IWIND-LR模型在抚仙湖水位模拟中的应用

IWIND-LR模型在抚仙湖水位模拟中的应用
张月霞;谢骏
【摘要】根据抚仙湖流域的地形、水文条件和实测资料,利用IWIND-LR模型,模拟了抚仙湖的水位变化过程.结果表明,IWIND-LR模型能较好地模拟抚仙湖的水位过程,模拟误差在可接受范围内,模拟结果可为抚仙湖的水位控制提供参考,并将为下一步抚仙湖水质模拟提供前提条件.
【期刊名称】《环境科学导刊》
【年(卷),期】2018(037)003
【总页数】6页(P46-51)
【关键词】IWIND-LR模型;高原湖泊;水位模拟;抚仙湖
【作者】张月霞;谢骏
【作者单位】云南省环境科学研究院,云南高原湖泊流域污染过程与管理重点实验室,云南昆明 650034;云南省环境科学研究院,云南高原湖泊流域污染过程与管理重点实验室,云南昆明 650034
【正文语种】中文
【中图分类】X87
抚仙湖是我国最大的深水型淡水湖泊，是云南高原湖泊中蓄水量最大的湖泊，确保其优良的水质和稳定的水位对整个流域的发展至关重要。

随着人口增长和经济的发展，抚仙湖出现了不同程度的水环境问题，主要问题有：湖泊局部水域水质呈下降
趋势，水位持续下降，流域污染负荷增大，水土流失依然严重，水资源管理有待加强。

目前，针对抚仙湖的综合治理规划或计划方案所依据的基础资料和数据既不系统也不全面，或者所依据的基础数据过于陈旧；湖泊水动力学特征、水环境演变机理、富营养化发展趋势预测等方面的研究亟待加强，区域水环境问题的原因有待进一步研究。

因此，本文采用IWIND-LR模型中的水动力模块开展抚仙湖的水位模拟，旨在探明抚仙湖的水量和水位变化规律，以期为下一步抚仙湖水质模拟提供基础数据，为抚仙湖的实际应用管理工作提供支撑。

1 研究区域概况
1.1 地理位置与湖泊形态
抚仙湖位于云南省玉溪市境内，居滇中盆地中心，距昆明市东南60 km处，流域
地跨澄江、江川和华宁三县[1]。

地理位置为北纬24°21′28″～24°38′00″，东经102°49′12″～102°57′26″。

抚仙湖与滇池的水平距离为17 km，南部有2.5 km
长的隔河与星云湖相通。

抚仙湖属珠江流域南盘江水系，是一个半封闭的山间盆地型流域，流域面积675 km2[2]。

当湖面高程为1722.5 m时，水域面积约216.6 km2，湖长约31.4 km，湖最宽处约11.8 km，湖岸线总长约100.8 km，最大水深158.9 m，平均水深95.2 m，相应湖容水量约206.2亿m3，占云南省九大高
原湖泊总蓄水量的68.2%。

1.2 流域水系
抚仙湖流域入湖河流103条，主要入湖河流34条，重点入湖河流16条。

其中集水面积大于30 km2的有3条(东大河、西大河和梁王河)，10～30 km2的6条。

这些河流大多是间歇性的山区河流，并呈辐合状汇入抚仙湖。

较大的河流有东大河、梁王河、代村河、马料河、沙盆河、山冲河、尖山河、路居东大河、大鲫鱼河、牛摩大河、青鱼湾新大河、兜底寺河、西大河、上村河、大沟河、白石头河、蒿枝箐、大龙潭河和世家大河等。

图1为抚仙湖流域水系图。

2 研究方法
2.1 IWIND模型简介
IWIND，即智能流域集成决策系统，核心理念是智能流域管理(IWM)与面向对象
的智能设计(OOID)。

基于该理念的软件工程化，“IWIND”软件系统包含并集成
实施整个IWM和OOID所需要的高端数值模拟与优化工具，为各种湖泊水库和河流系统的智能管理和工程规划设计提供科学化、精细化的定量决策工具。

IWIND系列软件包含两个主要模型——湖泊模型和流域模型。

IWIND-LR模型是IWIND系列软件中的湖泊模型。

IWIND-LR以环境流体力学代码(EFDC)作为计算内核，可用于一维、二维及三维河流、湖泊及水库等水体的水动力和水质的模拟。

EFDC(Environmental Fluid Dynamic Cold)模型是用Fortran语言编制，集水动力、水质和泥沙-有毒污染物迁移模块为一体的综合模型，用于模拟水系统一维、
二维和三维流场、物质输送(包括温、盐，非粘性和粘性泥沙，N、P、Si等生源要素)、生态过程及淡水入流[3～4]。

该模型可以用于模拟河口、近岸海域、河流、
湖泊、水库以及湿地，到目前为止已在国外众多模型的研究中获得了成功的应用[5]。

IWIND-LR模型以EFDC作为计算内核，包括水动力、水质、水生植被和沉积物
等模块，可以模拟水动力场、温度、盐度、泥沙运输、水质、有毒污染物质。

其中，水动力模块主要采用CH3D水力学模型的原理，在2阶有限微分的基础上对垂向、自由表明和扰动平均进行数值求解，从而给出湖流场、水位和水温场。

水质模型中共包含21个变量，可以模拟各变量在水动力条件下的迁移转化、风力风向对水体水动力特征的影响、硝化作用、反硝化作用、泥沙吸附、沉降、有机物水解矿化、复氧作用、藻类生长捕食和死亡、泥水界面释放通量等物理、化学、生物过程。

泥沙模块把沉积物分为黏性和非黏性泥沙，可以模拟多组分泥沙运输。

IWIND-LR模型的主要功能是实现对于湖泊水库及河流内部动力学与水质动态过程的数值再现，对于污染物进入湖库及河流之后的生命周期进行全方位跟踪[6]，从而建立流域污染负荷、各种工程修复措施与湖库河流内部的水质水生态响应的定量关系，为河流湖泊及流域的水污染治理和规划提供科学的决策依据。

2.2 水动力控制方程
IWIND-LR模型的内核为EFDC，模型的水动力学方程采用垂向静压假定，在水平方向上采用曲线正交坐标系，垂向上采用σ坐标下控制方程，主要有动量方程、连续方程和动量方程[7]。

动量方程：
∂t(mHu)+∂x(myHuu)+∂y(mxHvu)+∂z(mwu)-(mf+v∂xmy-u∂ymx)Hv=-myH∂x(gζ+p)-my(∂xh-z∂xH)∂zp+∂z(mH-1Av∂zu)+Qu
(1)
∂t(mHv)+∂x(myHuv)+∂y(mxHvv)+∂z(mwv)-(mf+v∂xmy-u∂ymx)Hu=-
myH∂x(gζ+p)-my(∂xh-z∂xH)∂zp+∂z(mH-1Av∂zv)+Qv
(2)
∂t(mζ)=-gH(ρ
(3)
连续方程：
∂t(mζ)+∂x(myHu)+∂y(mxHv)+∂z(mw)=0
(4)
∂t(mζ)+∂∂
(5)
状态方程：
ρ=ρ(P,Sa,T)
(6)
盐度和温度输移方程：
∂t(mHSa)+∂x(myHuSa)+∂y(mxHvSa)+∂z(mwSa)=∂z(mH-1Kv∂zSa)+QS
(7)
∂t(mHT)+∂x(myHuT)+∂y(mxHvT)+∂z(mwT)=∂z(mH-1Kv∂zT)+QT
(8)
式中：u是边界拟合正交曲线坐标方向上的速度分量；v是边界拟合正交曲线坐标
y方向上的速度分量；w是边界拟合正交曲线坐标方向上的速度分量；mx和my
分别为度量张量对角元素的平方根；m是度量张量平行式的平方根，m=mxmy；Ax是垂向紊动粘滞系数；Kv是垂向紊动扩散系数；f是科里奥利系数；P是压力；ρ0是参考密度；Sa是盐度；QS和QT是盐度和温度的源汇项。

联立公式(1)～(8)，8个方程可以解出u、v、w、p、ρ、Sa、T和ζ等8个变量[8]。

3 抚仙湖水位模拟
3.1 模拟区域划分
本次模拟区域为抚仙湖流域，包括抚仙湖湖体、入湖河流和出湖河流。

抚仙湖流域面积674.69 km2，当湖面高程为1722.5 m时，水域面积约216.6 km2，湖长约31.4 km，湖最宽处约11.8 km，湖岸线总长约100.8 km，最大水深158.9 m，
平均水深95.2 m，相应湖容水量约206.2亿m3。

入湖河流。

在本次模拟中，根据抚仙湖流域水量平衡计算结果，抚仙湖入湖河流设计为27条，其中包括24条入湖河流和3个散流区。

24条入湖河流为抚仙湖流域流量较大且有长期实测流量数据的入湖河流，其它入湖河流按照所处位置、流域面积、降雨量和径流模数归纳为3个散流区，分别是澄江散流区、江川散流区和华
宁散流区。

27条入湖河流年总流量满足抚仙湖流域水量平衡方程。

出湖河流。

隔河是星云湖与抚仙湖相连的唯一水道，它是在天然河道的基础上由人工疏浚而成，全长 2.5 km，最大过水能力约为21.6 m3/s。

历史上星云湖是抚仙湖的上游湖，星云湖全部出水经隔河进入抚仙湖。

为保护抚仙湖，2003年底，玉溪市委、市政府组织实施了星云湖、抚仙湖出流改道工程，该工程于2007年12月26日竣工。

但从2007年起，星云湖水就没有再从隔河流入抚仙湖。

故而在本次模拟中，抚仙湖出湖河流数量设置为零。

3.2 网格生成
为了能更精确地代表抚仙湖的湖岸线，在本模型的开发中采用了曲线网格法，而非笛卡尔网格。

利用曲线网格的优点是生成的网格可以更好地匹配湖的边界形状而无需划分太多数量的网络，在保证空间精度的情况下提高了计算效率。

网格的生成首先是产生水平断面曲线以离散水体，接下来通过调查获得的地形资料来指定每个横格的深度。

文件cell.inp存放数字化的湖面轮廓。

所有单元均赋予整形变量以表征其类型。

例如，5代表水面，0代表陆地，9代表水陆交界。

程序计算时根据不同的数值辨认水体或陆地。

单元的数量决定了模拟成果的空间精度[9]，本研究在水平方向上将抚仙湖划分为23×46共388个正交曲线网格，每个网格在垂直方向上按西格玛坐标切割成16层以代表抚仙湖的深水特征，这样整个湖泊水体就被划分为6208个计算单元进行控制方程组的求解。

抚仙湖湖面部分平面轮廓可概化为下面的数据文件：
文件dxdy.inp存放所有网格的平面和垂直尺度信息。

主要数据包括：各单元的直角坐标索引( I , J)、各单元的空间尺度 ( DX, DY )、各单元所在位置相对基准水位的水深、各单元所在位置的湖床的粗糙系数、各单元所在位置湖床的植被类型。

抚仙湖各入湖河流的入河口位置需要在模型网格中表示出来。

根据抚仙湖地形图与网格图的叠图结果，抚仙湖入湖河流名称及对应的网格位置(i，j)见表1。

图2为
模型中抚仙湖网格及主要入湖河道对应的网格位置。

表1 抚仙湖入湖河流汇总表
序号入湖河流网格位置1新河口(17,44)2清水沟(18,44)3洋潦营新沟(15,44)4沙盆河(8,44)5洗菜沟(7,43)6路岐河(6,41)7马料河(9,44)8牛摩河(12,18)9梁王河(10,44)10尖山河(7,38)11路居东大河(16,6)12大鲫鱼沟(15,6)13代村河(19,43)14窑泥沟(14,44)15马房中沟(12,44)16青鱼湾新大河(13,5)17禄充河(7,33)18蒿芝箐(20,33)19矣渡河(19,29)20世家河(16,25)21直沟河(18,16)22大沟河(17,18)23居乐大河(18,14)24白石头地沟(17,8)25澄江散流区(13,44)26江川散流区(9,28)27华宁散流区(16,22)
3.3 时间设置
模拟参照日期为2013年12月31日，起始时间为2014年1月1日，模拟长度为365 d，计算步长设置为10 s，计算结果输出时间为6 h，即每天输出4个计算结果。

3.4 输入
IWIND-LR模型的输入数据主要包括初始条件数据、边界条件数据、气象条件数据。

数据传输采用文件的形式，即输入数据整理成一定的格式，形成文本文件，由水动力模块读取输入文件，模拟计算得到流场和温度场模拟结果，生成结果文本文件。

3.4.1 水动力模块
在水动力模块的主控文件中输入关键的水动力参数。

初始温度根据实测值设置为14.5 ℃，边界层粗糙高度调整量设置为0.02 m，网格最小深度为0.2 m，网格水深调整量根据2014年1月1日实测的水位值1720.91 m设置为-4.12 m，干湿边界和涡粘系数等其他参数采用默认值。

水流边界条件位置数为27，根据网格与实际地形图的叠图结果明确各入湖河流所在的具体网格位置。

3.4.2 初始条件
首先确定2014年1月1日观察到的海拔为最初的海拔。

因此，设置2014年1月1日水面高度1720.91 m为初始高程。

初始温度以一月初的观测值为基础设定为14.0 ℃。

所有3个速度向量按水动力学常规初始化为0.0 m/s。

3.4.3 边界条件
模型的边界条件是施加到模型系统上的外部驱动力。

水平边界条件包括27条入湖支流的流量和温度；表面边界条件由与时间相关的气象条件，包括太阳辐射、风速和风向、气温、气压、相对湿度、云量等条件表示。

在抚仙湖模型中，湖流的水平边界条件的设置以2014年1—12月的主要入湖河流的实测数据为基础，这些支流主要包括南岸路居河，东岸郝志琴，西岸尖山河，北岸代村河、窑泥沟、洗菜沟、沙盆河、梁王河等。

水平边界条件的空间表示由模型网格中支流的入湖口所测定的地理坐标点所决定。

IWIND-LR模型需要大气边界数据来驱动流体模型，主要包括大气压力、空气温度、相对湿度、降水、蒸发、太阳辐射、云量、风速和风向等。

从澄江县气象站获得每小时的天气数据，处理成为模型兼容格式以配置大气边界条件。

3.5 模拟结果与分析
利用IWIND-LR模型模拟抚仙湖水位，选取有长期实测水位值的海口站点预测值与实测值进行比较。

从图3中可以看出，模拟得到的海口站水位变化与实测值之间误差不大，模拟水位与实测水位之间的相对均方根误差值为0.00526，比较准确地反映了水位特征，可以认为模拟结果是可信的。

模拟水位与实测水位之间的偏差出现在5月初至8月，其原因主要是由于5—8月间气温相对于其他月份偏高，并且湖体水温变化较大，使得 EFDC模型当中对于湖面蒸发量的计算偏大，从而低估了湖体水量，导致湖体水位计算值偏低，故而与实测数据相比产生了偏差。

4 结语
本文运用IWIND-LR模型的水动力模块建立了抚仙湖水位的预测模型，模拟了抚仙湖2014年全年的水位变化过程。

结果表明，该模型模拟效果较好、精度较高，可为抚仙湖的水位控制提供参考，并将为下一步抚仙湖水质研究创造前提条件。

IWIND-LR模型以EFDC作为计算内核，并进行了数据输入和计算结果输出应用等方面的开发，使得该模型的数值计算能力更强，数据输出应用更加广泛。

尤其水动力模块的模拟精度已达到相当高的水平[10]。

同时，IWIND-LR模型对输入数据的要求也非常高，为了更好地呈现抚仙湖的水位动态，还需要在现场测量和数据收集整理方面做更多的调查和研究。

参考文献：
[1]中国科学院南京地理与湖泊研究所. 抚仙湖[M]. 北京:海洋出版社,1990.
[2]程三友，李英杰. 抚仙湖流域地貌特征及其构造指示意义[J]. 地质力学学
报,2010,16(4)：383-392.
[3]Galperin B, Kantha L H, Hassid S, et al. A Quasi-equilibrium turbulent energy model for geophysical flows [J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 1998，45(1): 55-62.
[4]Mellor G L, Yamada T. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid problems[J]. Reviews of Geophysics and Space Physics, 1982, 20(4): 851-875.
[5]Paul M, Craig P E. A Short Description of the EFDC_DS/EFDC_Exploer 3D Hydrodynamic & Water Quality Modeling System[C].
[6]王冰，刘晓威，王灵志,等. 基于IWIND-LR模型的河流突发性溢油事故模拟与应急响应分析[J]. 安全与环境工程,2016,23(4)：148-153.
[7]刘夏明，李俊清，豆小敏,等. EFDC模型在河口水环境模拟中的应用及进展[J]. 环境科学与技术,2011,34(6)：136-140.
[8]Hamrick J M. A three-dimensional Environmental Fluid Dynamics Computer Code: Theoretical and Computational Aspects[C]. The College of William and Mary，Virginia Institute of Marine Science，Williamsburg，Virginia, 1992，Special Report: 317,63.
[9]陈异晖.基于EFDC模型的滇池水质模拟[J]. 云南环境科学,2005,24(4)：28-30.
[10]周贤宾，吴建，詹中英,等.EFDC模型在饮用水源保护区划分中的应用研究-以杭嘉湖地区某水厂为例[J].环境科学导刊,2009,28(2)：30-32.。