北麻漾湖泊形態(tài)調(diào)整與水流數(shù)值模擬分析

張榮貴，覃春喬，鐘曉鳳

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

湖泊地底和岸線形態(tài)特征是表征湖泊自身特征重要的因素，決定湖泊功能、生態(tài)系統(tǒng)以及周邊用地布局，從而影響著湖泊的健康發(fā)展［1］。依據(jù)健康湖泊的內(nèi)涵，湖泊應具備合理的岸線形態(tài)。湖泊岸線形態(tài)應自然流暢［2］，死水區(qū)、環(huán)流區(qū)較少；湖體內(nèi)水流聯(lián)系強，河湖保持良好的連通性和完整性。然而受社會經(jīng)濟發(fā)展的影響，湖泊面臨著環(huán)境污染和生態(tài)破壞的雙重危機。這種危機表現(xiàn)在湖泊保護與開發(fā)利用方面存在重開發(fā)、輕保護，重經(jīng)濟、輕生態(tài)的傾向，忽視了湖泊開發(fā)的整體性，影響了湖泊保護的效果，導致湖泊空間及其生態(tài)環(huán)境受人類活動影響日趨嚴重。目前國內(nèi)湖泊研究課題集中在湖泊水質(zhì)［3］、周邊環(huán)境［4］和景觀空間建設［5］的研究，對湖泊形態(tài)的研究內(nèi)容較少。鑒于此，本文通過對吳江市北麻漾形態(tài)調(diào)整和相關水流數(shù)值分析，科學合理地對北麻漾形態(tài)進行規(guī)劃設計，使之滿足城市的發(fā)展和景觀建設的要求。

1 研究區(qū)概況

北麻漾位于吳江市浦南地區(qū)中心，地處震澤、平望、盛澤三鎮(zhèn)交匯處，具有十分重要的地理位置，影響著三鎮(zhèn)甚至浦南地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展。北麻漾面積約9.88 km2，平均湖底高程0.8 m。北麻漾屬杭嘉湖水系片區(qū)，雨量充沛，年平均溫度為14.9～15.7℃，平均降水量為1 016 mm，平均水深2.5 m，最深處5 m左右，屬吞吐型、雨源型湖泊。北麻漾主要通過寺港、雙陽港、直港、總善橋港、南塘港、川橋港、上下蕩等河流湖蕩與周邊水系溝通聯(lián)系（見圖1）。

圖1 北麻瀾水系

北麻漾位于吳江市浦南地區(qū)的中心地帶，區(qū)域城市化發(fā)展速度較快，特別是北麻漾西側將是震澤鎮(zhèn)未來城鎮(zhèn)發(fā)展的核心區(qū)域。一方面城鎮(zhèn)發(fā)展對濱水區(qū)空間有著較大的需求，另一方面城鎮(zhèn)發(fā)展也會對湖泊保護產(chǎn)生一定的壓力，某些湖區(qū)現(xiàn)狀岸線的過度曲折極大地增加了陸域與湖泊水體的接觸范圍，使之成為入湖污染源增加的重要因素。北麻漾湖底底泥面積見表1。

2 現(xiàn)狀水流數(shù)值模擬

本次研究運用 EFDC（The Environmental Fluid Dynamics Code）模型，該模型是由威廉瑪麗大學維吉尼亞海洋科學研究所（VIMS，Virginia Institute of Marine Science at the College of William and Mary）的John Hamrick等人開發(fā)的三維地表水水質(zhì)數(shù)學模型，可實現(xiàn)河流、湖泊、水庫、濕地系統(tǒng)、河口和海洋等水體的水動力學和水質(zhì)模擬，是一個多參數(shù)有限差分模型。該模型系統(tǒng)包括水動力、泥沙、有毒物質(zhì)、水質(zhì)、底質(zhì)、風浪等模塊，模擬計算過程中首先完成流場計算，獲得三維流速場的時空分布特征，在此基礎上計算泥沙遷移、沖淤作用，進而模擬受黏性泥沙吸附影響的各水質(zhì)變量動態(tài)變化過程。本文主要利用模型中的水動力、風浪模塊［6］。

由于吳江四季分明，屬北亞熱帶季風海洋性氣候，年平均風速3.2 m／s，常年夏季主導風向為東南風，冬季主導風向為西北風，故在設置預測方案時考慮了東南風、西北風和無風三種風向，風速考慮了常年平均風速3.2 m／s、5m／s、無風三種情況。

具體預測方案共分為四種。方案一：東南風，風速3.2 m／s，現(xiàn)狀出入湖流量；方案二：西北風，風速3.2 m／s，現(xiàn)狀出入湖流量；方案三：東南風，風速5m／s，現(xiàn)狀出入湖流量；方案四：西北風，風速5m／s，現(xiàn)狀出入湖流量。

現(xiàn)狀主要出入湖河道流量主要為寺港，20 m3／s；雙陽港，35 m3／s；總善橋港，38 m3／s；直港，38 m3／s；出湖河道中南塘港，23 m3／s；川橋港，108m3／s。

通過對不同計算結果的分析比較可知，模型在8 d后能夠計算穩(wěn)定。為了了解不同條件下北麻漾流場的模擬過程，現(xiàn)對四種預測方案10 d的流場圖進行分析比較（見圖2）。

表1 北麻漾湖區(qū)不同深度底泥面積及蓄積量統(tǒng)計

圖2 各方案水流數(shù)值模擬

通過模擬計算的流場圖可以看出，北麻漾現(xiàn)狀水流流場整體較穩(wěn)定，在湖泊西北角局部有微弱的滯留循環(huán)，西南角有較強的環(huán)流。而由于寺港相對于其他河流的流量較小，對北麻漾流場的影響較小，使得北麻漾西北部區(qū)域流速較緩慢。北麻漾作為北排通道的節(jié)點，排水通暢是其重要的保障，而現(xiàn)狀淤積情況嚴重影響了其排洪蓄水的功能，因此北麻漾進行湖泊形態(tài)的調(diào)整十分必要。對北麻漾現(xiàn)狀水流數(shù)值模擬進行分析，明確湖泊內(nèi)部水流方向、流場強弱，以及影響湖泊流場的相關因素，為湖泊形態(tài)調(diào)整、岸線整治以及生態(tài)景觀布局提供理論基礎和科學支撐。

3 規(guī)劃水流數(shù)值分析

為了使北麻漾更好地發(fā)揮其調(diào)蓄功能，同時提供更加有利于湖泊水生動植物生長的水體環(huán)境，本次規(guī)劃對北麻漾湖區(qū)進行全面清淤。

岸線形態(tài)調(diào)整和用地布局勢必會對湖泊流態(tài)造成影響。為了使用地布局對湖泊流場的影響減小到最低、布置合理，用地調(diào)整布置應遵循以下原則：盡量少占水面、避開行水通道、形態(tài)合理、改善區(qū)域水流循環(huán)。為了驗證北麻漾湖泊形態(tài)調(diào)整方案的科學合理性，對北麻漾在規(guī)劃岸線及規(guī)劃湖底地形條件下，以及不同風速風向影響下的流場進行了數(shù)值模擬（見圖3）。規(guī)劃后北麻漾出入湖流量為：寺港20 m3／s；雙陽港 35 m3／s；總善橋港 38 m3／s；直港38 m3／s；新開河道 40 m3／s。出湖河道為：南塘港86 m3／s；川橋港 85 m3／s。規(guī)劃后的水流模擬預測條件與現(xiàn)狀模擬時基本保持一致，具體預測方案共分為五種。方案一：東南風，風速3.2 m／s，無出入湖流量；方案二：西北風，風速3.2 m／s，無出入湖流量；方案三：東南風，風速5 m／s，規(guī)劃出入湖流量；方案四：西北風，風速5 m／s，規(guī)劃出入湖流量；方案五：無風條件，規(guī)劃出入湖流量。

通過對不同計算結果的分析比較可知，模型在8 d后能夠計算穩(wěn)定?，F(xiàn)給出不同方案下模型計算10 d的流場圖（見圖4）。

通過模擬計算的流場圖可以看出，北麻漾通過岸線形態(tài)調(diào)整，岸線的調(diào)整使得北麻漾規(guī)劃后整個湖泊水體流動性較規(guī)劃前明顯加快，湖泊與外界進行水體交換的周期縮短，且行洪蓄水的能力加強，使北排通道的暢流得到保障。

圖3 北麻漾網(wǎng)格湖底高程規(guī)劃

圖4 各規(guī)劃方案數(shù)值模擬

將北麻漾面積網(wǎng)格化，對每個單元格進行編號計算，用于分析北麻漾的現(xiàn)狀與規(guī)劃流速變化情況。本文將方案一的情況作為對比分析結果，見表2。

4 規(guī)劃措施及效果評價

湖底的生態(tài)清淤、岸線的調(diào)整使得北麻漾規(guī)劃后整個湖泊水體流動性較規(guī)劃前明顯加快，湖泊與外界進行水體交換的周期縮短，且行洪蓄水的能力加強，使北排通道的暢流得到保證。在入湖河口并靠近現(xiàn)狀島嶼位置的流速有所增加，如表2中節(jié)點30、31、32處。而湖中島嶼的構建從一定程度上改變了北麻漾的流場，使得寺港對北麻漾流場的影響加大，由表2和圖4可以看出北麻漾西北部水流流動加強，如表2節(jié)點40、41處，且北麻漾主流線的流速，如節(jié)點8、9、44等處，水流速度也加快。而靠近北麻漾岸邊的流速有所減小，使得水流對護岸的沖刷減小。

雖然水流流速減小，但其對護岸和島嶼仍有一定的沖刷，需對島嶼周邊進行護岸建設以穩(wěn)定島嶼，同時對近水岸排泥場、出入湖處的岸線在兼顧生態(tài)效應的前提下，進行岸線加固與保護，以防止水流對其沖刷。

由于北麻漾水面寬廣，缺乏視覺層次，湖中排泥島利用不同的水生植物，既從生態(tài)上改善北麻漾水環(huán)境，又從景觀上豐富了單一的水面。而近水岸排泥場也因其“灘涂濕地”的效果，有助于減緩水流對岸邊的沖刷，有利于污染物和雜物的沉淀稀釋，凈化湖泊水質(zhì)，排泥場濕地景觀性水生植物的種植也使北麻漾的景觀更加豐富，為今后將濕地作為教育、科研、景觀、游憩等場所的發(fā)展做好準備。

規(guī)劃之后的岸線發(fā)育系數(shù)［7］雖然較之前有所降低，但岸線調(diào)整并沒有減少湖面面積，只是在區(qū)域范圍內(nèi)達到土地整合，規(guī)劃之后的岸線更加適宜周邊土地的開發(fā)利用和景觀的建設。

表2 流場模擬3.2 m／s東南風作用下規(guī)劃前后流速變化

5 結論與展望

本文運用EFDC三維模擬在湖泊前期規(guī)劃設計中針對水量、水質(zhì)、泥沙、水溫等的模擬，起到了前瞻性研究作用，所需要的參數(shù)獲取較為容易，成果與實際過程較為匹配，具有一定參考性。

湖泊前期規(guī)劃設計中，流場分析能夠反映湖泊換水能力、泥沙攜帶能力與水質(zhì)保障能力，本文運用EFDC三維模擬，針對湖泊的自身形態(tài)做了平面和立面的優(yōu)化調(diào)整，量化了形態(tài)調(diào)整的重要作用和效果，為后期設計做了重要支撐。

湖泊水環(huán)境改善除了關注洪澇問題和水質(zhì)問題以外，湖泊自身生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展與維持也越來越重要。在能預測湖泊未來的發(fā)展演變趨勢的基礎上開展前期規(guī)劃設計，逐漸形成湖泊自身生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，削弱人為干擾的影響，借助和運用模型這種重要的支撐手段，通過實際案例的驗證，逐漸推進科學化開展水環(huán)境規(guī)劃設計的重要路徑。