【doc】Mike21在人工湖生态设计中的应用

Mike21在人工湖生态设计中的应用
第26卷第5期
2008年10月
水电能源科学
WaterResourcesandPower
V ol_26No.5
Oct.2008
文章编号:i000—7709(2008)05—0124—04
Mike21在人工湖生态设计中的应用
王哲刘凌宋兰兰
(河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210098)
摘要:应用Mike21软件对金仓湖七种不同设计方案的湖泊流场进行了模拟计算,选择合理设计方案并利用
Mike21对调水时金仓湖的水质变化规律进行预测和分析,为金仓湖的设计和管理提供科学依据.
关键词:Mike21;流速;水质;生态设计;金仓湖
中图分类号:X171.4;TV131.4;X524文献标志码:B
为改善环境,提升城市品位,人工湖已成为城
市规划和发展中的首选.因多种原因,多数人工
湖已富营养化或正在向富营养化发展,湖泊生态
系统结构和功能退化,蓝藻水华频繁爆发,水质性
缺水日趋严重,并造成了巨大损失.因此,人工湖
生态设计和管理逐渐被广泛重视.二维水动力及
物质输运数值模型——Mike21软件[1模拟了
金仓湖的湖泊流场,并对添加设计岛前后控制点
的流速做了对比试验,确定了合理的金仓湖生态
设计方案.通过模拟调水对湖泊中污染物浓度分
布与变化趋势的影响,分析了设计方案的合理性, 为人工湖的生态设计提供了新思路,新方法.
1Mike21在流域模拟中的应用
1.1金仓湖基本情况
金仓湖位于太仓市城厢镇,属于平原河网地
区,河流稠密,塘浦纵横交织,湖荡众多,东侧与长江相连,水流既受地形支配又受长江及内部闸门的人为控制,水流流向顺逆不定.金仓湖可利用
长江与内河潮差自引长江水人杨林塘,让杨林塘清水自引进入候塘和横沥河,再人金仓湖;将湖水置换后,经朱泾河,太竖和无名河流出金仓湖(图1).
1.2定解条件
(1)初始条件.湖底高程,水深和流速.
(2)边界条件.上边界采用进口断面流量过
图1金仓湖供水示意图
Fig.1Schematicdiagramforwater supplyofJincangLake
程,下边界采用出口断面水位过程[1].采用河网演算进水口实测流量,湖泊进水口l,2均为流量边界,流量2m./s;湖泊出水口1,2,3的边界条
件为一维河网水量模型计算的水文边界条件,水位值3.10m.
(3)水文设计.采用2005年太仓市水文站水
情资料.
1.3湖泊流场的模拟
利用Mike21FlowModel对湖泊流场水力
计算,结果显示在出口2有漩涡出现.为使湖泊
内水流平缓,根据现有地形条件,从经济和水动力
两方面考虑,在湖泊中添加小岛以改善湖泊西部
等地死水区的水动力条件,提出改善水质最佳措
施,因此设计了七种方案进行选择,比较.图2为
七种流场模拟方案及计算控制点(纵横坐标为该
湖泊的经纬度,坐标时应的UTM坐标值).
收稿臼期:2008—06—05,修回日期:2008—06—24
基金资助:国家自然科学基金资助项目(50579016);教育部博士点基金资助项目(20060294001)
作者简介:王哲(1984一),男,硕士研究生,研究方向为水环境保护和生态环境评价,E-mail:*********************
通信作者:刘凌(1964一),女,教授,研究方向为环境水文,水环境保护,生态水利,E—mail:***************.cn
第26卷第5期王哲等:Mike21在人工湖生态设计中的应用?125?
3490500
3490300
3490700
3490300
3489900
223800224O00224200
223800224000224200224400224600224800
(c)方案3
(e)方案5
22380022400022420022440()224600224800
(g)方案7
22380022400022d200224I}002246002248(】0
fb)方案2
(d)方案4
2238O0224{)00224200
(f)
22440()2246()0224800
方案6
图27种湖泊流场方案及计算控制点
)计算控点
Fig.2Controlpointofcalculationandlakeflowfieldof7designplans
126?水电能源科学
通过与原方案控制点流速增加百分比的均值
对比(表1),可看出设计方案2最佳,计算均值
146.54;其次为方案6,方案7.
表17种设计方案控制点流速的增加百分比
Tab.1Percentageofcontrolpointsflow
velocityincreasein7designplans
—
鲁——
——
5.49——17.23——15.72——2.21
—
7.43—20.6O一15.24—17.29
—
9.71～28.27—25.52—24.96
—
30.7752.27—72.84—5909
—
32.7633.78—66.67—47.3O
630.88400.11720.65292.57
367.25294.51492.04311.27
239.20106.18291.97327.09
—
496.7O634.52——572.43428.03
14.22257.6759.1681.35
65.8l293.27118.84113.18
—
69.5217.16—71.97—76.79
——
65.7613.35—83.46——80.26
—
59.8714.84—89.08—76.93
38.52146.5447.8483.48
——
8.54——6.32—12.45
—
1.60一l3.11—10.96
—
0.70—15.34～10.00
34.3334.3311.09
26.8315.5616.83
273.57178.92287.16
236.52191.40338.96
l14.7O181.92280.30
590.90761.7i545.44
l67.27227.79186.02
259.24335.87270.82
25.16—33.77—36.74
13.62—31.60—33.08
19.32—22.22—28.16
125.O5128.94128.94
由于湖泊生态设计考虑了多个因素,因此表
1并不能完全反映湖泊流动性的优劣.①湖泊的漩涡.如果采用方案4,6,7,靠近出水口3将产
生很大的漩涡,可能使本应通过出水口3流出较
差水质的水又重新流入湖内,因而水质未能得到
改善.如果采用方案5,靠近进水口2,出水口2,
3亦出现漩涡,也不利于水质变好.采用方案2
时,由图2(b)可看出,金仓湖湖中小岛可充分利
用现有水下地形,不仅湖流条件较好,而且水质得
到更新.②湖泊的中间流动性.湖泊的中间流动
性很重要,因为湖泊中部远离湖泊进,出水口,湖泊
中间易富营养化,通过湖泊中间的控制点12～14
流速百分比均值可反映湖泊的中间流动性.方案
5的湖泊中间流动性最好,控制点流速百分比均值
达19.37,其次为方案2.③工程投资.主要用
于开挖湖泊和填土,如果以小岛地面高程为4.1m (吴淞高程)计算,方案4的设计小岛用土最大,需
土方量55123;方案6需土方量5631.74m3;
方案2用土量较小,需土方量12840.25.
2在调水水质预测中的应用
2.1水质定解条件
根据一,二维耦合区内公共单元的水质浓度满
足相容条件,仅耦合公共区内的水质浓度应满足质
量守恒条件,因此对河网水质模型进行水质计算得
到各进水口和出水口水质浓度结果作为湖泊水质
边界条件:COD浓度为12rag/L;TN浓度为
0.725mg/L.金仓湖的水质初始条件采用《地面
水环境质量标准~(GB3838—2002)四类水标准L5],即COD浓度为30mg/L,TN浓度为l_5mg/L.
2.2扩散系数
选择扩散系数最好的方法是从标准过程中获
得系数,将模拟和测量的浓度区域加以对比.对
2005年7月各断面的实测水质的浓度值进行数
值模拟,试算并调整降解系数达到总体最优时即为所求的参数.由分析的结果取扩散系数为0.05m/s.
2.3水质预测分析
以方案2为例,用泵引杨林塘清水换水,持续
2d后湖泊中14个控制点水质浓度变化计算结果
如图3所示.
,
J
-
皇
Z
5-
调水时间/h
(a)COD浓度
调水时间/h
(b)TN浓度
图3调水2d时各控制点COD,TN浓度变化曲线Fig.3ChangecurvesofeachcontrolpointS CODandTNconcentrationaftertwodays
由图3可知:①湖泊进水口处水质变化.经2d
换水后,进水口1处控制点1～3的C0D平均浓
度23mg/L,平均去除率23;TN平均浓度1.2
mg/L,平均去除率219,6.湖泊进水口2处控制
点9～11的COD平均浓度19mg/L,平均去除率37;TN平均浓度1.0mg/L,平均去除率37.
②湖泊中部的水质变化.经2d换水后,湖泊中部
控制点12～14的COD平均浓度21mg/L,平均去
除率31;TN平均浓度1.08mg/L,平均去除率
为28.③湖泊南部的水质变化.湖泊出水口2
处控制点4,5的COD平均浓度28mg/L,平均去除
率7%0;TN平均浓度1.4mg/L,平均去除率5.
④湖泊西部水质变化.湖泊西部的控制点6～8的
COD平均浓度26mg/L,平均去除率13;TN平
均浓度1.31mg/L,平均去除率13.
由此可知,定期换水可促进湖水流动,有利于
维护金仓湖水质保持良好.
322】1
一.1.【),疑口0u
.....n捣M
雅
●h8
第26卷第5期王哲等:Mike21在人工湖生态设计中的应用?127? 3结语
a.采用标准化的Mike21软件模拟计算流
场及水质并对比七种设计方案,方案2最佳.
b.通过金仓湖水质数值模拟,结果表明定期
引长江水对金仓湖换水,可促进湖水流动,增加水
体自净能力,有利于维护金仓湖良好的水质状况.
c.使用Mike21软件研究金仓湖生态设计和
规划可行性,为设计提供了科学依据,可供借鉴.
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ApplicationofMike21inEcologicalDesignofArtificiaLake
W ANGZheLIULingSONGLanlan
(StateKeyLab.ofHydrologyWaterReSourcesandHydraulicEng.,HohaiUniv.,Naniing21 0098,China)
Abstract:ThispaperusesMike21softwaretocalculateandsimulate7differentschemesofJiu canglakeflowfieldof
designssoastofindthemostreasonabledesign.Then,thevariationofwaterqualityispredicte dandanalyzedbyMike21
software,whichprovidesascientificbasisforthedesignandmanagementofJincangLake. Keywords:Mike21;flowvelocity;waterquality;ecologicaldesign;JincangLake
(上接第152页)
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TsinghuaUniv.,Beijing100084,China;2.DepartmentofMechanicalEng.,AcademyofArm oredForceEng.,
Beijing10072,China;3.DepartmentofInformationEng.,AcademyofArmoredForceEng., Beijing100072,China)
Abstract:FatiguestressanalysisofFrancisturbinebladeisthefirststepoffatiguereliabilityde sign.Thedatacalcu-
latedbyComputationalFluidDynamics(CFD)softwarewerefirstlytransformedintothefini teelementanalysis(FEA) softwareANSYSbytheinterfaceprogramwritteninVC++language.Then,numericalanaly siswascarriedOUttOob—
tainthefatiguestressbyfiniteelementmethod.Theresultshowsthatthespotofmaximumstre ssbyFEAanalysisagrees withtheobservedactualfailurelocationOlltheblade.Byapplyingtherain-flowcyclecountin gtothestresstimehistory, thetwobasicstochasticquantitiesofappliedfatiguestresscycle-meanandamplitude—meanwerecountedtoestimatethe jointdistributiondensityfunctionparametersandthenhypothesistestwascheckedforthejoi ntdistribution.
Keywords:Francisturbine;finiteelementanalysis(FEA);rain-flowcounting;loadingspect rum;fatiguereliability
design。