本發(fā)明涉及景觀湖泊，尤其是一種通過調整湖泊體型及過流條件，依靠水流自身的流動特性，將水面漂浮物往下游傳送，避免在景觀湖泊內產生靜止聚集現(xiàn)象的防止水面漂浮物靜止聚集的景觀湖泊設計方法。

背景技術：

隨著城市建設進程的不斷發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，越來越多的城市在水體綜合治理的方案中，設置了一些水景觀，比如人工瀑布，人工湖泊，人工河流等。這些水景觀在很大程度上起到美化城市的作用，往往成為人們休閑娛樂的場所。在設計這些景觀的時候，大多是依照原有的地形地勢條件造湖，或者為了湖泊的美觀，將湖泊設計為不規(guī)則的幾何圖形，然而在流經城市的河流的數(shù)量和其流量是有限的，往往是一個湖泊具有一個水流入口。按照原有的地形地勢條件造湖，或者為了美觀，將湖泊設計成任意的形狀，而沒有考慮通水運行時，湖泊內流速水深等水力要素的分布，運行時可能局部的區(qū)域出現(xiàn)水流流速低，甚至水流靜止的狀態(tài)。這樣，一些水體漂浮物，比如水體沖擊流動產生的泡沫，漂浮的塑料垃圾等，就會聚集在這些區(qū)域，而不會隨著水流流向下游，另一方面，長時間靜止的水體可能會發(fā)生水質惡化發(fā)臭的現(xiàn)象，進而影響景觀的可觀賞性。

當水流湍流，水體與岸邊或者水體之間相互撞擊，然后卷入空氣，會形成一些類似洗衣粉泡沫的水汽混合物漂浮在水面，然后隨著運動水體一起流動。一些密度比水小的物理，如樹枝木屑，塑料泡沫等也會漂浮在水面，如果水體是一直流向下游的，這些水面漂浮物就會跟隨水流流向下游，而不會聚集在某個區(qū)域。如果在某些局部的區(qū)域水流流速很低或者靜止，水面漂浮物就會停留在這些區(qū)域，而且越聚越多，形成一個漂浮物聚集區(qū)。水流局部靜止或者形成局部封閉的流線，是水面漂浮物靜止聚集的原因。

傳統(tǒng)的除去這些水面漂浮物的方法為人工打撈，而沒有從根本上考慮形成這些水面漂浮物靜止聚集的原因，如果在湖泊設計時考慮水力學的因素，減小湖面流速死區(qū)，漂浮物就會隨著水體流向下游，不會形成聚集的現(xiàn)象。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對人工湖泊在局部區(qū)域水流流速低，漂浮的雜物聚集在該水域，影響美觀還會發(fā)生水質惡化的情況，提供一種通過調整湖泊體型及過流條件，依靠水流自身的流動特性，將水面漂浮物往下游傳送，避免在景觀湖泊內產生靜止聚集現(xiàn)象的防止水面漂浮物靜止聚集的景觀湖泊設計方法。

本發(fā)明的防止水面漂浮物靜止聚集的景觀湖泊設計方法，其特征在于該設計方法包括以下步驟：

(1)構建景觀湖泊的輪廓及進水口位置；

(2)建立景觀湖泊二維淺水波動模型，設定水力邊界條件，對于湖泊的進水口，設置為流量邊界條件；對于湖泊的出水口，設置為自由出流邊界條件；

(3)計算景觀湖泊內水流流速和流場的水力要素分布；

(4)檢查流場內各流場的環(huán)流情況，當存在環(huán)流情況，則修改湖泊輪廓、改變進水口出水口的水流邊界或設置局部導流結構，改善景觀湖泊內的過流條件；

(5)對步驟(4)優(yōu)化后的景觀湖泊再次進行二維淺水波動計算，數(shù)次修改湖泊體型及水力邊界條件，直至數(shù)值模擬結果中不出現(xiàn)環(huán)流區(qū)域；

(6)得到景觀湖泊的設計方案。

所述的步驟(3)中利用有限體積法，求解二維淺水波動的控制方程，得到流速場和流線分布，具體計算過程如下：

a、二維淺水波動控制方程的連續(xù)性方程以及x和y方向的連續(xù)性方程如公式(1)所示：

其中，t為時間，x和y為空間坐標系，h為水深，qx為x方向的單寬流量，qy為y方向的單寬流量，u為x方向的流速，v為y方向的流速，z為渠道底部高程，τbx和τby為渠道底部的摩阻損失，g為重力及速度，n為摩擦阻力系數(shù)。

公式(1)為非線性方程組，為了方便求解，采用近似的方法將其轉化成如公式(2)所示的線性方程組：

公式(2)其中，和為常數(shù)矩陣，由以下平均量顯式表示：

其中：

線性方程組(2)式準確解的界面數(shù)值通量表達式為(3)和(4)式：

其中和分別為的特征強度，特征值和與之對應的右特征向量；和分別為的特征強度，特征值和與之對應的右特征向量，其表達式如下：

δh＝hr-hl

δu＝ur-ul

δv＝vr-vl

式(2)中的源項采用如下式(5)所示的方式處理：

因此，非線性方程組(1)的近似解的如下(6)所示：

式中：上標n為時間，下標i,j為網(wǎng)格編號，δt為時間步長，δx和δy為x和y方向網(wǎng)格大小。

所述的步驟(5)中修改湖泊體型及水力邊界條件，包括湖泊的形狀、湖泊入水口水流位置、入水口的個數(shù)、湖泊出流方式以及設定湖泊內導流墻。

本發(fā)明的防止水面漂浮物靜止聚集的景觀湖泊設計方法，通過數(shù)值模擬的方法的方法來合理的確定湖泊的體型以及進出水口的布置，以達到湖泊內水流順暢，減小回流等流速死區(qū)的目的，從而避免水面漂浮物靜止聚集等不利于水景觀的現(xiàn)象。本發(fā)明考慮了水力學參數(shù)對湖泊設計的影響，從產生問題的源頭去解決問題，防止水面漂浮物靜止聚集的現(xiàn)象。

附圖說明

圖1為某景觀湖泊初始設計體型及進出水口示意圖。

圖2為初始設計方案下的流速場。

圖3為初始設計方案下的流線分布。

圖4為修改湖泊進水口位置的方案。

圖5為修改湖泊進水口位置方案的流速場。

圖6為修改湖泊進水口位置方案的流線分布。

圖7為修改湖泊進水口位置和增加導流墻的方案。

圖8為修改湖泊進水口位置和增加導流墻的流速場。

圖9為修改湖泊進水口位置和增加導流墻的流線分布。

具體實施方式

實施例1：一種防止水面漂浮物靜止聚集的景觀湖泊設計方法，包括以下步驟：

(1)構建景觀湖泊的輪廓及進水口位置；

(2)建立景觀湖泊二維淺水波動模型，設定水力邊界條件，對于湖泊的進水口，設置為流量邊界條件；對于湖泊的出水口，設置為自由出流邊界條件；

(3)計算景觀湖泊內水流流速和流場的水力要素分布；

(4)檢查流場內各流場的環(huán)流情況，當存在環(huán)流情況，則修改湖泊輪廓、改變進水口出水口的水流邊界或設置局部導流結構，改善景觀湖泊內的過流條件；(5)對步驟(4)優(yōu)化后的景觀湖泊再次進行二維淺水波動計算，數(shù)次修改湖泊體型及水力邊界條件，直至數(shù)值模擬結果中不出現(xiàn)大面積的低流速或環(huán)流區(qū)域；

(6)得到景觀湖泊的設計方案。

步驟(3)中利用有限體積法，求解二維淺水波動的控制方程，得到流速場和流線分布，具體計算過程如下：

a、二維淺水波動控制方程的連續(xù)性方程以及x和y方向的連續(xù)性方程如公式(1)所示：

其中，t為時間，x和y為空間坐標系，h為水深，qx為x方向的單寬流量，qy為y方向的單寬流量，u為x方向的流速，v為y方向的流速，z為渠道底部高程，τbx和τby為渠道底部的摩阻損失，g為重力及速度，n為摩擦阻力系數(shù)。

公式(1)為非線性方程組，為了方便求解，采用近似的方法將其轉化成如公式(2)所示的線性方程組：

公式(2)其中，和為常數(shù)矩陣，由以下平均量顯式表示：

其中：

線性方程組(2)式準確解的界面數(shù)值通量表達式為(3)和(4)式：

其中和分別為的特征強度，特征值和與之對應的右特征向量；和分別為的特征強度，特征值和與之對應的右特征向量，其表達式如下：

δh＝hr-hl

δh＝hr-hl

δu＝ur-ul

δv＝vr-vl

式(2)中的源項采用如下式(5)所示的方式處理：

因此，非線性方程組(1)的近似解的如下(6)所示：

式中：上標n為時間，下標i,j為網(wǎng)格編號，δt為時間步長，δx和δy為x和y方向網(wǎng)格大小。

步驟(5)中修改湖泊體型及水力邊界條件，包括湖泊的形狀、湖泊入水口水流位置、入水口的個數(shù)、湖泊出流方式以及設定湖泊內導流墻。

根據(jù)計算結果確定是否需要修改湖泊體型及水流進出口位置燈。如附圖2所示為原始湖泊設計方案的下的流速分布，從圖中可以看出，原始方案下存在大面積流速很低的區(qū)域，而且如圖3所示的流線圖所示，呈現(xiàn)出一些閉合的回路，水面漂浮物可能會在這些區(qū)域出現(xiàn)靜止聚集的現(xiàn)象，因此需要優(yōu)化湖泊的體型設計。

第一次優(yōu)化如圖4所示，僅僅改變湖泊進水口的位置，不改變湖泊的體型，重復具體實施方式中的步驟(1)(2)(3)，得到湖泊內的流速場分布如圖5所示，流線圖如圖6所示，從圖中看出，此次優(yōu)化改變湖泊進水口位置后，低流速分布區(qū)域有所減少，但仍然在水流進口區(qū)域存在環(huán)狀流線的區(qū)域，需要進一步的優(yōu)化湖泊的設計方案。

第二次優(yōu)化如圖7所示，不僅改變湖泊進水口的位置，而且在進水口處設置三處導流墻，不改變湖泊的體型，重復具體實施方式中的步驟(1)(2)(3)，得到湖泊內的流速場分布如圖8所示，流線圖如圖9所示，從圖中看出，此次優(yōu)化后湖泊內流速分布均勻，流線平順，不存在流線環(huán)狀區(qū)域，湖泊水面漂浮物能夠順著水流流量下游，流出湖泊，從而避免在局部區(qū)域發(fā)生靜止聚集的現(xiàn)象，故將此次優(yōu)化的結果作為湖泊設計的推薦方案。