大通湖生態補水周期及流場分布特征分析

趙偉明，劉 啟 ，盛 東，譚 軍*，黃 草

(1.湖南省水利水電科學研究院，湖南 長沙 410007；2.長沙理工大學水利工程學院，湖南 長沙 410114)

1 研究背景

平原淺水湖泊是濕地生態系統的重要組成部分，為人類和眾多生物群提供了生存與發展的環境條件和物質條件，但長期的“掠奪式”開發導致多數平原湖泊存在面積萎縮、水質惡化、物種消亡等環境和生態問題，破壞了平原湖泊的生態平衡與功能健康。生態補水是修復平原淺水湖泊生態與功能的重要技術之一，受到了國內外的重視，并付諸實踐。在復雜的水動力條件下，湖泊的換水周期與流場形態對湖區污染物遷移和轉化、水生態系統修復的影響顯著，是評價平原淺水湖泊生態補水效應的重要因子[1-2]。

中國生態補水研究與實踐發展迅速，尤其是平原河湖地區。如為解決太湖流域水污染問題，中國實施了“引江濟太”生態調水工程，2013—2017年共計調水13次，在提升太湖流域水資源和水環境承載能力方面發揮了重要作用[3]。2002年12月，從長江應急向南四湖生態補水1.1億m3，以基本滿足南四湖湖區魚類、水生植物、浮游生物和鳥類等生態鏈的最低用水需求[4]。此外，昆明滇池、杭州西湖、武漢東湖、南京玄武湖、雄安新區白洋淀等眾多湖泊先后開展了生態補水研究與實踐，在湖泊的水環境治理和水生態修復中發揮了重要作用。

大通湖原為洞庭湖的湖域，1954年后經堵支、并流、并垸等形成大通湖垸，大通湖遂成為洞庭湖區最大的內湖。近幾十年來，特別是三峽水庫正式運行以來，(長)江(洞庭)湖關系深度演變，虎渡、松滋和藕池三口分流水量顯著減少[5]，原三口分流入大通湖進水通道均被淤堵，打破了大通湖“西—北進，東—南出”的水動力格局。現狀除湖泊北面的明山泵站、東南面的大東口泵站用于汛期排澇外，僅塞陽運河可溝通大通湖與洞庭湖，非汛期湖區水動力條件差，水資源與水環境均面臨嚴重問題[6]。2018年汛后，湖南省益陽市實施了大通湖生態補水工程，通過新建的五七閘引草尾河水至大通湖，再經大東口泵閘排入東洞庭湖，改善了大通湖非汛期的水動力條件和湖區水質，獲得了較好的生態環境效益。

為了深入研究大通湖生態補水工程的水動力和水環境效應，優化和完善生態補水方案，本研究采用MIKE 21構建了大通湖水動力模擬模型，研究分析了不同補水方案的換水周期和流場形態，分析其影響因素以及最優補水方案，可為大通湖的水生態保護提供技術支持以及類似湖泊的水動力模擬和水生態修復提供技術參考。

2 研究區及方法

2.1 研究區概況

大通湖位于益陽市大通湖區西北側，東臨東洞庭湖，西至沱江，南臨草尾河，北瀕藕池河東支，是洞庭湖區最大的內湖，地理范圍為東經112°17′～112°42′，北緯29°4′～29°22′。大通湖現狀東西長15.8 km，南北寬13.7 km，呈三角形，水面面積為85.3 km2，湖底高程22～24 m，平均水深2.5 m，常年蓄水量2.32 億m3。大通湖垸內外水系復雜，河流和人工溝渠總長度達546 km，河網密度為0.82 km/km2。大通湖垸內的河湖主要有蓮湖、瓦崗湖、五七運河、老三運河、塞陽運河、金盆河以及大新河等，見圖1。作為保證南洞庭湖地區生態安全的重點水域，該區域是候鳥的重要棲息地，其中包括骨頂雞、小天鵝、鴛鴦等17種國家保護名錄鳥類[7-8]。

受圍湖造田以及江湖關系深度調整影響，大通湖垸內河湖連通性降低，各水體交換受限，區域內湖泊、河流和溝渠直接承納工業廢水、生活污水以及農業農村面源污染物等。目前大通湖水質為劣Ⅴ類，營養狀態評價為富營養，超出目標水質III類標準。

大通湖現狀常水位為25.88～26.08 m，汛期當內湖水位達到26.88 m，考慮開啟明山和大東口電力泵站，降低內湖水位；非汛期內湖水位低于25.28 m時，開啟五七閘引水入大通湖，調活內湖水體，再經塞陽河和大東口閘排入東洞庭湖。

2.2 水動力模型構建

大通湖水動力模擬模型采用MIKE 21 FM構建而成，屬于平面二維水流數學模型，在國內外有諸多應用，是水利和環境領域經過大量實際工程檢驗的優秀水動力模擬軟件之一。MIKE 21 FM的模型原理及建模過程可參考文獻[9-10]，本文不再重復。

根據大通湖的實測湖底地形建立模型的三角形網格，見圖2，三角形邊長為10～200 m。河底綜合曼寧系數M為32～50 m1/3/s；渦黏系數采用Smagorinsky公式計算，Cs取值為0.28；為防止模型在干涸地區溢出，水陸邊界采用水深干濕動態邊界判斷技術，干水深0.01 m，濕水深0.1 m。

a)引水路徑1

2.3 補水周期計算

補水周期是衡量湖泊生態補水效應的重要因子，影響著水體中污染物與營養物的停留時間和濃度，以及水體中發生的生物與化學反應過程時間長短[11]。傳統的補水周期被認為是湖泊蓄水總量與日均出湖水量的比值[12-13]，但該定義無法體現湖泊由于自身形狀的不規則性導致不同位置湖體補水周期的空間差異性。研究中補水周期采用基于濃度變化的指數衰減函數來表示：

Ct=C0e-t/Tf

(1)

式中t——時間；Tf——補水周期；C0——示蹤劑的初始濃度值；Ct——t時刻示蹤劑的剩余濃度值。

由式(1)可知，當t=Tf時，示蹤劑的濃度已經衰減至初始濃度的1/e倍或37%。因此，換水周期定義為示蹤劑剩余濃度降低至初始濃度的37%時所需要的時間。

2.4 模擬方案與模型設置

依據大通湖生態補水工程規劃，五七閘的非汛期(10月至次年3月)設計引水流量為20.48 m3/s，汛期(4—9月)設計引水流量為28.92 m3/s。明山電排站設計排水流量為21 m3/s[14]。為了深入探討不同引水方式對大通湖水動力的影響，設計2種引水路徑及6種調度工況，見圖2、表1。

表1 調水工況 單位：m3/s

為了詳細研究大通湖生態補水周期及流場形態的空間異質性，研究將大通湖水體染成單位濃度為1.0 的保守型示蹤劑，通過監測水動力模型每個網格單元的剩余濃度與流速，分析大通湖換水周期和流場形態的空間分布。模擬過程中，生態補水的示蹤劑濃度以及出口邊界示蹤劑的初始濃度均為0。

3 結果分析

3.1 補水周期

大通湖不同工況下的剩余濃度低于37%的湖面面積占比隨時間變化曲線見圖3。從工況001—006，若湖泊生態補水時間較短時，完成換水的湖泊面積占湖面總面積的比例隨時間增長緩慢；而湖泊生態補水時間持續一段時間后，完成換水的湖泊面積占湖面總面積比例迅速增加。將完成換水的湖泊面積占湖面總面積的比例隨時間的增長速度的轉換處稱為補水效率臨界點，當補水持續時間超過補水臨界時間后，生態補水的效益才能有效發揮。大通湖不同補水工況下，補水效率臨界點約為生態補水周期的1/2～2/3，見表2。對比示蹤劑法計算的湖泊生態補水周期和傳統水體置換法計算的補水周期，示蹤劑法考慮了水體置換過程中的擴散和紊動，補水周期明顯小于同條件下水體置換法計算的補水周期。

圖3 不同工況下大通湖示蹤劑濃度低于37%的湖面面積占比隨時間變化曲線

表2 不同工況下補水周期

成對比較工況001和004、工況002和005、工況003和006，可以看出引水流量越大，湖泊的生態補水效率更高，補水周期越短。如工況004的補水周期比工況001縮短了約40 d，補水效率臨界點縮短了30 d；工況006的補水周期比工況003縮短了10 d，補水效率臨界點也縮短了10 d。

從生態補水進出口分布來看，工況003和006的補水周期顯著低于工況001和003，如工況003比工況001的換水周期短70 d左右，比工況002短20 d左右。可知大通湖“單進單出”的生態補水方式，南部換水較快，但北部的水源運動緩慢，補水效率低，補水周期較長；考慮“單進兩出”模式后，增加了明山電排站(北端)的出水口，生態補水的進出水口分布更加均勻和合理，補水效率提高，補水周期縮短，但通過明山電排站排水需要消耗一定的電能，仍需從經濟可行性的角度討論明山電排站的開始時間和運行方式。

3.2 流場形態

圖4所示為6種生態補水工況的湖區流場形態比較，P1—P4為湖區中心、西南、東南和北側的點流速監測點，其中工況001和工況004的湖區北部區域，工況003的湖區東南部區域，存在較大的極小流速區，流速空間分布不均勻，如穩定狀態下，工況001的P4、工況003的P3、工況004的P4點流速很小，分別為0.18、0.06、0.24 mm/s(表3)。這種空間分布不均勻的流速場都是在大通湖采用引水路徑1進行生態補水的時候形成的，可見這種“單進單出”模式的補水方案會降低大通湖的水體交換效率。相較于工況001、003、004，工況002、005、006的極小流速區域面積更小，流場形態良好，因此這種“單進兩出”的補水模式更有利于提高湖區水體交換以及水質凈化的效率。如穩定狀態下，工況002、005、006中P1—P4的最小流速分別為0.75、1.00、1.11 mm/s。

a)工況001

從湖區流速分布的特征來看(圖5)，工況001—006中湖區流速大多為0.1～10.0 mm/s，流速在此區間的面積占湖區總面積的比例分別為96.32%、96.74%、94.85%、96.61%、97.08%和96.88%；從湖區流速分布的均勻性來看，工況002、005流速分布的均勻程度最高(圖5中，流速分布累計面積比曲線越接近x=1.0 mm/s的豎直線，則表示流速的空間分布越均勻)；工況002中流速為0.5～5.0 mm/s的湖區面積為總面積的79.96%，高于工況001、003的78.27%和75.30%，故在非汛期的3種調水工況中，相比 “單進單出”的模式，大通湖采用“單進兩出”的補水模式時，其流速分布均勻程度更加高；工況005中流速為0.5～5.0 mm/s的湖區面積占總面積87.82%，高于工況004、006的83.87%、83.48%(表3)，說明在汛期，大通湖采用“單進兩出”的補水模式且明山渠強排流量只為10.5 m3/s時，該湖泊具有更高的流速分布均勻程度。

圖5 不同工況下大通湖流速分布特征曲線

表3 不同工況的流速及流場比較

此外，工況006中明山電排站的排澇泵全部工作，需要消耗更多的電能，生態補水的運行成本較大，因此非汛期建議采用工況002的閘泵調度方式，汛期建議采用工況005的閘泵調度方式。

4 結論

采用MIKE 21FM構建了大通湖區水動力模擬模型，研究了6種工況下大通湖的補水周期、流場形態及流速分布情況。

a)大通湖生態補水工程能有效改善湖區的水動力，但現狀生態補水的進出口分別位于湖泊的西南角和東南角，不利于湖泊北部區域水流改善；通過開啟明山泵站，采用“單進兩出”的閘泵調控方案可改善湖泊北部的流場。

b)提出了大通湖生態補水效率臨界點，臨界點的時間為補水周期的1/2～2/3，單次補水持續時間宜超過生態補水效率臨界點。

c)比較分析了大通湖多種生態補水方式的差異與優劣，建議大通湖非汛期采用工況002的閘泵調度方式，汛期建議采用工況005的閘泵調度方式。

尚未討論大通湖生態補水工程對湖區水質的影響以及間歇式引水的影響，下階段將進一步開展相關研究。