基于Delft-3D的湖底形態研究
——以上海迪士尼中心湖為例

馮雙平，王宏俊，唐建華

（1.上海申迪項目管理有限公司，上海200439；2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司上海分公司，上海200439）

基于Delft-3D的湖底形態研究
——以上海迪士尼中心湖為例

馮雙平1，王宏俊2，唐建華2

（1.上海申迪項目管理有限公司，上海200439；2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司上海分公司，上海200439）

湖底形態設計應促使湖泊形成變化的生境，有利于形成湖泊生物群落的多樣性和較為完整的生態系統及良好的水動力環境，有利于湖泊功能的實現以及維護較好的湖泊水質條件。采用三維水動力學模型Delft-3D進行研究，結合中心湖的平面形態，分析在不同的湖底造型條件下，湖區內進出水以及表面風應力引起的吞吐流、風生流的流態及流速大小分布，根據計算結果，經綜合分析推薦最佳湖底地形。。

三維水動力學模型；湖底地形；研究

1 工程簡介

上海迪士尼項目位于上海國際旅游度假區核心區域，定位于世界級綜合性主題樂園和度假區資源，選址于上海市浦東新區川沙新鎮。核心區面積約7km2，分兩期建設，在核心區中部，一期范圍內規劃有一中心湖泊，是樂園的主要水景觀及水上游樂的核心區域。中心湖規劃面積0.39km2，周長約5.5km，東西向最長垂直距離約1km，南北向最長水平距離近560m。中心湖與外圍圍場河通過泵閘進行控制，保證中心湖水質及景觀水位的需求。外方對中心湖的總體要求是生態好、水質高。湖底造型是湖泊形成生態系統的重要保證，湖底呈一定的起伏型態，底部凹凸不平，摩阻增大，不同水深處水溫、水動力條件形成差異，才可形成復雜的生境，有利于形成湖泊生物群落的多樣性和較為完整的生態系統。

2 中心湖湖底構建

2.1 湖底高程

參考類似人工湖工程，并考慮到工程區域現狀河道底高程在0～-1.0m左右，同時考慮湖泊較深時，風生流不易使湖底淤泥再懸浮，有利于保持水質和良好的水景觀，兼顧土方開挖工程量，湖底平均高程取-0.5m。

2.2 湖底設計

湖底設計呈一定的起伏型態，底部凹凸不平，摩阻增大，不同水深處水溫、水動力條件均形成差異，可形成復雜的生境，有利于形成湖泊生物群落的多樣性和較為完整的生態系統。湖泊水位控制如下：低水位3.15m，高水位3.60m，常水位3.45m。

3 湖底形態設計

中心湖湖底地形設計應符合以下原則。

（1）滿足功能需要。游船行經水域最小水深為2.5m；引排水通道要保證一定的深度；

（2）湖面開闊處，可考慮水深相對較深，保證夏季必要的水溫分層，滿足不同種類生物生長需要；

（3）有利于風生流的產生。

本工程為相對封閉的不流通水域，可能會發生富營養化。根據國內外研究發現，水體的流動性對減緩富營養化有一定的作用。風場是封閉水域水體流動的主要動力之一，本工程區常年盛行季風，夏季主風向SSE，冬季主風向NW。

采用三維水動力學模型結合工程湖區的平面形態，分析在不同的湖底造型條件下，湖區內水流的流態及流速大小，根據計算結果優化湖底地形。

根據以往相關工程經驗及本工程的主要特征，考慮風場、地形、島嶼等因素，初步擬定以下湖區地形方案：

（1）“平底”。整個湖區構建成平底形態見圖1，湖泊主要水域湖底高程統一為-1.0m，湖泊常水位下水量為154.8萬m3。

（2）“碟形”。整個湖區構建成以近岸水淺、湖心水深的地形，由湖心處向湖周緩慢輻射，呈碟形形態見圖2。除西側水域外，湖底高程在-2.5～+0.5m之間變化，湖泊常水位下水量為146.3萬m3。

（3）“雙碟形”。湖底考慮構建成東西兩個“碟形”的“雙碟形”形態見圖3。除西側水域外，湖底高程在-2.5～+0.5m之間變化，湖泊常水位下水量為146.5萬m3。

（4）“長碟形”。依湖泊平面岸線形態，湖泊地形設計成近岸水淺、換水通道水深、由換水通道向湖周緩慢輻射的“長碟形”形態見圖4。除西側水域外，湖底高程在-2.5～+0.5m之間變化，湖泊常水位下水量為147.6萬m3。

圖1 中心湖泊“平底”地形方案

圖2 中心湖泊“碟形”地形方案

4 模型計算

研究采用荷蘭Delft水工所的Delft-3D模型的Flow模塊，建立三維水流數學模型。模型計算范圍為擬建的上海迪斯尼中心湖的整個湖泊水域，采用Delft-3D軟件自帶的Rgfgrid工具生成曲線正交網格，網格生成過程中兼顧網格的正交性、擬合岸線。網格的分辨率較高，網格間距約5～12m，在局部區域最小網格間距達5m；模型網格總數約為東西向213×南北向88個。

圖3 中心湖泊“雙碟形”地形方案

圖4 中心湖泊“長碟形”地形方案

4.1 中心湖進出水引起的流場

根據湖泊進、出水換水設計方案，在各地形方案下，由換水所引起的湖區的水體流動非常弱，除了在進出水口周邊局部水域流速近3mm/s外，湖泊大部分水域的水體基本無流動。因此，湖泊地形對換水所引起的水體流動的影響不能反映出來。

4.2 中心湖風生流計算分析

由于湖泊平面形態較小，由工程區實際的風速所引起的風生流很小，故方案計算時，采用風速放大的方法來對各地形方案下的風生流進行模擬，計算風速取為10m/s。

在此條件下，各地形方案下，在夏季主風向作用下，湖區風生流的平面流場形態分別見圖5～圖8所示。

在夏季主風向風場作用下，在各地形方案下，一方面主要受風向影響，另一方面受湖泊平面形態影響，湖泊大部分水域表層流速沿主風向方向；湖泊整個水域包括湖心島周圍基本沒有死水區；總之，湖泊表面流場結構受風向和湖泊平面形態綜合影響，最終形成如圖5～圖8所示的湖泊表面流形態。

湖泊表面流主要是受風應力作用而形成的，為滿足質量守恒，底層出現與表面流向相反的補償流，水體垂向上方向相反的表、底層流形成了垂向環流，這有利于湖泊表、底層水體的交換見圖9。

圖5 “平底”地形方案SE10m/s風況下湖泊流場圖（表層）

圖6 “碟形”地形方案SE10m/s風況下湖泊流場圖（表層）

圖7 “雙碟形”地形方案SE10m/s風況下湖泊流場圖（表層）

圖8 “長碟形”地形方案SE10m/s風況下湖泊流場圖（表層）

圖9 夏季風作用下湖泊水體垂向環流結構

同樣，在冬季主風向風場作用下，各地形方案也基本形成與風向和湖泊平面形態匹配的湖泊平面及垂向流場結構。

由于湖泊平面形態較小，風應力的作用有限，不能形成較為明顯的平面環流形態，因此，四種地形方案下，所形成的湖泊平面流場形態基本一致，地形對湖泊平面流場（風生流流場）結構的影響較小。

各地形方案在夏季主風向風場作用下，湖區風生流（以表層為例）的流速大小的分布見圖10～圖13所示?？梢?，各地形條件下，在夏季主風向風場作用下，湖區風生流表現為湖區中部南側水域流速較大，在3～4cm/s之間，湖區中部北側水域流速稍低，湖泊近岸水域流速最低，基本小于1cm/s。

圖平底地形方案風況下湖泊流速大小表層

圖碟形地形方案風況下湖泊流速大小表層

圖雙碟形地形方案風況下湖泊流速大小表層

圖長碟形地形方案風況下湖泊流速大小表層

圖14（1） “平底”地形方案78hours后BOD5分布

圖14（2） “碟形”78hours后BOD5分布

圖14（3） “雙碟形”地形方案78hours后BOD5分布

圖14（4） “長碟形”地形方案78hours后BOD5分布

圖15（1） “平底”地形方案102hours后BOD5分布

圖15（2） “碟形”地形方案102hours后BOD5分布

圖15（3） “雙碟形”地形方案102hours后BOD5分布

圖15（4） “長碟形”地形方案102hours后BOD5分布

表1 各地形方案的綜合比較

在以上評分標準及方法下，綜合打分結果見表1所示。

由表1知，綜合考慮各因素影響及其權重，湖泊湖底地形推薦方案的先后次序為：“碟形”→“雙碟形”→“長碟形”→“平底”。本工程選擇“碟型”方案作為最終湖泊地形設計形態。

4.5 湖底最終形態

根據前文的分析，本工程選擇“碟型”方案作為最終的湖泊地形設計形態，最終設計、確定的湖泊地形見圖16所示。

TV131.2

：B

：1672-2469（2015）07-0029-05

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.07.012

馮雙平（1975年—），女，工程師。