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标题 基于水交换的湖泊调蓄模式研究
范文 冯晓波+党承华


摘要：水交换强度与水体水质状况密切相关，通过水交换的分析计算可以对湖库进行合理调蓄，达到控制其生态、环境质量的目的。本文利用三维数值模型对所研究的湖泊进行了水龄的计算，分析了水交换强度的季节变化趋势和空间分布特点；同时结合数值实验，定量分析了不同调度模式对水交换时空分布的影响。最后给出了对湖泊调度模式的建议。
关键词：水交换；湖泊；水龄；调度
中图分类号：P333文献标志码：A文章编号：
1672-1683（2015）001-0114-03
Study on lake regulation based on water exchange theory
FENG Xiao-bo1，DANG Cheng-hua2
（1.Supervision Centre for Construction of the South-to-North Water Division Project，Beijing 100038，China；
2.Hebei University of Engineering，Handan 056038，China）
Abstract：The intensity of water exchange is closed related to the water quality.The lake can be regulated properly according to the analysis of water exchange，its quality of ecology and environment can be controlled.By using the method of three-dimensional numerical model，the age of the water was calculated，and the seasonal change and spatial distribution characteristics of water exchange intensity was analyzed in this paper.Combing with the numerical experiment，the effect of different lake regulation mode on spatial distribution of water exchange was analyzed，and suggestions about how to operate the lake were given at the end of this paper.
Key words：water exchange；lake；water age；regulation
1研究背景
水利是生态环境建设的主体，承担着水环境保护、河湖健康保障的重要职责。随着人们对水环境综合治理以及生态建设和环境保护工作的日渐重视，对于水库和湖泊的调蓄和调度规则在已有的防洪、兴利的基础上，发展考虑上下游的生态和环境健康，针对这一问题国内众多学者做了大量的研究工作[1-5]。近年来水生态文明建设的不断深入，以生态景观为主要任务的水库、湖泊或城市水面不断增多，如何对这些水体进行合理调蓄，充分发挥其生态和环境效应，是目前亟需关注的问题之一。大量研究表明水交换能力反应了水体的自净能力，与水环境、水生态密切相关[6-8]。
水交换能力体现了水动力过程对物质的循环、交换、更新的时间效应。为了表示水域水交换能力，通常是通过定义各种时间尺度参数来描述水体交换能力的强弱或快慢。
以往定量的衡量水交换能力的参数为更新时间（renewal time）或净化时间（flushing time），表示水体全部被置换的时间即：
Tf=VQ（1）
其中：V为控制区域水体体积；Q为进出该区域的流量。使用该概念研究水交换问题时的前提假设为水体均充分混合。但是在实际水体中，受出流和入流位置和流量的影响，水体并不能充分混合，因而水交换能力会在时间和空间上呈现的不同。
为了解决更新时间在研究水交换问题时的不足，众多学者有提出了不同的概念。Bolin等对水交换过程研究中各种概念进行总结，提出了水龄（age）的概念[9]，表示质点进入研究区域所经历的时间。Zimmerman在Bolin研究的基础上进行了修改提出了存留时间[10]（residence time）的概念，来表示某个质点离开控制区域所需时间，物质在离开研究区域后，由于受动力因素的影响，又可能再次甚至多次返回研究区域。暴露时间（exposure time）是物质存在于研究区域的总时间，水体中的时间概念见图1。
综上所述，采用水龄或存留时间研究水交换问题可以充分反映水交换强度的时空不均的特性，再此基础上可以通过分析水交换的时空分布特性，优化工程调度方案，合理调控水
（水龄=虚线，存留时间=点画线+双点画线，暴露时间=水龄+存留时间）
图1水体时间概念示意图
交换强度，最终达到控制水体水生态、水环境质量的目的。
2材料与方法
2.1数值模型
对水交换的研究应采用三维水动力模型。本次研究采用的模型在水平方向上采用Cartesian坐标；在垂直方向上采用Sigma坐标，这样可以使深水区和浅水区具有相同的垂向分辨率。
z=z*+hη+h（2）
2.2研究区域
我国某市内湖泊平面如图2所示，湖泊南北长约10.5 km，东西宽约10.1 km，水位常年保持在30 m。市内河流的生态景观水从西北侧（位置1）进入湖内，湖泊天然径流由北侧流入湖内（如虚线所示），湖内水可由设在西南（位置2）和东南（位置3）的闸门向外退水（年内各月入湖量如图3所示）。通过分析生态景观入流及不同闸门运行情况对湖内水交换周期的影响，可以合理制订湖泊调蓄模式，充分发挥其生态景观效益，达到水生态文明建设的需求。
图2研究区域平面图
图3年内各月入湖量
2.3数值模型设计
根据研究区实测地形数据，建立水平方向97×66的计算网格，分辨率为100 m×100 m，如图4所示，垂向平均分为4层。时间步长为10 s，数值模型计算5年，水龄年际间无明显变化，计算达到稳定。
为了分析生态景观入流及不同闸门运行方式对湖内水交换的影响，设立四种不同的运行方案（见表1），分别进行了模拟计算。
图4研究区域水平网格及湖底高程
表1模拟方案
方案编号湖内水位/m生态景观入流系列调度闸门入湖天然径流
1301两闸门同时开启有
2301仅使用西侧闸门有
3301仅使用东侧闸门有
4302两闸门同时开启有
5311两闸门同时开启有
3结果
3.1水交换的时空变化
选取方案1的模拟结果（如图5所示）对水交换的时空分布特征进行分析。（1）从空间分布上来看，水龄呈现北低南高，北半部分湖泊呈现西低东高，南半部分湖泊呈现东西大致相等，这是由于大部分径流从西北方流入，并从东南和西南的水闸流出的原因；（2）从时间分布上看，水龄随季节的变化而变化，呈现夏季和秋季较低，冬季和春季较高的现象。这是由于入湖径流呈现夏秋高，冬春低的原因。
图5水龄的季节变化
3.2调蓄方式对水交换的影响
不同设计方案计算水龄的结果如图6所示。对于相同的入流量（方案1、2、3），东西两个闸门同时开启，湖内水龄均值最低，仅开启西侧闸门，湖内水龄均值最高，两者相差约170 d。因此西侧闸门最不利于湖内水交换。虽然生态景观流量由0.6 m3/s（方案1）提升至1.3 m3/s（方案4），湖内水龄均值并未降低，因此上游生态景观水量的调整对湖内水交换基本无影响。③在不同水位运行状况下（方案1、5），较高的水位会使湖内水龄提高109 d，因此维持相对较低的水位，有利于湖内水交换。
图6多种调蓄模式的水龄分布
4结论
（1）数值模拟的结果表明，湖泊水交换强度在时空分并不均匀。全湖水龄均值在年内随入湖水量的变化而变化，呈现夏秋低，冬春少的特点，并且靠近入流位置的水龄较低，而靠近出流位置的水龄较高。
（2）湖泊的闸门启闭的调蓄模式会对湖内水交换产生影响。开启单一闸门调度时，都会在湖内产生水龄较高的区域，不利于湖内水交换；两个闸门同时开启进行退水时，湖内水龄明显降低，有利于湖内水交换。
（3）上游河流入流水量和湖内水位的变化对水交换的影响不尽相同。上游河流生态景观流量的变化不会对湖内水交换产生影响，而提高湖泊运行水位时，会使湖泊水龄增高。
水龄值高说明水体水交换强度较弱，水体更新较慢，容易发生水环境质量问题；反之则说明水体更新较快，水体自净能力较强。因此在湖泊调蓄的过程中，宜同时开启两个闸门进行退水，同时保持相对较低的运行水位，以保障湖内水体水交换通畅，实现其水环境、水生态的功能。参考文献：
[1]王远坤，夏自强，王桂华.水库调度的新阶段-生态调度[J].水文，2008（01）：7-9+76.
[2]金鑫，王凌河，赵志轩，等.水库生态调度研究的若干思考[J].南水北调与水利科技，2011（02）：22-26+32.
[3]崔国韬，左其亭.生态调度研究现状与展望[J].南水北调与水利科技，2011，（06）：90-97.
[4]王学敏，周建中，欧阳硕，等. 三峡梯级生态友好型多目标发电优化调度模型及其求解算法[J]. 水利学报，2013（02）：154-163.
[5]黄草，王忠静，李书飞，等.长江上游水库群多目标优化调度模型及应用研究I：模型原理及求解[J].水利学报，2014（09）：1009-1018.
[6]Nixon S W，Ammerman J W，Atkinson L P，et al.The fate of nitrogen and phosphorus at the land-sea margin of the North Atlantic Ocean[M]//Nitrogen cycling in the North Atlantic Ocean and its Watersheds.Springer Netherlands，1996：141-180.
[7]Lucas L V，Thompson J K，Brown L R.Why are diverse relationships observed between phytoplankton biomass and transport time[J].Limnology and Oceanography，2009，54（1）：381-390.
[8]Shen J，Hong B，Kuo A Y.Using timescales to interpret dissolved oxygen distributions in the bottom waters of Chesapeake Bay[J].Limnol.Oceanogr，2013，58（6）：2237-2248.
[9]Bolin，B.，Rodhe，H.A note on the concepts of age distribution and transit time in natural reservoirs[J].Tellus，1973（25）：58-62.
[10]Zimmerman，J.T.F.Mixing and flushing of tidal embayments in the Western Dutch Wadden Sea，Part I：Distribution of salinity and calculation of mixing time scales[J].Netherlands Journal of Sean Research，1976（10）：149-191.
[11]Hamrick J M.A three-dimensional environmental fluid dynamics computer code：theoretical and computational aspects[M].Virginia Institute of Marine Science，College of William and Mary，1992.
[12]Deleersnijder E，Campin J M，and Delhez E J M.The concept of age in marine modelling I.Theory and preliminary model results.Journal of Marine Systems，2001a，28：229-267.
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更新时间：2024/12/23 9:02:45