金鸡湖、独墅湖城市内湖水动力模拟研究
李星南
中国三峡上海勘测设计研究院有限公司 上海市 200434
随着城市化的深入发展，生态环保概念愈发普及，居民对城市湖泊高质量水环境的要求也愈发严格。本文针对平原河网特点，对金鸡湖、独墅湖及周边河网水系水力特性进行分析，为区域水环境改善、水利工程总体布局和运行调度方案提供技术支撑。
0、引言
随着社会的高速发展，城镇化水平越来越全面，急剧增长的城市人口和城市经济，造成了城市范围内环境污染、资源短缺、洪涝灾害等问题。城市河流受到污染后，由于水动力条件不足，水质污染愈发严重，随着污染的加剧，对城市水环境和居民生活条件影响很大。
1、工程背景
金鸡湖、独墅湖位于苏州市工业园区，当地陆续开展多项治理措施，但水质仍然较差，主要原因在于水体循环能力弱，易产生蓝藻聚集现象，水体浑浊，透明度差，湖泊生态系统退化，进一步开展园区金鸡湖、独墅湖及周边区域水环境综合治理已迫在眉睫[1-5]。
2、研究原理
针对园区城市水体空间和水动力条件，在深化控源截污的基础上，以调水引流为主，同时实施出入湖河道综合整治工程，从阳澄湖引清水改善金鸡湖水质，增加水动力，加快水体循环。
本文模拟金鸡湖及周边水体流动情况，主要涉及降雨产汇流、污染物负荷和河湖水量等相关模型，计算原理如下：
（一）降雨泾流模型
降雨径流模拟分为产流与汇流两部分。水面产流模拟计算为：
式中：P—日雨量（毫米）；R1—日净雨量（毫米）；E—蒸发皿蒸发量（毫米）；—蒸发皿折算系数。
区域降雨的汇流过程从空间上分为：坡面汇流和河网汇流，其中河网汇流由河网水动力模型来模拟，坡面汇流采用平原河网地区特有的平原区坡面汇流单位线来进行模拟。工业园区没有水田，实际计算中未考虑水田计算因子。
（二）污染负荷模型
污染物按排放方式分为点源污染和非点源污染。
点源污染主要包括工业污染源和城镇生活污染源。
非点源污染一般是指由降雨引起的各种污染物从土壤向水体的扩散。主要包括农田、城市和城镇降雨径流污染、农村生活污染、畜禽养殖和水产养殖污染等。
污染负荷产生模块包括工业、大城市居民、城镇居民、农村居民、城市和城镇降雨产污、化肥、畜禽养殖和渔业养殖8个部分，采用PROD、UNPS和ANPS三种模式计算其产生量。根据污染负荷产生量、各条污染路径的比例系数以及各种处理单元的处理效率，得到计算污染物入河量。
非点源污染具有发生的随机性、机理过程的复杂性、排放途径及排放污染物的不确定性以及污染负荷的时空差异性，本次水量水质数学模型的研究中，将非点源污染分为城市和城镇降雨径流污染、畜禽养殖污染、农田降雨径流污染、农村生活污染和水产养殖污染等五种类型，分别计算其流失过程。
（三）河网和湖泊水量模型
对于湖荡等这一类区域，水流行为的影响主要表现在水量的交换，反映水量交换的指标主要是水位，水位的变化遵循水量平衡原理，即流入区域的净水量等于水体内的蓄量增量：
对该方程可直接进行差分离散求解。
描述河道一维水流运动的圣维南方程组为：
式中：ｑ为旁侧入流，Ｑ、Ａ、Ｂ、Ｚ分别为河道断面流量、过水面积、河宽和水位。为旁侧入流流速在水流方向上的分量，一般可以近似为零。
Ｋ为流量模数，反映河道的实际过流能力，α为动量校正系数，是反映河道断面流速分布均匀性的系数。对上述方程组采用四点线性隐式格式进行离散。
3、模型与计算方案
本次构建的金鸡湖水量水质模型主要包括湖区金鸡湖，独墅湖湖泊模型，泵闸水利工程、边界条件等内容。
模型边界设置采用上游取流量边界，下游取用水位边界的处理方式，其他流量及水位边界采用模型默认边界。
为模型计算以及方案对比需要，方案如下：
基础方案为方案0，园区范围内所有闸泵水利工程全部敞开；
方案一引水15m³/s入金鸡湖，金鸡湖周边不散流，全部引水进入独墅湖，独墅湖周边敞开自由出流；
方案二引水30m³/s入金鸡湖，金鸡湖周边不散流，全部引水进入独墅湖，独墅湖周边敞开自由出流；
方案三为方案二的基础上，引水经金鸡湖入独墅湖后，出流流量可控性分布，其中5m³/s经金鸡湖湖区东侧流出，20m³/s排入湖南部河道，剩余的流量从独墅湖东侧泄流。
4、湖区水动力计算
（一）金鸡湖水动力
基础方案的金鸡湖湖区水动力分布较为复杂。
方案一中金鸡湖东侧流速较大，引水入湖处流速较大。
方案二中引水流量增加，与方案一相比，整个湖区水体流动性较好。
方案三中金鸡湖与方案二相比，整个湖区水体流动性无较大差别。
（二）独墅湖水动力
独墅湖湖区水动力较弱。
方案一情况下，水流全部进去独墅湖区域，因此金鸡湖入独墅湖处水流相对其他区域较大。
方案二情况下，与方案一相比，湖区边缘水体流动性提升，湖区整体流动性较好。
方案三与方案二相比，独墅湖周边的泄流由原来的敞开式修改为周边控制泄流，湖区流速明显较大，湖区流态更加有序和可控。
综合考虑，方案三，即湖区周边控制性泄流时，湖区水流流态较优，对湖区水环境较好。
5、结论
通过模型调度计算，分析对比不同的工程和运行方案，以实现改善金鸡湖、独墅湖水环境的目标。
在方案三情况下，湖区控制性泄流，在既定运行调度下，金鸡湖湖区水体流动性较其他方案无较大差别，独墅湖入湖处流速较大，受周边水利工程控制影响，湖区流速明显较大，湖区流态也更加的有序和可控，对两湖水环境水质有很大的好处。
6、参考文献：
[1]唐淑玲，中小河流治理工程过程中的问题与策略探讨[J]，水利工程：144，146
[2]杨桂山，马荣华，张路，中国湖泊现状及面临的重大问题与保护策略[J]，湖泊科学，2010，22（6）：799-810
[3]王金南，于雷，万军，长江三角洲地区城市水环境承载力评估[J]，中国环境科学，2013，22（6）：1147-1151
[4]夏军，翟金良，占车生，我国水资源研究与发展的若干思考[J]，地球科学进展，2011，26（9）：905-915
[5]中国科学院南京地理与湖泊研究所，太湖流域水污染控制与生态修复的研究与战略思考[J]，湖泊科学，2006，18（3），193-198