洪澤湖退圩還湖規(guī)劃設(shè)計(jì)研究

袁秀偉，車 力，吳銀杰

(淮安市洪澤區(qū)水利局,江蘇 淮安 223100)

洪澤湖為我國(guó)第四大淡水湖泊，受歷史政策因素和水產(chǎn)養(yǎng)殖、土地開(kāi)發(fā)等經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動(dòng)影響，擋洪堤、圈圩等蓄洪墾殖工程大量修建，湖水與物質(zhì)流動(dòng)受阻；泥沙淤積，水域面積逐年縮小，湖泊調(diào)蓄能力下降；水質(zhì)惡化、生態(tài)退化，湖泊健康受到較大影響。為全面落實(shí)習(xí)近平生態(tài)文明思想，牢固樹(shù)立“兩山”發(fā)展理念，貫徹落實(shí)“十六字”治水思路，高質(zhì)量推動(dòng)淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)，江蘇省水利廳于2018年啟動(dòng)《江蘇省洪澤湖退圩還湖規(guī)劃》編制工作，主要內(nèi)容是按照洪澤湖的功能需求，全面調(diào)查現(xiàn)狀圈圩，明確退圩還湖布局方案，提出迎湖堤防加固、生態(tài)修復(fù)與功能提升任務(wù)，分析綜合效益，研究制定相關(guān)政策。在此背景下，開(kāi)展洪澤區(qū)洪澤湖退圩還湖規(guī)劃研究。

1 流域概況

洪澤湖位于淮河中下游結(jié)合部，保護(hù)范圍3704km2，蓄水保護(hù)范圍1780km2，是淮河上中游來(lái)水和南水北調(diào)東線工程重要的調(diào)蓄湖泊，入湖河流主要在湖西部和北部，有淮河、懷洪新河、濉河、汴河和徐洪河、安東河等，其中淮河入量占流入總量的70%以上。洪澤湖接納淮河上中游15.82萬(wàn)km2來(lái)水后，經(jīng)調(diào)蓄利用，由淮河入江水道、入海水道、蘇北灌溉總渠、黃河故道及分淮入沂水道分別入江入海。

洪澤湖周邊分布著江蘇中北部新興產(chǎn)業(yè)基地、長(zhǎng)三角地區(qū)湖濱旅游度假城市群等優(yōu)質(zhì)資源，作為歷史上的洪水淹沒(méi)和調(diào)蓄場(chǎng)所，長(zhǎng)期以來(lái)洪澤湖修建了大量水利工程，但實(shí)施時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)參差不齊，當(dāng)前仍存在著以下問(wèn)題：非法圍占現(xiàn)象嚴(yán)重、部分圩堤標(biāo)準(zhǔn)不足、防洪調(diào)蓄能力減弱、供水能力減弱、水域面積萎縮、生態(tài)修復(fù)壓力大、水環(huán)境問(wèn)題凸顯等。

2 退圩還湖規(guī)劃內(nèi)容

退圩還湖是加強(qiáng)洪澤湖保護(hù)、規(guī)范開(kāi)發(fā)利用行為、維護(hù)湖泊健康生命的重大舉措。根據(jù)《江蘇省洪澤湖保護(hù)規(guī)劃》，洪澤湖蓄水范圍線為蓄水位13.5m與滯洪區(qū)迎湖擋洪堤圈共同確定，無(wú)擋洪堤段以13.5m等高線確定，蓄水范圍線即退圩還湖清退范圍線。具體目標(biāo)是清退圈圍317.92km2，其中堤圩58.85km2、埂圩259.07km2；加固加高迎湖擋洪堤297.7km，塑造生態(tài)岸灘125.7km；棄土綜合利用，聚泥成島面積11.29km2。實(shí)施完成后，洪澤湖恢復(fù)自由水面317.92km2，防洪、水資源和生態(tài)效益顯著，洪澤湖生態(tài)健康和綜合功能得到明顯提升，區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展得到有力支撐。

洪澤區(qū)洪澤湖退圩還湖項(xiàng)目分為西順河、老子山2個(gè)片區(qū)，西順河蓄水保護(hù)范圍線內(nèi)圈圩部分清退，清退土方沿七七圩向湖區(qū)填筑堤防，剩余棄土通過(guò)1#、2#聚泥成島(排泥場(chǎng))消化；老子山片位于洪澤湖蓄水保護(hù)范圍線內(nèi)圈圩全部進(jìn)行清退還湖，清退土方通過(guò)3#、4#聚泥成島(排泥場(chǎng))消化。聚泥成島項(xiàng)目結(jié)合漁民安置、生態(tài)恢復(fù)等要求布置。洪澤區(qū)洪澤湖退圩還湖主要建設(shè)內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 洪澤區(qū)洪澤湖退圩還湖主要建設(shè)內(nèi)容表

3 退圩還湖設(shè)計(jì)方案

3.1 圈圩清退

3.1.1清退標(biāo)準(zhǔn)

清退標(biāo)準(zhǔn)為退至現(xiàn)狀灘面、塘底高程，按照深水區(qū)(12.0m)、淺水區(qū)(12.5m～13.0m)、堤前生態(tài)修復(fù)區(qū)(13.0m～13.5m)分區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)清退。

西順河片實(shí)測(cè)塘底高程11.4～12.9m，圍埂高程12.7～13.7m，1#、3#清退區(qū)按照塘底標(biāo)高清退圍埂，清退標(biāo)高11.4～11.5m；2#、4#清退區(qū)分別按照標(biāo)高12.0、13.0m對(duì)圍埂就地平毀還湖。

老子山片實(shí)測(cè)塘底高程12.2～13.4m，圍埂高程14.2～15.0m，耕地、基本農(nóng)田外圍土埂高程14.2～14.5m，田間土埂高程11.5～13.6m，田面高程11.3～12.7m。老子山片區(qū)各清退區(qū)距離較遠(yuǎn)、片區(qū)分散，排泥場(chǎng)相對(duì)集中。在滿足規(guī)劃要求前提下，行洪主通道區(qū)域的1#、2#、3#清退區(qū)按照較高標(biāo)準(zhǔn)清退，根據(jù)排泥場(chǎng)容量確定清退標(biāo)高12.2m；其余清退區(qū)域按照淺水區(qū)上限標(biāo)高13.0m對(duì)圍埂平毀還湖。

3.1.2土方計(jì)算

土方計(jì)算采用三角網(wǎng)法。根據(jù)實(shí)測(cè)原始數(shù)據(jù)及三維坐標(biāo)，以每3個(gè)點(diǎn)不重復(fù)不交叉無(wú)間隔連成一系列面的方式展點(diǎn)在CASS界面上，形成表平面文件后建立三維實(shí)體，由數(shù)字地面模型(DTM)建立數(shù)字高程模型(DEM)。按設(shè)定高程確定0平面后，對(duì)DEM進(jìn)行放坡、切割、拉伸、設(shè)置挖填方參數(shù)等，計(jì)算相應(yīng)挖、填方量。三角網(wǎng)法計(jì)算土方如圖1所示。

圖1 三角網(wǎng)法計(jì)算土方示意圖

3.2 堤防工程

堤防工程合計(jì)10.00km，其中西順河片新建堤防長(zhǎng)度3.9km，加固于圩大溝東堤1.7km；老子山片東大圩堤防加固1.35km，劉咀圩堤防加固3.05km，特征水位見(jiàn)表2。

表2 堤防工程特征水位表

堤防安全超高按下式計(jì)算:

h=e+R+A

(1)

式中，h—堤頂超高，m;e—設(shè)計(jì)風(fēng)壅水面高，m;R—設(shè)計(jì)波浪爬高，m；A—堤頂安全加高，m，根據(jù)GB 50285—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》取0.7m。

風(fēng)浪要素按下式計(jì)算：

(2)

(3)

(4)

波長(zhǎng)按下式計(jì)算：

(5)

式中，H—平均波高，m；T—平均波周期，s；V—計(jì)算風(fēng)速，m/s；F—風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，m；d—水域平均水深，m；g—重力加速度，9.81m/s2；tmin—風(fēng)浪達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的最小風(fēng)時(shí)間，s。

風(fēng)壅水面高度按下式計(jì)算：

(6)

式中，K—綜合摩阻系數(shù)，取3.6·10-6；V—設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s；F—有計(jì)算點(diǎn)逆風(fēng)向量到對(duì)岸的距離，m；β—風(fēng)向垂直于堤軸線的法線夾角，(°)。

風(fēng)浪爬高按下式計(jì)算：

(7)

式中，Rp—累積頻率為P的波浪爬高，m；KΔ—斜坡的糙率及滲透性系數(shù)；Kv—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Kp—爬高累積頻率換算系數(shù)，取0.2%；m—斜坡斜率；H—堤前波浪平均波高，m；L—堤前波浪波長(zhǎng)，m。

以西順河新建堤防為例，安全超高計(jì)算成果見(jiàn)表3。西順河堤防頂高程計(jì)算值為16.90m，設(shè)計(jì)高程取值為17.00m，考慮3%～5%的預(yù)留沉降量，實(shí)際施工時(shí)堤頂填筑至17.20m。因清退土方充裕，結(jié)合湖區(qū)生態(tài)旅游開(kāi)發(fā)，對(duì)堤防加寬。規(guī)劃西順河片堤頂寬度10m；迎水坡設(shè)置消浪平臺(tái)，高程14.0m，寬度10m；平臺(tái)以上坡比1∶3，平臺(tái)以下坡比1∶10，背水側(cè)坡比1∶3；受湖水沖刷堤段迎水側(cè)▽12.5～▽16.0m坡面采用格賓防護(hù)；考慮退圩還湖后湖泊生態(tài)系統(tǒng)重建，迎水側(cè)▽11.5～▽14.0m坡面種植水生植物。堤防工程共4個(gè)典型斷面，如圖2所示。

表3 堤防安全超高計(jì)算成果表

圖2 堤防工程典型斷面圖(單位:m)

3.3 聚泥成島(排泥場(chǎng))

聚泥成島(排泥場(chǎng))主要設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 聚泥成島(排泥場(chǎng))主要設(shè)計(jì)指標(biāo)表

3.3.1沉降計(jì)算

對(duì)聚泥成島(排泥場(chǎng))進(jìn)行沉降計(jì)算，根據(jù)沉降量和設(shè)計(jì)標(biāo)高確定土方超填量，沉降計(jì)算分為堆島區(qū)自身沉降量和持力層壓縮沉降量。聚泥成島區(qū)自身沉降量按以下公式計(jì)算:

(8)

式中，Δp—自重應(yīng)力；Es—壓縮模量，取2.7MPa；H—分層土厚度；m—系數(shù)，取1.5。

持力層壓縮沉降量根據(jù)以下公式計(jì)算：

(9)

式中，n—壓縮層范圍的土層數(shù)；e1i—第i土層在平均自重應(yīng)力作用下的孔隙比；e2i—第i土層在平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力共同作用下的孔隙比；hi—第i層土厚度，mm；m—修正系數(shù)，軟土地基取1.3～1.6。最終沉降量為兩者之和。

西順河片1#、2#聚泥成島區(qū)沉降計(jì)算，假設(shè)以11.40m高程為平均基底，堆土至17.0m高程，13.5m以上土體采用自然重度，13.5m以下土體采用浮重度，計(jì)算最終沉降量0.5876m，超填高度取0.6m。老子山片3#排泥場(chǎng)位于洪澤湖湖區(qū)，持力層均為淤泥質(zhì)土，基底以下分層土厚度1.5～3.5m，根據(jù)實(shí)測(cè)地質(zhì)資料的e-p曲線求得各分層土壓縮量，其余計(jì)算方法相同，計(jì)算最終沉降量1.956m，超填高度取2m。4#排泥場(chǎng)地質(zhì)條件較好，最終沉降量計(jì)算成果為0.5445m，超填高度取0.55m。

3.3.2老子山聚泥成島流態(tài)影響分析

3#聚泥成島(排泥場(chǎng))位于淮干入湖口位置，為分析聚泥成島后對(duì)行洪的影響，采用MIKE21二維水動(dòng)力模型進(jìn)行流態(tài)分析。

(1)控制方程

二維水動(dòng)力控制方程為笛卡爾坐標(biāo)系(Cartesian Coordinates)下的納維—斯托克斯方程組(Navier-Stokes equations)，該方程組由水流連續(xù)性方程、沿水流方向(x方向)的動(dòng)量方程和垂直水流方向(y方向)的動(dòng)量方程組成。

(10)

(11)

(12)

式中，η—水面高程，m；h—總水深，m；g—重力加速度，m2/s；ρ—水的密度；ρ0—淡水參考密度；f=2Ωsinφ—科氏力系數(shù)；Pa—大氣壓強(qiáng)；Sxy—輻射應(yīng)力張量；S—點(diǎn)源排放量，g；us，vs—點(diǎn)源排放速度分量。

(2)離散方法

采用有限體積法對(duì)水動(dòng)力和物質(zhì)輸運(yùn)方程進(jìn)行空間離散。在水動(dòng)力方程和污染物傳輸(擴(kuò)散)方程的時(shí)間積分使用顯式差分法，為維持模型穩(wěn)定，模擬時(shí)間間隔的選定Courant-Friedrich Levy(CFL)值小于0.8。對(duì)于笛卡爾坐標(biāo)下的淺水方程式：

(13)

對(duì)笛卡爾坐標(biāo)下的污染物運(yùn)移方程式：

(14)

式中，Δx、Δy—x、y方向上的特征長(zhǎng)度；Δt—時(shí)間間隔。

數(shù)值模擬區(qū)域中常有部分單元網(wǎng)格處在干濕交替區(qū)，設(shè)定濕水深度為0.1m，淹沒(méi)深度為0.05m，干水深度為0.005m。設(shè)定模型上下游邊界水位，確定區(qū)域內(nèi)各單元的水位值，以此為初始條件運(yùn)行模型直至流場(chǎng)穩(wěn)定，提取該穩(wěn)定流場(chǎng)作為模擬初始流場(chǎng)。模型計(jì)算網(wǎng)格如圖5所示，現(xiàn)狀和聚泥成島后地形插值如圖3—5所示。

圖3 模型計(jì)算網(wǎng)格

圖4 現(xiàn)狀地形插值

圖5 聚泥成島后地形插值

(3)工況計(jì)算

分別對(duì)現(xiàn)狀和退圩后的設(shè)計(jì)洪水位、非汛期正常蓄水位工況下，3#排泥場(chǎng)周邊流態(tài)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算工況見(jiàn)表5。

表5 3#排泥場(chǎng)周邊流速流態(tài)計(jì)算工況表

現(xiàn)狀設(shè)計(jì)洪水工況計(jì)算結(jié)果如圖6—8所示，可見(jiàn)入湖口河道主槽流速明顯大于湖區(qū)流速，淮仁灘上游河道分汊處水流流態(tài)較為平順，主流歸于河道主槽，主槽最大流速約0.64m/s；隨著水流進(jìn)入湖區(qū)，過(guò)流斷面擴(kuò)大，流速減?。换慈蕿﹨^(qū)域由于圈圍養(yǎng)殖流速很小，約0.08～0.12m/s。

圖6 現(xiàn)狀地形設(shè)計(jì)洪水位水深分布

圖7 現(xiàn)狀地形設(shè)計(jì)洪水位工況流速分布

圖8 現(xiàn)狀地形設(shè)計(jì)洪水位工況流態(tài)分布

現(xiàn)狀正常蓄水工況計(jì)算結(jié)果如圖9—11所示。可見(jiàn)計(jì)算區(qū)域流速及流態(tài)分布與上一工況類似，入湖口河道主槽流速較大，淮仁灘上游河道分汊處水流流態(tài)較平順，主槽最大流速約為0.48m/s；淮仁灘區(qū)域由于圈圍養(yǎng)殖流速很小，約0.06～0.12m/s。空白區(qū)域?yàn)樗魑囱蜎](méi)區(qū)域。

圖9 現(xiàn)狀地形正常蓄水位工況水深分布

圖10 現(xiàn)狀地形正常蓄水位工況流速分布

圖11 現(xiàn)狀地形正常蓄水位工況流態(tài)分布

退圩后設(shè)計(jì)洪水、正常蓄水工況計(jì)算結(jié)果如圖12—17所示?？梢?jiàn)計(jì)算區(qū)域流速及流態(tài)分布與現(xiàn)狀工況類似，入湖口河道主槽流速較大，湖區(qū)流速較小。主要區(qū)別在于，清退圩梗后對(duì)清退區(qū)進(jìn)行整平處理，計(jì)算區(qū)域內(nèi)河道、湖區(qū)流速分布更為均勻；由于淮仁灘的清退，上游河道主槽進(jìn)入湖區(qū)的水流擴(kuò)散角變大，水流直沖作用減少，利于保持3#排泥場(chǎng)的穩(wěn)定。設(shè)計(jì)洪水工況，3#排泥場(chǎng)周邊最大流速約0.45m/s，位于排泥場(chǎng)南側(cè)的洪澤湖南線航道處；其他周邊流速較小，約0.12～0.15m/s。正常蓄水工況，3#排泥場(chǎng)周邊流速分布與工況3類似，最大流速約0.36m/s，位置與工況3相同，其他周邊流速約0.08～0.12m/s。

圖12 退圩后聚泥成島地形設(shè)計(jì)洪水位工況水深分布

圖13 退圩后聚泥成島地形設(shè)計(jì)洪水位工況流速分布

圖14 退圩后聚泥成島地形設(shè)計(jì)洪水位工況流態(tài)分布

圖15 退圩后聚泥成島地形正常蓄水位工況水深分布

圖16 退圩后聚泥成島地形正常蓄水位工況流速分布

圖17 退圩后聚泥成島地形正常蓄水位工況流態(tài)分布

(4)流速流態(tài)影響分析結(jié)論

退圩實(shí)施后，由于下游湖區(qū)圍埂清退恢復(fù)為水面，上游主槽流態(tài)較實(shí)施前改善明顯，但主槽流速前后變化不大，設(shè)計(jì)洪水工況最大流速約0.64m/s，正常蓄水工況最大流速約0.48m/s，排泥場(chǎng)布置滿足行洪排澇安全要求；下游區(qū)域水流擴(kuò)散角變大，水流流速分布更為均勻，設(shè)計(jì)洪水工況3#排泥場(chǎng)近主槽最大流速0.45m/s，周邊流速0.12～0.15m/s，正常蓄水工況3#排泥場(chǎng)近主槽最大流速0.36m/s，周邊流速0.08～0.12m/s；下游區(qū)域整體流速較現(xiàn)狀有所變大，但受區(qū)域大水面、淺灘影響，仍然可能發(fā)生局部淤積現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)施退圩還湖，采用迎湖擋洪堤防提標(biāo)達(dá)標(biāo)，結(jié)合生態(tài)修復(fù)等措施，使湖泊調(diào)蓄能力有效恢復(fù)、水生態(tài)環(huán)境明顯改善；通過(guò)采用淤泥原位固化技術(shù)，有效解決區(qū)域范圍內(nèi)洪澤湖歷史圩區(qū)問(wèn)題，營(yíng)造自然景觀生態(tài)。在江蘇省洪澤湖綜合治理中，結(jié)合退圩還湖，陸續(xù)實(shí)施周邊滯洪區(qū)改造建設(shè)、實(shí)施洪澤湖環(huán)境生態(tài)綜合治理，從恢復(fù)湖泊防洪減災(zāi)、優(yōu)化配置水資源、維護(hù)湖泊的健康生態(tài)、提升湖泊沿岸自然環(huán)境各方面，改善區(qū)域環(huán)境，對(duì)保障洪澤湖地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本研究尚有一定不足之處，受歷史人文資金等綜合因素影響，圩區(qū)居民未能全面遷移，進(jìn)行了逃避險(xiǎn)規(guī)劃，此項(xiàng)工作有待進(jìn)一步解決。