退圩還湖后湖泊水動(dòng)力條件分析
----以蜈蚣湖為例

王 俊，王軼虹，王 強(qiáng)，高士佩，王冬梅，梁文廣

(1.江蘇省水利科學(xué)研究院，南京，210017；2.南京慧水軟件科技有限公司，南京 210036)

江蘇省里下河湖區(qū)是由零星分散的湖泊湖蕩組成的湖泊群，區(qū)內(nèi)地勢(shì)低洼平坦，溝、河縱橫交錯(cuò)，湖蕩星羅棋布，由于里下河湖區(qū)經(jīng)歷了20世紀(jì)50-70年代以農(nóng)業(yè)圍墾為主和80年代以養(yǎng)殖為主的兩次大規(guī)模開發(fā)，導(dǎo)致目前湖泊湖蕩基本無自由水面，主要以圩區(qū)形式存在[1-3]，湖泊湖蕩由于盲目過度開發(fā)，引起區(qū)域河湖防洪排澇、供水灌溉能力嚴(yán)重下降，水生態(tài)環(huán)境退化，產(chǎn)生了一系列嚴(yán)重的水資源、水生態(tài)和水環(huán)境問題[4]。實(shí)施退圩還湖工程，恢復(fù)水體自由水面，提高湖區(qū)蓄滯洪能力，修復(fù)湖區(qū)水生態(tài)環(huán)境，已成為里下河湖區(qū)目前亟待解決的問題[5,6]。

對(duì)湖體面積較小的湖泊而言，湖泊水動(dòng)力條件決定了湖泊的流態(tài)和流速，因?yàn)樗鞑粫?、換水周期過長易造成生態(tài)水質(zhì)惡化，湖體對(duì)污染物的凈化能力變差，最終導(dǎo)致湖體水質(zhì)惡化，危及湖泊生態(tài)環(huán)境[7,8]。由于里下河湖區(qū)地勢(shì)低洼，河道比降小，水流流速緩慢，同時(shí)地區(qū)內(nèi)水利控制建筑物較多，河網(wǎng)自身水動(dòng)力條件較差，退圩還湖實(shí)施后成湖區(qū)的水動(dòng)力條件就成為關(guān)鍵問題，湖泊的水動(dòng)力特征直接影響到湖泊的水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境[9,10]，而湖泊水動(dòng)力條件取決于退后湖泊的面積和形態(tài)，研究退圩還湖后湖泊的水動(dòng)力特征對(duì)分析退圩還湖方案的合理性，退圩還湖工程是否具有操作性具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。本文以里下河湖區(qū)中的蜈蚣湖為例，利用里下河河網(wǎng)水動(dòng)力模型模擬退圩還湖后不同水位狀態(tài)下的湖體流場(chǎng)與流速分布、換水過程和周期，分析退圩還湖后湖泊的水動(dòng)力條件。本研究可為退圩還湖工程的實(shí)施提供理論和技術(shù)支撐，一定程度上減少退圩還湖方案的盲目性和隨意性。

1 研究區(qū)概況

里下河湖區(qū)位于江蘇省里下河腹部低洼地區(qū)，為淺水湖泊，由41個(gè)零散湖群組成，蜈蚣湖是里下河湖區(qū)中一個(gè)湖泊，位于興化市北部，與大縱湖南北相對(duì)(圖1)，隸屬于中堡鎮(zhèn)、缸顧?quán)l(xiāng)、興東鎮(zhèn)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。蜈蚣湖形狀像如意，總保護(hù)面積30.009 km2，其中蜈蚣湖北部保護(hù)面積23.254 km2，共有3個(gè)滯澇圩，第一批滯澇圩2個(gè)，保護(hù)面積22.335 km2，第二批滯澇圩1個(gè)，保護(hù)面積0.919 km2。蜈蚣湖南蕩保護(hù)面積6.755 km2，共有2個(gè)滯澇圩，第一批滯澇圩1個(gè)，保護(hù)面積4.698 km2，第三批滯澇圩1個(gè)，保護(hù)面積2.057 km2。蜈蚣湖地勢(shì)低下，水系發(fā)達(dá)，周圍大小湖蕩棋布，湖水依賴地表徑流和湖面降水補(bǔ)給[1]。出入湖大小河流有14條，主要河流有鯉魚河、輪船河、大溪河、洋汊河、陸甸東大河、中莊河、戚家河、斜河、土橋河、中引河上段(大丁溝)、劉家河、東大河、龍王河、中引河下段，湖蕩附近的河道主要有上官河、下官河、劉家溝、海溝河等，其中上官河、下官河為江蘇省里下河地區(qū)五縱六橫骨干河網(wǎng)的一部分，下官河為里下河腹部地區(qū)一級(jí)行水通道，劉家溝、海溝河、中引河、鯉魚河為里下河腹部地區(qū)二級(jí)行水通道。蜈蚣湖納、烏巾蕩、平旺湖等湖沼水網(wǎng)區(qū)來水，調(diào)蓄后經(jīng)中引河、鯉魚河北泄大縱湖(圖2)。

圖1 蜈蚣湖位置示意圖Fig.1 The location of Wugong lake in Jiangsu province

圖2 蜈蚣湖周邊水系圖Fig.2 The river system around Wugong lake

蜈蚣湖經(jīng)過20世紀(jì)50-70年代農(nóng)業(yè)圍墾和80年代圈圩養(yǎng)殖兩次大規(guī)模開發(fā)，目前，滯澇圩基本無自由水面，主要以圩區(qū)形式存在，主要是副業(yè)圩和農(nóng)業(yè)圩，以養(yǎng)殖為主，少量種植，圩區(qū)內(nèi)還有少量居民點(diǎn)和光伏項(xiàng)目(圖3)。

圖3 蜈蚣湖現(xiàn)狀開發(fā)利用影像圖Fig.3 The utilization map of Wugong lake

2 蜈蚣湖退圩還湖方案

2.1 排泥場(chǎng)布置方案

通過清退蜈蚣湖圩區(qū)內(nèi)的魚塘、農(nóng)田及圩埂、格埂，恢復(fù)蓄水水面21.457 km2；在原湖蕩保護(hù)范圍內(nèi)布置19個(gè)排泥場(chǎng)(圖4)，總面積8.552 km2，包括3個(gè)島嶼，面積1.948 km2，合理堆高排泥場(chǎng)，調(diào)整岸線，保護(hù)湖泊形態(tài)。

圖4 蜈蚣湖退圩還湖后效果圖Fig.4 Layout of dump area and topographic map of Wugong lake

2.2 疏浚、開挖河道工程

為了保證成湖后南北向水系溝通，對(duì)鯉魚河和中引河部分河段進(jìn)行疏浚；退圩還湖后，劉家河和洋汊河將改道到16號(hào)、17號(hào)和18號(hào)排泥場(chǎng)的兩側(cè)，并對(duì)河道進(jìn)行相應(yīng)挖深，以保證東西向水系的溝通；退圩還湖后，為保證成湖后的湖區(qū)北部和南部水系的溝通，擬在2號(hào)和19號(hào)排泥場(chǎng)之間挖一條河底高程-3.0 m，斷面寬100 m的行水通道，與輪船河連通，溝通最北端成湖后的湖區(qū)和南部大湖區(qū)。

蜈蚣湖退圩還湖后主要出入湖河道有大溪河、鯉魚河、中引河、戚家河、輪船河、劉家溝等，其中劉家溝、中引河、鯉魚河為里下河腹部地區(qū)二級(jí)行水通道，退圩還湖后蜈蚣湖通過中引河與平旺湖、大縱湖溝通了南北向水系，通過鯉魚河與大縱湖溝通南北向水系，通過輪船河與骨干河道上官河溝通東西向水系。

2.3 湖底地形重塑

考慮適宜水生植物生長、保護(hù)湖底地形形態(tài)等因素，確定蜈蚣湖成湖區(qū)湖底平均高程為-1.5 m，湖中心區(qū)域水深控制在3.5 m左右，湖中間較窄地帶水深控制在4.5 m左右，湖底地形從岸邊到中心按緩坡狀布置，最深處水深約為5.0 m。16號(hào)、17號(hào)、18號(hào)、19號(hào)排泥場(chǎng)兩側(cè)及5號(hào)和10號(hào)排泥場(chǎng)之間，考慮到湖水南北向和東西向的溝通和流動(dòng)，湖底高程挖深到-3.0～-4.0 m(圖4)。退圩還湖后，常水位水深控制在2.5 m，最深處5.0 m左右，成湖后湖底高程見圖4。由地形高程示意圖可以看出蜈蚣湖周邊以湖心島嶼邊界地勢(shì)較高，湖體為狹長狀，中部水深遠(yuǎn)大于邊界處，南部的蜈蚣湖南蕩地勢(shì)也較高。

3 材料與方法

模型計(jì)算方案采用聯(lián)立里下河河網(wǎng)水動(dòng)力模型及閘泵水利工程調(diào)度實(shí)施方案[11-13]，設(shè)置蜈蚣湖退圩還湖后計(jì)算專題。蜈蚣湖采用行蓄洪區(qū)二維模型，周邊河道采用河道一維模型，河湖連接處采用控制工程進(jìn)行連接。利用退圩還湖后蜈蚣湖的地形邊界建立蜈蚣湖二維模型，覆蓋50 m×50 m網(wǎng)格，入湖處以閘與周邊河道相連接，堰閘處保證河湖聯(lián)通，不進(jìn)行水量控制。選取蜈蚣湖出入湖及周邊的輪船河、劉家河、陸甸東大河、中莊河、戚家河、斜河、土橋河、中引河、洋汊河、東大河、鯉魚河、大溪河(圖2)，將這些河流概化為河道一維模型，與原里下河分區(qū)概化節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，嵌套里下河河網(wǎng)模型進(jìn)行區(qū)域下墊面的分配[14-16]，控制節(jié)點(diǎn)為興化水位站點(diǎn)。

根據(jù)里下河歷史水文資料，選定2003年高水位情況下的水文序列作為計(jì)算選定的水文序列。模擬過程截取了2003年5月31日 ～ 2003年8月1日包含了一個(gè)大的洪水漲落過程的水文區(qū)間，常水位從2003年5月31日開始進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，次洪高水位下的來水組成選取2003年6月29日至2003年8月1日整個(gè)大的次洪過程進(jìn)行來水組成進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。采用大水年計(jì)算可以更顯著地反映湖泊形態(tài)變化對(duì)流態(tài)的影響且能兼顧各類水情變化，平水年過程可用常水位狀態(tài)進(jìn)行模擬。

4 結(jié)果及討論

4.1 水深流速分布

由計(jì)算過程線取2003年5月31日 01∶00∶00時(shí)刻為常水位過程顯示點(diǎn)(興化水位：1.014 m)，繪制退圩還湖后常水位下蜈蚣湖流速和水深分布圖(圖5)。根據(jù)模擬結(jié)果(表1)，常水位下，全湖區(qū)平均流速0.16 m/s，50%湖區(qū)流速小于0.11 m/s，75%湖區(qū)流速小于0.2 m/s，湖區(qū)北部和中部呈狹長狀水域流速較大，最大流速1.57 m/s，出現(xiàn)在湖區(qū)北部，南北兩側(cè)以及靠近湖區(qū)界處流速較??；從水深來看，常水位時(shí)，整個(gè)湖區(qū)平均水深2.5 m，最大水深4.6 m，北部湖區(qū)水體較深，南部湖區(qū)水深相對(duì)較淺。在常水位下湖體水流順暢，由于對(duì)島嶼之間的行水通道進(jìn)行了挖深，北部堆積的3個(gè)個(gè)島嶼并未阻礙湖區(qū)的水體交換。

圖5 退圩還湖后常水位下蜈蚣湖流速和水深分布圖Fig. 5 Velocity distribution map at normal water level of Wugong lake

取2003年6月29日 15∶00∶00時(shí)刻為起漲水位點(diǎn)(興化水位：0.934 m)，繪制退圩還湖后蜈蚣湖起漲點(diǎn)流速和水深分布圖(圖6)。模擬結(jié)果(表1)表明起漲點(diǎn)水位與常水位時(shí)的流速和水深分布特征一致，都呈現(xiàn)出湖區(qū)北部和中部狹長狀水域流速較大，南北兩側(cè)以及靠近湖區(qū)界處流速較小。起漲點(diǎn)時(shí)整個(gè)湖區(qū)的流速平均值0.09 m/s，最大值1.44 m/s，出現(xiàn)在16號(hào)和17號(hào)島嶼之間，此時(shí)整個(gè)湖區(qū)水體仍可保持順暢流動(dòng)。此刻，整個(gè)湖區(qū)水深平均值2.4 m，最深處4.0 m。

圖6 退圩還湖后蜈蚣湖起漲點(diǎn)流速和水深分布圖Fig.6 Velocity distribution map at starting point of Wugong lake

取2003年7月11日 05:00:00時(shí)刻為最高水位點(diǎn)(興化水位：2.827m)，繪制退圩還湖后處于最高水位點(diǎn)時(shí)蜈蚣湖流速和水深分布圖(圖7)，統(tǒng)計(jì)模擬結(jié)果(表1)。高水時(shí)刻蜈蚣湖整個(gè)湖區(qū)水流流速顯著增大，平均流速0.26 m/s，50%湖區(qū)的流速超過0.17 m/s，70%湖區(qū)流速大于0.30 m/s，湖區(qū)北部、中部狹長區(qū)域流速較大，最大值出現(xiàn)在湖區(qū)最北端，流速為2.4 m/s，流速較小的區(qū)域集中于邊界，北部筑島湖區(qū)水流順暢。從水深來看，整個(gè)湖區(qū)水深平均值為4.4 m，最大值6.0 m，高水時(shí)刻湖水較深。

圖7 退圩還湖后處于最高水位點(diǎn)時(shí)蜈蚣湖流速和水深分布圖Fig.7 Velocity distribution map at highest water level of Wugong lake

圖8 退圩還湖后退水時(shí)刻蜈蚣湖流速和水深分布圖Fig. 8 Velocity distribution map in drainage process of Wugong lake

取2003年7月15日 16∶00∶00時(shí)刻為退水過程點(diǎn)(興化水位：2.405 m)，繪制退圩還湖后退水時(shí)刻蜈蚣湖流速和水深分布圖(圖8)。模擬結(jié)果(表1)表明，退水時(shí)整個(gè)湖區(qū)的平均流速為0.16 m/s，退水過程中，湖區(qū)北部水流流速減小，北部和中部狹長區(qū)域的流速在0.4～0.8 m/s之間，幾個(gè)島嶼之間的水流流速相對(duì)湖區(qū)其他區(qū)域仍較大，退水過程整個(gè)湖區(qū)水體仍可順暢流動(dòng)。退水時(shí)，整個(gè)湖區(qū)平均水深4.0 m，最深處5.6 m，仍出現(xiàn)在湖區(qū)北部。

模擬結(jié)果表明，蜈蚣湖退圩還湖后，不同水位時(shí)刻，湖區(qū)水流都可以保持流動(dòng)，成湖區(qū)水流順暢，不易形成淤積，有利于湖泊生態(tài)環(huán)境的改善。從湖區(qū)不同區(qū)域來看，退后蜈蚣湖北部區(qū)域水流流速較小，通常在滯洪流量較大時(shí)湖水才會(huì)順暢流動(dòng)，在湖體中部區(qū)域水深較大處流速較大，水流順暢，南部湖區(qū)水下地形平整，水體流動(dòng)無阻滯。由于成湖后的蜈蚣湖呈南北分布，由于南部江都東閘、高港取排水影響以及周邊閘泵的控制調(diào)度，湖區(qū)水流呈南北往復(fù)流動(dòng)，在南北湖區(qū)連接處，及湖區(qū)較窄區(qū)域，流速稍大，這是由于新形成的成湖區(qū)北部過水通道處受束水作用影響導(dǎo)致水流流速較大，靠近湖體邊界處流速較小。退圩還湖后，蜈蚣湖水流流速大的區(qū)域集中在河道入湖口和湖中行水通道區(qū)域，湖體內(nèi)部水深大于周邊，由于湖泊與周圍河道連接處口門為敞口式，因此，湖中水流方向受到周邊河道過水的影響較大。

表1 蜈蚣湖退圩還湖后不同水位的工況特征Tab.1 Characteristics at different water levels for Wugong lake

4.2 來水組成統(tǒng)計(jì)

根據(jù)蜈蚣湖及周邊區(qū)域來水組成，選擇常水位和次洪高水位下的模擬成果，進(jìn)行來水組成統(tǒng)計(jì)計(jì)算。來水組成設(shè)置湖泊初始來水，常水位從2003年5月31日開始進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別記錄不同換水比例下的換水歷時(shí)。次洪高水位下的來水組成選取2003年6月29日至2003年8月1日整個(gè)大的次洪過程進(jìn)行來水組成統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

根據(jù)設(shè)置的來水組成進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，對(duì)蜈蚣湖不同水位下?lián)Q水比例達(dá)到80%、75%、50%、30%以及25%所需的換水歷時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表2)。

表2 退圩還湖后蜈蚣湖不同水位換水過程統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of water exchange process at different water levels for Wugong lake

圖9 蜈蚣湖常水位來水組成Fig.9 Composition of water at normal water level of Wugong lake

圖10 蜈蚣湖次洪高水位來水組成Fig.10 Composition of water at highest water level of Wugong lake

從換水來源來看，常水位時(shí)，換水主要來源于河網(wǎng)(圖9)，高水位時(shí)來水不僅有降雨、河網(wǎng)還有周邊圩區(qū)的來水，其中降雨占的比例最大(圖10)。從換水時(shí)間來看(表2)，退圩還湖后，蜈蚣湖在常水位下?lián)Q水歷時(shí)較長，相比之下滯洪過程水位較高時(shí)換水歷時(shí)大幅縮短；常水位時(shí)，換水比例和歷時(shí)呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)；高水位時(shí)，換水比例和歷時(shí)表現(xiàn)出指數(shù)增加趨勢(shì)，來水換水量越大，需要時(shí)間越長；常水位時(shí)，換水達(dá)到50%需30 d，高水位時(shí)，換水達(dá)50%僅需10 d，比常水位加快了2倍。

4.3 入湖河道分流情況

根據(jù)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)退圩還湖后蜈蚣湖入湖河道的分流比。根據(jù)環(huán)湖閘過閘流量統(tǒng)計(jì)得出相應(yīng)河道過水流量(表3)。

表3 蜈蚣湖不同水位換水過程河流流量統(tǒng)計(jì)Tab.3 Flow statistics of rivers during water exchange at different water level for Wugong lake

常水位情況下蜈蚣湖入湖流量為32.1 m3/s，出湖流量為19.6 m3/s，入流大于出流，湖泊主要從南側(cè)進(jìn)水。次洪高水位下蜈蚣湖入湖流量為86.6 m3/s，出湖流量為25.5 m3/s，入流大于出流。蜈蚣湖入湖河道分流情況顯示了入湖河道對(duì)湖泊水流的影響較大，常水位和次洪高水位下的結(jié)果都顯示入湖流量大于出湖流量，其中土橋河與中引河對(duì)湖泊水位變化影響較為突出。

5 結(jié) 論

根據(jù)退圩還湖后成湖區(qū)方案，通過模型模擬繪制了退圩還湖后湖泊的流場(chǎng)、流速和水深分布圖，得出了退圩還湖后湖體流動(dòng)的特征，計(jì)算了退圩還湖后蜈蚣湖的換水周期，分析了入湖河道對(duì)湖泊水流的影響。研究結(jié)果表明，實(shí)施退圩還湖后，蜈蚣湖不論是常水位和高水位時(shí)，湖體水流順暢，北部湖體與排泥場(chǎng)形成島嶼間的過水通道和入湖河湖通道處水流流速大，不易產(chǎn)生淤積，換水周期可滿足湖泊的自凈要求，退后形成的湖泊對(duì)生態(tài)環(huán)境的改善有積極影響。

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