退圩還湖工程后水系連通分析
——以平旺湖、得勝湖為例

蔣志昊， 楊 印， 王春美， 王冬梅

(江蘇省水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210017)

1 概 況

里下河地區(qū)位于江蘇省中部地域，地處里運(yùn)河以東，蘇北灌溉總渠以南，揚(yáng)州至南通328國道及泰運(yùn)河以北，東至黃海，總面積21497 km2，地理位置界于東經(jīng)119°20′～120°05′，北緯32°30′～33°33′之間，包括揚(yáng)州的高郵市、寶應(yīng)縣、淮安的楚州區(qū)、泰州的姜堰區(qū)、興化市、鹽城的鹽都區(qū)、建湖縣、阜寧縣。

其中，興化市位于長江三角洲北翼，地處江蘇省中部、里下河地區(qū)腹地。東鄰大豐、東臺(tái)，南接姜堰、江都，西與高郵、寶應(yīng)毗鄰，北與鹽城隔界河相望。全市列入《江蘇省湖泊保護(hù)名錄》的湖蕩共有20個(gè)，其中，本次退圩還湖實(shí)施方案根據(jù)《里下河湖泊湖蕩(興化市域)退圩還湖專項(xiàng)規(guī)劃》[1]的要求，以平旺湖和得勝湖為實(shí)施目標(biāo)。

2 項(xiàng)目介紹

2.1 湖泊現(xiàn)狀

2.1.1 得勝湖

得勝湖是興化市著名的五湖八蕩之一，位于興化市城區(qū)以東，地理位置東經(jīng)119°55′37″，北緯32°57′00″，東至渭水河，南到車路河，西達(dá)躍進(jìn)河及姚港，北接白涂河與城河，南北寬4.99 km，東西長6.74 km，得勝湖總面積16.497 km2(合24746畝)?，F(xiàn)狀得勝湖主要以圩區(qū)形式存在，主要是副業(yè)圩和農(nóng)業(yè)圩，以養(yǎng)殖為主，部分種植，養(yǎng)殖面積約為9.372 km2，種植面積約為2.245 km2。圩區(qū)內(nèi)有居民點(diǎn)，面積約15500 m2。得勝湖橫跨垛田鎮(zhèn)、城東鎮(zhèn)、林湖鄉(xiāng)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，涉及11個(gè)村，3個(gè)養(yǎng)殖場，受人為活動(dòng)影響，特別是過度圈圩(圍)養(yǎng)殖、種植，湖泊功能下降。主要問題有開發(fā)圍占水域，嚴(yán)重削弱湖泊調(diào)蓄功能；湖泊湖蕩地區(qū)引排水通道不暢，水流堵塞嚴(yán)重；生態(tài)系統(tǒng)惡化，濕地功能效益下降；湖泊湖蕩地區(qū)的權(quán)責(zé)不清，責(zé)任主體不統(tǒng)一[2-3]。

2.1.2 平旺湖

平旺湖位于在興化市西北部，保護(hù)總面積5.169 km2，平旺湖共有6個(gè)圩區(qū)。平旺湖附近的河道主要有下官河、塘溝河、中引河、邊溝河、土橋河、黃邳河、顧趙河、漏稅河等。其中下官河為里下河地區(qū)五縱六橫骨干河網(wǎng)的一部分，為里下河腹部地區(qū)湖泊湖蕩一級(jí)行水通道，穿湖而過。中引河為里下河腹部地區(qū)湖泊湖蕩二級(jí)行水通道。平旺湖通過中引河、土橋河與平旺湖、平旺湖南蕩相連。平旺湖現(xiàn)主要以圩區(qū)形式存在，第一批滯澇圩為副業(yè)圩，第二批滯澇圩為農(nóng)業(yè)圩。下官河?xùn)|側(cè)圩區(qū)目前主要以養(yǎng)殖為主，西側(cè)圩區(qū)以種植為主。平旺湖東側(cè)臨近興化著名的垛田景區(qū)。由于湖泊湖蕩開發(fā)利用嚴(yán)重，造成行水不暢，難以發(fā)揮其應(yīng)有的泄洪功能，影響了平旺湖周邊地區(qū)的防洪安全，一定程度上導(dǎo)致平旺湖地區(qū)的生態(tài)退化，影響湖泊資源的可持續(xù)利用和區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2.2 實(shí)施情況

2.2.1 得勝湖

根據(jù)實(shí)施方案得勝湖與周邊河道敞口連接，保證工程過水順暢。湖體西、南側(cè)為進(jìn)水口，北部設(shè)3個(gè)出水口與環(huán)湖河道相連，周邊堆土區(qū)為排泥場。湖內(nèi)西北部和東南部各設(shè)島嶼，如圖1所示。工程實(shí)施后恢復(fù)自由水面11.581 km2，形成堆土區(qū)面積4.916 km2。結(jié)合非汛期水流從西向東、從南向北的流態(tài)特點(diǎn)，本著有利于水體交換的原則，設(shè)置主次進(jìn)出水口6處，形成水流進(jìn)出湖區(qū)的通道。主進(jìn)水口位于湖區(qū)西南角車路河與躍進(jìn)河交匯處，主出水口在湖區(qū)東北角接通渭水河，1#次進(jìn)水口位于湖區(qū)西北角澄河與躍進(jìn)河交匯處，1#次出水口在湖區(qū)北側(cè)接通白涂河，2#次進(jìn)水口位于湖區(qū)南側(cè)由車路河取水，2#次出水口在湖區(qū)北側(cè)接通澄河、姚港匯入白涂河。

圖1 得勝湖成湖區(qū)示意圖

2.2.2 平旺湖

平旺湖全湖呈南北向分布，整體為狹長狀，湖體中部窄順。實(shí)施方案保證沿岸布置堆土區(qū)整個(gè)湖泊與周邊河道敞口連接，在河湖相連處架設(shè)橋梁，保持岸線完整。湖內(nèi)堆土區(qū)設(shè)置為3個(gè)湖心島嶼，最終成湖效果見圖2。平旺湖退圩還湖實(shí)施后，入湖水系主要有：南邊流入湖區(qū)的下官河、漏稅河，西側(cè)流入湖區(qū)的黃邳河。出湖水系主要有：北側(cè)流出湖區(qū)的下官河、塘溝河、中引河，東側(cè)流出湖區(qū)的土橋河。其中南部湖區(qū)東側(cè)與下官河全部連通。

圖2 平旺湖成湖區(qū)示意圖

3 模型計(jì)算

3.1 模型及原理

得勝湖、平旺湖退圩還湖實(shí)施方案解決了里下河地區(qū)內(nèi)部河網(wǎng)及外排入海港道淤積、下墊面的變化導(dǎo)致產(chǎn)流匯水加快的現(xiàn)象，另外，里下河地區(qū)“中滯”面積不足，部分湖蕩滯澇圩分散且開發(fā)殆盡，利用困難等問題也可以得到一定程度的緩解[4-5]。退圩還湖擴(kuò)大了湖區(qū)的自由水面面積，同時(shí)影響周邊河道與湖泊之間的連通。本文根據(jù)目標(biāo)區(qū)域水文及地理信息資料，以平旺湖、得勝湖為例，構(gòu)建了平面水動(dòng)力模型，計(jì)算了退圩還湖后成湖區(qū)流速變化以及流場分布。

3.1.1 水網(wǎng)模型

根據(jù)研究區(qū)域的區(qū)位水文特征一般采用統(tǒng)計(jì)相關(guān)模型、經(jīng)驗(yàn)相關(guān)模型[6]和河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型[7]的方法來構(gòu)建河網(wǎng)模型。統(tǒng)計(jì)相關(guān)模型的原理是通過對(duì)多年長系列資料的統(tǒng)計(jì)分析，確定研究區(qū)域代表站點(diǎn)影響因子，建立統(tǒng)計(jì)相關(guān)模型。經(jīng)驗(yàn)相關(guān)模型原理利用降雨水位資料，建立基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)預(yù)報(bào)模型，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)選定的影響因子進(jìn)行模擬計(jì)算，預(yù)報(bào)目標(biāo)過程。河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型則采用河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)區(qū)域內(nèi)降雨產(chǎn)流過程和河網(wǎng)匯流過程進(jìn)行模擬分析，對(duì)給定條件下的水位及流量過程進(jìn)行預(yù)報(bào)?？紤]到研究區(qū)域內(nèi)實(shí)施方案施行前后湖底地形變化明顯，所以將河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型作為本文研究方法。

3.1.2 模型原理

利用水動(dòng)力學(xué)的基本理論，以平旺湖、得勝湖為例，構(gòu)建適用于里下河腹部地區(qū)湖泊湖蕩的河網(wǎng)二維水動(dòng)力模型，周邊河道采用河道一維模型，模擬計(jì)算退圩還湖后成湖區(qū)流速變化以及流場分布。

(1)河道一維模型

描述河道水流運(yùn)動(dòng)的圣維南方程組[8]為

(1)

式中：q為旁側(cè)入流；Q、A、B、Z分別為河道斷面流量、過水面積、河寬和水位；Vx為旁側(cè)入流流速在水流方向上的分量，一般可以近似為零；K為流量模數(shù)，反映河道的實(shí)際過流能力；α為動(dòng)量校正系數(shù)，是反映河道斷面流速分布均勻性的系數(shù)。對(duì)上述方程組求解采用四點(diǎn)線性隱式格式進(jìn)行離散。

(2)湖泊二維模型

湖泊、行洪區(qū)等單元的水流采用二維淺水波方程來描述：

(2)

(3)

對(duì)上述二維淺水波方程，直接求解有一定的困難，采用破開算子法將該方程分裂成如下兩分步；然后分別對(duì)其采用合適的方法進(jìn)行求解。

第一分步：

(4)

第二分步：

(5)

對(duì)上面兩分步方程組的數(shù)值求解，采用直角坐標(biāo)系下非均勻矩形網(wǎng)格的控制體積法。二維差分網(wǎng)格示意圖見圖3，下面以第二分步的方程組為例說明如下：

圖3 二維差分網(wǎng)格示意圖

首先對(duì)動(dòng)量方程(5)離散，以單元I與J的交界面為例說明如下：

(6)

式中：下標(biāo)“o”表示時(shí)刻初的已知值。

整理化簡得：

U=δ0(ZI-ZJ)+β0

(7)

將上式乘以Δy可得由單元I流進(jìn)單元J的流量為

QX=δX(ZI-ZJ)+βX

(8)

同理對(duì)式(5)離散可得單元K流到單元J的流量為

QY=δY(ZK-ZJ)+βY

(9)

對(duì)式(5)離散可得：

(10)

化簡得：

(11)

式中：A為單元J的面積；∑Qi表示包括降雨在內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)流進(jìn)單元J水量的代數(shù)和。

(3)模型概化

兩湖模型構(gòu)建前要進(jìn)行模型的概化。為顯示成湖后流場流速變化，得勝湖、平旺湖概化采用二維水動(dòng)力模型。根據(jù)邊界線以及水下地形測點(diǎn)資料，在ArcGIS軟件中進(jìn)行適當(dāng)處理后導(dǎo)出，引入系統(tǒng)進(jìn)行派生。由于二維湖泊需進(jìn)行水下高程的插值計(jì)算，因此利用已有地形點(diǎn)建立不規(guī)則三角網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)高程二次插值，初步顯示兩湖區(qū)域的地形高程，完成湖泊概化。周邊河道全部采用物理河網(wǎng)概化的原則，概化河道全部對(duì)應(yīng)實(shí)際河道，概化河網(wǎng)的過流能力能夠反映實(shí)際情況。概化后地形見圖4。

模型計(jì)算方案采用聯(lián)立里下河河網(wǎng)水動(dòng)力模型，設(shè)置兩湖模型計(jì)算專題。利用平旺湖退圩還湖地形建立平旺湖二維模型，平旺湖采用區(qū)域二維模型，覆蓋30 m×30 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。周邊河道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。得勝湖采用區(qū)域二維模型，覆蓋30×30 m網(wǎng)格，入湖處設(shè)置聯(lián)系要素與周邊河道連通。根據(jù)現(xiàn)有河道資料，在2號(hào)次出水口生成概化河道，與原里下河河網(wǎng)模型聯(lián)立。兩湖生成的水網(wǎng)模型如圖5所示。

3.2 結(jié)果與分析

選取1次水位變化過程對(duì)兩湖模型進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)里下河歷史水文資料，本文選定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。以創(chuàng)建的兩湖模型專題作為計(jì)算專題，給定初始條件進(jìn)行計(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，故此選用大水年作為計(jì)算序列。截取模型計(jì)算穩(wěn)定后的流量過程，選取常水位、次洪起漲點(diǎn)、最高水位、退水過程下得勝湖、平旺湖的流速流場分布以及對(duì)應(yīng)的湖泊水深示意圖作為結(jié)果顯示內(nèi)容，見圖6。

3.2.1 常水位水深流速分布

計(jì)算過程線取2003-5-31 T 01:00:00時(shí)刻為常水位過程顯示點(diǎn)(興化水位：1.014 m)，分別繪制得勝湖、平旺湖流速和流場分布，見圖7。由圖7可以看出常水位下得勝湖流速較小，流速較大處集中在水深較大的湖心島嶼處。主出水口與西部島嶼處水流不暢。根據(jù)平旺湖常水位下流速分布情況可以得出，平旺湖中部水域流速較大，南北兩側(cè)以及靠近湖邊界處流速較小。

3.2.2 高水位時(shí)刻水深流速分布

取2003-6-29 T 15:00:00時(shí)刻為起漲水位點(diǎn)(興化水位：0.934 m)，分別繪制得勝湖、平旺湖流速和流場分布，見圖8。結(jié)果顯示高水時(shí)刻得勝湖水流流速顯著增大，除北部近邊界處和東北部主出水口流速較小外，其他區(qū)域流速都較大。同一時(shí)刻平旺湖水流流速顯著增大，流速較小處集中于邊界，北部通道水流順暢。

圖4 概化后河湖地形示意圖

圖5 兩湖水文網(wǎng)格模型

圖6 模型計(jì)算成果顯示水文過程線

3.2.3 退水過程水深流速分布

取2003-7-15 T 16:00:00時(shí)刻為退水過程點(diǎn)(興化水位：2.405 m)，分別繪制得勝湖、平旺湖流速和流場分布,見圖9；由得勝湖水深流速渲染圖可以看出，得勝湖內(nèi)部整體水流順暢，湖區(qū)水流流速分布均勻，湖心島嶼處水流順暢。邊界處與外河道連接處多設(shè)口門，故湖邊界處水流順暢，北部邊界處流速較小。湖體中部內(nèi)凹段水流流速較大，主要是由于湖體中部邊界向內(nèi)凹陷導(dǎo)致該段湖體束水作用加大。由平旺湖水深流速渲染圖可以看出，以平旺湖最終方案建模進(jìn)行計(jì)算時(shí)平旺湖北部區(qū)域水流流速很小，通常在次洪流量較大時(shí)湖水才會(huì)順暢流動(dòng)；在湖體中部與下官河相通區(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。

3.3 結(jié)論與建議

本文以江蘇省興化市內(nèi)得勝湖和平旺湖為研究區(qū)域， 利用退圩還湖實(shí)施方案后兩湖水文及地理信息資料，構(gòu)建平旺湖、得勝湖二維水動(dòng)力模型，周邊河道一維模型，并對(duì)模型進(jìn)行概化。將構(gòu)建好的兩湖模型嵌入里下河河網(wǎng)水動(dòng)力模型中進(jìn)行計(jì)算，通過里下河地區(qū)的實(shí)際過水模擬，確定二維湖泊在不同水位狀態(tài)下的流場分布與流速分布，據(jù)此分析成湖區(qū)規(guī)劃的合理性。

圖7 兩湖常水位下流速、流場分布與水深顯示

圖8 兩湖湖最高水位點(diǎn)流速、流場分布與水深顯示

圖9 兩湖退水過程流速、流場分布與水深顯示

模擬過程截取了2003年5月25日至2003年8月1日包含了1個(gè)大的洪水漲落過程的水文區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)不同水位下的流場與流速分布各不相同。由上述計(jì)算結(jié)果可知，得勝湖水流流速大的區(qū)域集中在湖區(qū)內(nèi)島嶼周邊和湖中部邊界內(nèi)凹區(qū)域，湖體內(nèi)部水深大于周邊。平旺湖水流流速大的區(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。

根據(jù)常水位、高水位以及退水過程模擬計(jì)算的結(jié)果，現(xiàn)階段得勝湖成湖區(qū)方案實(shí)施后湖區(qū)水流順暢，湖體中部和島嶼周邊水體流動(dòng)迅速，不易形成淤積，有利于湖泊生態(tài)環(huán)境的改善。得勝湖呈東西向分布，南部湖區(qū)水流呈東西往復(fù)流動(dòng)。近邊界處水流流速通常較小，中部束水段流速較大，更新方案的成湖區(qū)中部過水通道處受束水作用影響水流流速較大。平旺湖內(nèi)部整體水流順暢，湖區(qū)水流流速分布均勻，湖心島嶼處無過水不暢。邊界處與外河道連接處多設(shè)口門，故湖邊界處水流順暢，只在東北邊界處有較小洄水區(qū)。湖體中部水流流速較大，主要是由于地形挖深較大且湖體中部束水作用明顯所致。

對(duì)湖體面積較小的湖泊而言，水流不暢易造成生態(tài)水質(zhì)惡化，湖體對(duì)污染物的凈化能力變差，對(duì)湖體生態(tài)環(huán)境有極大的影響。根據(jù)流場信息，現(xiàn)階段規(guī)劃方案下得勝湖湖體水流順暢，湖體中部水流流速大，不易產(chǎn)生淤積，邊界處由于口門換水，也不易產(chǎn)生淤積，有利于湖泊生態(tài)環(huán)境建設(shè)。更新方案下平旺湖湖體水流順暢，北部湖體與排泥場形成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，對(duì)湖體生態(tài)改善有積極影響。若想進(jìn)一步加大邊界處水體流動(dòng)，可依河道入湖水流方向改進(jìn)湖邊界，盡可能保證入湖處邊界的自然延伸，從而減少洄水區(qū)的產(chǎn)生。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)退圩還湖實(shí)施后，形成的新的水系連通形式，通過模擬計(jì)算輸出的流場分布與流速分布圖，得出湖體流動(dòng)特征。對(duì)湖體面積較小的湖泊而言，水流不暢易造成生態(tài)水質(zhì)惡化，湖體對(duì)污染物的凈化能力變差，對(duì)湖體生態(tài)環(huán)境有極大的影響。模擬計(jì)算過程聯(lián)立里下河河網(wǎng)水動(dòng)力模型，并模擬1次過水過程。根據(jù)流場信息，現(xiàn)階段方案下得勝湖和平旺湖湖體水流順暢，湖體中部水流流速大，不易產(chǎn)生淤積，邊界處由于口門換水，也不易產(chǎn)生淤積，整個(gè)湖體設(shè)計(jì)對(duì)湖體生態(tài)改善有積極影響。