向:水资源与水环境,Email: 基于 MIKE21 数值模拟的滆
7、湖换水能力评估分析研究 DOI:10.12677/jwrr.2023.124038 335 水资源研究 Abstract The water exchange capacity of lakes directly affects the migration of pollutants and the self-purification capacity of water bodies.To explore the influence of different water diversion flows on the water ex-change capacity of the lake,MI
8、KE21 was used to establish a hydrodynamic water quality model of the lake,and the influence of various combinations of working conditions on the overall and local water ex-change capacity of the lake area was simulated and compared.The quantitative analysis of water renew-al time and water exchange
9、rate was proposed to cross-verify the water exchange capacity.Considering the investment amount and effect,the results show that when the water diversion flow is 100,150,200 and 250 m3/s,the water exchange rate reaches over 80%of the whole lake needs 60 d,45 d,32 d and 30 d,respectively.The meshing
10、scheme provides a new idea for the modeling of lake hydrodynamic water quality model,and the dual indicators of water exchange capacity can comprehensively evaluate the lake water change capacity both from time and space,which can provide an important scientific reference for the water quality impro
11、vement project of Gehu Lake.Keywords Gehu Lake,Water Renewal Time,Water Exchange Rate,Water Exchange Capacity,MIKE21 Copyright 2023 by author(s)and Wuhan University.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0
12、/1.引言引言 湖泊在水文循环过程中扮演着重要的角色,是地球上大气圈、岩石圈、生物圈、水圈等各个圈层相互作用的重要节点。近几十年来城市建设进程迅猛,很多城市湖泊受到建设活动和周边用地的影响,出现了面积萎缩、水动力条件不足、水质恶化等一系列问题1。现有研究通常使用引水入湖方式来提升水体水动力条件,增强湖泊自我修复能力,改善湖泊水质水环境状况2。换水能力并没有一种统一的指标来定义,一般的评价指标有水体交换率、水体更新时间、水龄3、滞留时间、半交换时间4、净化时间、水体存留时间5等。黄春琳等6使用水龄分布特征来表征太湖水体交换能力,黄爱平等7建立鄱阳湖水龄模型描述其换水能力,唐继张8等以换水周期为指
13、标观察昆明湖换水能力。当前关于湖泊换水能力的研究通常都是单一指标分析,或从空间上分析湖泊各局部区域的换水特性,或从时间上分析湖泊整体浓度变化,难以兼顾湖泊换水能力在时间和空间、局部和整体的变化特点。为探究引水入湖对滆湖水动力条件的影响,定量分析引水流量变化对滆湖换水能力的改善程度,本文提出水体更新时间和水体交换率两个指标来评估湖泊换水能力,既能兼顾其时空变化和局部与整体之间的关系,又能使两个指标的结果形成交叉验证提高结果的可信度。水体更新时间是指水体内物质量减少到原有物质总量的37%时所需的时间,常用于评估近岸海域水交换的研究,近几年被广泛应用到湖泊、河流等水体的运动特性和物质输移的研究,能够
14、表现出水体各个区域水体更新的空间分布特征9。水体交换率可表征整个水体中某种物质含量的变化,体现整个水体中物质平均浓度随时间的变化情况。使用水体更新时间和水体交换率两个指标来描述滆湖这样较为封闭湖泊的换水能力,同时研究其局部水体更新特征和整体水体交换能力是更加全面的。目前湖泊水动力模型包括 MIKE21、EFDC、Delft3D、太湖模型10 11 12等国内外知名的水质水动力模拟软件。本文采用 MIKE21 软件,建立滆湖水动力水质模型来研究其换水能力。采用对流扩散方法,以水体更Open AccessOpen Access基于 MIKE21 数值模拟的滆湖换水能力评估分析研究 DOI:10.1
15、2677/jwrr.2023.124038 336 水资源研究 新时间和水体交换率两个指标来定量评价换水能力,探讨引水入湖情况下滆湖的水动力条件和换水能力的变化。研究结果对水质改善工程规划具有的实际参考价值,为湖泊水体更新研究提供理论依据。2.研究区域概况研究区域概况 滆湖位于江苏省常州市西南方向,横跨常州市武进区和宜兴市,属于浅水湖泊,平均水深 1.3 m,最大水深4 m,湖泊长度 22 km,最大宽度 9 km,现状水域总面积约为 146 km2,总库容 2.1 亿 m3 13 14。如图 1 湖底地形 3D 图所示,湖泊形状西岸岸线较为平滑,东岸岸线较为曲折,相比湖泊西岸,其死水区域较多
16、。湖泊上设有 5 个观测点(观测点位置见图 1)观测 1#断面处引水流量为 100 m3/s,2#、3#断面处水位为 0.2 m 时,5 个观测点坐标及各点处稳定流速度和水深见表 1 所示。此次模拟设置 1 个规划进水口(见图 1,断面 1#)和 2 个规划出水口(见图 1,断面 2#、3#)。Figure 1.3D map of bottom terrain in the Gehu Lake 图图 1.滆湖湖底地形 3D 图 Table 1.Coordinates,stable flow velocity and water depth of five observation points
17、in the Gehu Lake 表表 1.滆湖 5 个观测点坐标和稳定流速及水深 观测点序号 经纬度 流速/cms1 水深/m 1 E 119.8484752,N 31.6820494 0.103 1.12 2 E 119.8804448,N 31.6396883 0.039 1.107 3 E 119.8467778,N 31.5834785 0.112 1.364 4 E 119.8239562,N 31.5389336 0.036 0.976 5 E 119.7661855,N 31.5051893 0.692 2.659 基于 MIKE21 数值模拟的滆湖换水能力评估分析研究 DOI
18、:10.12677/jwrr.2023.124038 337 水资源研究 3.研究方法研究方法 3.1.水水动力模型构建动力模型构建 1)数据预处理与模型建立 滆湖水动力学模型采用丹麦水利研究所(DHI)开发的 MIKE21 数学模型软件进行建模,MIKE21 模型是二维平面水流数学模型的一种。该模型在国内已经得到了广泛的运用,常用于河流、水库、湖泊、海湾等水体区域的流场、水质和泥沙运输的模拟。其详细的原理与数学求解方法在本领域很多研究中都有极为详尽的介绍15 16,本文就不再过多介绍。数据预处理过程中,利用 CAD 和 ArcGIS 软件将测绘得到的湖泊边界及高程散点数据的 dxf 文件转换
19、成 xyz文件并导入 MIKE21 中生成模型。将湖泊 5 个观测点的经纬度坐标转换到相应的投影坐标下,利用 MIKE21 自带的数据转换工具进行批量转换并生成观测点坐标文件导入模型。2)网格划分及网格划分方案对比 为适应湖泊复杂的湖底地形和曲折的岸线情况,本文在建模过程中绘制了 4 种不同特点的网格划分方案(如图 2、图 3 所示),来对比不同网格划分方法对模型模拟精度和计算效率的影响,并比选出最合适的网格划分方案。考虑到湖泊引水出入口处流态更加复杂,所以在 B、C、D 方案中在出入口处不同程度的增加了计算网格的 Figure 2.Mesh diagram of A and B mesh d
20、ivision schemes 图图 2.A、B 网格划分方案网格图 基于 MIKE21 数值模拟的滆湖换水能力评估分析研究 DOI:10.12677/jwrr.2023.124038 338 水资源研究 Figure 3.Mesh diagram of C,D meshing schemes 图图 3.C、D 网格划分方案网格图 Table 2.Attribute tables for four meshing schemes 表表 2.四种网格划分方案的属性表 网格划 分方案 网格形态及大小 三角网 最小角度 网格 数目 节点数 入口(1#断面)左出口(2#断面)右出口(3#断面)中心湖泊
21、 A 方案 三角网格,单位网格最大面积为 120,000 m2 三角网格,单位网格最大面积为 120,000 m2 三角网格,单位网格最大面积为 120,000 m2 三角网格,单位网格最大面积 为 120,000 m2 33 3379 1862 B 方案 三角网格,单位网格最大面积为 10,000 m2 三角网格,单位网格最大面积为 10,000 m2 三角网格,单位网格最大面积为 10,000 m2 三角网格,单位网格最大面积 为 100,000 m2 33 5695 3011 C 方案 三角网格,单位网格最大面积为 90,000 m2 边长为 200 m 的 矩形网格 三角网格,单位网格
22、最大面积为 90,000 m2 三角网格,单位网格最大面积 为 200,000 m2 33 1461 832 D 方案 边长为 200 m 的 矩形网格 边长为 200 m 的 矩形网格 边长为 200 m 的 矩形网格 三角网格,单位网格最大面积 为 100,000 m2 34 2997 1713 基于 MIKE21 数值模拟的滆湖换水能力评估分析研究 DOI:10.12677/jwrr.2023.124038 339 水资源研究 密度;同时考虑到引水出入口处流向更加确定,所以 C 方案中在左出口(2#断面)处设置了矩形网格,D 方案中出入口(1#、2#、3#断面)处均设置了矩形网格。4 个
23、方案网格划分主要特点如下:A、B 方案均采用三角网格划分,A 方案网格划分在全湖区域内较为均匀,而 B 方案在入水口和出水口处网格划分进行了有明显的细化处理;C、D 方案采用湖泊中心使用三角网格、出湖口的河道区域使用矩形网格,D 方案相比 C 方案的网格更加密集。各方案的网格形态、网格参数设置见表 2。3)模型主要参数设置 模型重要参数及模型边界设置信息见表 3。Table 3.Construction and parameter setting of MIKE21 hydrodynamic model 表表 3.MIKE21 水动力模型的构建和参数设定 模型构建 参数设置 模型适用性 正压模
24、式,深度平均(2D)1#断面流量边界 100 m3/s 2#、3#断面水位边界 0.2 m 空间计算域 146.18 km2 离散分辨率 网格尺寸变化范围 时间步长 3600 s 计算时长 90 d CFL 条件数 0.8 曼宁糙率系数 空间分布,变化范围 0.0200.091 3.2.模型率定与验证模型率定与验证 1)最优网格方案选取 分别对 4 种网格方案进行多次率定,得到每个网格划分方案下的最优糙率空间分布图,将相应的最优糙率分布图导入对应网格方案模拟计算,得到各方案观测点流速和水深的模拟值,进行误差分析和比较。由分析表4 和表 5 可知,A 方案 5 个观测点水深平均相对误差为 3.4
25、%,相对误差最大值为 7.00%;B 方案水深平均相对误差为 0.44%,相对误差最大值为 0.75%;C 方案水深平均相对误差为 3.70%,最大相对误差为 9.4%;D 方案水深平均相对误差为 1.75%,最大相对误差为 3.90%。4 个方案水深模拟结果最大相对误差均在 10%以内,5 个观测点平均误差均在 4%以内,模拟结果均在合理范围之内。Table 4.Relative errors of water depth simulation values for each scheme 表表 4.各方案水深模拟值相对误差 观测点 实测值/m A 方案 B 方案 C 方案 D 方案 模拟值
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