基于MIKE 模型的南漪湖疏浚工程影響分析

魏 為，王思騰

（長江水利委員會(huì),湖北 武漢 430010）

長期以來,在沿湖圈圍、養(yǎng)殖等人類活動(dòng)影響下,南漪湖面積不斷減少,受流域泥沙輸入湖泊影響,南漪湖湖底逐漸淤高。此外,馬山埠閘的建設(shè)阻隔了南漪湖與水陽江之間的天然水力聯(lián)系,使得南漪湖淤積更加嚴(yán)重,導(dǎo)致湖泊容積不斷降低。由于湖泊水體流動(dòng)性較差,水域面積減小造成水生生態(tài)系統(tǒng)單一、水環(huán)境容量減小、水體自凈能力降低,嚴(yán)重影響水體功能、用途和景觀效果[1]。湖泊水體相對封閉,水體流動(dòng)性較差,流速場分布是水環(huán)境質(zhì)量優(yōu)劣的重要表現(xiàn)[2-3]。

從保護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)、消減湖泊污染內(nèi)源、恢復(fù)和優(yōu)化湖泊形態(tài)的角度出發(fā),實(shí)施生態(tài)清淤結(jié)合疏浚擴(kuò)容工程,從而削減內(nèi)源污染是南漪湖改善水環(huán)境的一項(xiàng)重要舉措。為了分析清淤工程對湖泊水文情勢的影響,本文基于MIKE11 和MIKE21 建立南漪湖流域數(shù)學(xué)模型,對疏浚工程實(shí)施前后的流場、水位及其變化進(jìn)行模擬,分析工程實(shí)施對湖勢的影響。

1 生態(tài)清淤方案

南漪湖是安徽省宣城市天然湖泊,系新構(gòu)造斷陷洼地經(jīng)泥沙長期封淤積水而成的滯積湖,具備蓄洪、灌溉、養(yǎng)殖、旅游等多重功能。南漪湖湖岸周長約140 km,岸線曲折,湖面東西長19 km,最大寬度14 km。湖底較平坦,東湖湖區(qū)略低于西湖湖區(qū),湖心處6.0 m～7.0 m,湖床平均高程8.2 m。

1.1 清淤試驗(yàn)工程位置

南漪湖清淤疏浚方案總體對湖區(qū)分為10 個(gè)疏浚區(qū),見圖1。根據(jù)底泥調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì),見圖2,試驗(yàn)工程所在的4#疏浚區(qū)內(nèi)底泥氮、磷、有機(jī)質(zhì)等各類污染及內(nèi)源負(fù)荷均顯著高于南漪湖其他區(qū)域,是底泥污染最為突出的區(qū)域。

圖1 試驗(yàn)工程清淤區(qū)域位置示意圖

圖2 底泥調(diào)查結(jié)果等值厚度效果圖

對照圖1 和圖2,試驗(yàn)工程選取底泥污染最嚴(yán)重的4#疏浚區(qū)作為試驗(yàn)工程區(qū)域,可以更好地檢驗(yàn)清淤效果。試驗(yàn)工程的平面疏浚范圍為8.18 km2,疏浚區(qū)距離北側(cè)岸邊最小距離為648 m,距離東側(cè)岸邊最小距離為175 m,在西北側(cè)岸邊附近設(shè)置臨時(shí)堆場。

1.2 清淤工程量

1.2.1 污染底泥清淤量

表層污染底泥清淤量為245.57×104m3。采用絞吸船疏浚,配合多泵連接的管道運(yùn)輸,上岸后采用土工管袋技術(shù)固結(jié)處理,固結(jié)土方可以用于臨時(shí)堆場的平整和南漪湖水泥廠礦坑復(fù)綠。

1.2.2 疏浚料清淤量

除了污染底泥之外,清淤產(chǎn)生的疏浚料總量約1352.87×104m3,可用于建筑用料。采用吸運(yùn)工藝,選用吸運(yùn)專用工作船,同時(shí)配備專用的水下鉆孔船輔助進(jìn)行吸土。然后由運(yùn)土料駁船運(yùn)至臨時(shí)指定點(diǎn)后,通過皮帶卸料機(jī)上岸后采用輸送整平臨時(shí)堆放于堆場內(nèi),通過資源化利用進(jìn)行消納。

2 環(huán)境影響預(yù)測與評價(jià)

采用丹麥水力學(xué)研究所（DHI）開發(fā)的Mike11 和Mike21建立南漪湖流域數(shù)學(xué)模型,對試驗(yàn)工程實(shí)施前、后的流場、水位及其變化進(jìn)行模擬,分析工程實(shí)施后對湖勢的影響。

2.1 模型建立

2.1.1 一維河網(wǎng)模型

水動(dòng)力模型基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程,即一維非恒定流Saint-Venant 方程組：

2.1.2 平面二維水流方程

連續(xù)性方程：

x方向動(dòng)量方程：

y 方向動(dòng)量方程：

式中各參數(shù)含義可參考相關(guān)文獻(xiàn)[4],此處不再贅述。

2.2 計(jì)算范圍和網(wǎng)格布置

南漪湖流域模型的計(jì)算范圍包括南漪湖和進(jìn)出湖河道,模型范圍見圖3。二維模型計(jì)算單元采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,對湖區(qū)河道進(jìn)行加密以準(zhǔn)確反映洲灘干濕交替的變化特征,河道網(wǎng)格尺寸在20 m～50 m 之間；主湖區(qū)地形平緩,網(wǎng)格尺寸在50 m～500 m 之間,網(wǎng)格總數(shù)為40847 個(gè),見圖4。

圖3 南漪湖流域模型范圍

圖4 本次計(jì)算模型范圍及網(wǎng)格圖

2.3 計(jì)算地形

湖底地形采用實(shí)測1∶10000 地形數(shù)據(jù),岸邊地形采用1∶5000 地形數(shù)據(jù)。模型地形（高程）見圖5。

圖5 模型水深（高程）圖

2.4 計(jì)算水文條件

在流域防洪中,區(qū)域均選取1996 年作為設(shè)計(jì)洪水代表年,在此水文條件下計(jì)算的工程影響可代表工程對防洪的影響。本次計(jì)算為非恒定流,模擬時(shí)段為1996 年6 月30 日2∶00～8 月3 日23∶00,新郎川河、老郎川河入湖水量由時(shí)段內(nèi)白茅嶺、誓節(jié)渡實(shí)測流量結(jié)合區(qū)間來水和中斗閘調(diào)度綜合分析而得,北山河和渾水河給定時(shí)段內(nèi)實(shí)測水位過程,雙橋河閘上水位給定時(shí)段內(nèi)宣城站實(shí)測水位過程。

此外模型還考慮了馬山埠閘和雙橋閘的調(diào)度,調(diào)度方式為：當(dāng)新河莊水位未達(dá)到13 m 時(shí),南漪湖盡可能通過馬山埠閘向水陽江排水以騰出庫容；當(dāng)新河莊水位達(dá)到13 m 并持續(xù)上漲時(shí),馬山埠閘和雙橋閘開閘分洪；當(dāng)新河莊水位回落到13 m 并繼續(xù)下降時(shí),雙橋閘關(guān)閉,馬山埠閘向水陽江排水。南漪湖初始水位為11 m,入湖河道初始流量為0,南漪湖入湖河道流量過程見圖6。

圖6 南漪湖入湖河道流量過程

2.5 模型計(jì)算參數(shù)

數(shù)學(xué)模型計(jì)算時(shí)間步長為60 s；紊動(dòng)粘滯系數(shù)為30 m2/s；糙率取值范圍為0.025～0.030。

3 計(jì)算成果

3.1 計(jì)算方案

試驗(yàn)工程對水勢的影響可以歸結(jié)于不同湖底地形對洪水的影響,計(jì)算圍繞施工前和施工后2 種不同階段進(jìn)行,見圖7～圖8,共設(shè)置4 種計(jì)算方案,分別為：

圖7 工程實(shí)施前地形

圖8 工程實(shí)施后地形

方案1：1996 年洪水。工程前,也即為現(xiàn)狀地形；

方案2：1996 年洪水。施工后,試驗(yàn)工程完成后地形；

方案3：1999 年洪水。工程前,也即為現(xiàn)狀地形；

方案4：1999 年洪水。堆場區(qū)地形按照最大堆高13.1 m考慮。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

為便于計(jì)算結(jié)果的分析,在工程區(qū)共布置了26 個(gè)采樣點(diǎn),其中編號1～10 的點(diǎn)位布置在疏浚區(qū),編號11～26 的點(diǎn)布置在湖周灘前。各采樣點(diǎn)位置見圖9。

圖9 采樣點(diǎn)布置圖

3.2.1 最高洪水位變化

根據(jù)擬定的計(jì)算方案與條件,計(jì)算工程建設(shè)前后各采樣點(diǎn)最高洪水位的變化,見表1。結(jié)果顯示,1996 年洪水情境下,與工程前（方案1）相比,施工后（方案2）26 個(gè)采樣點(diǎn)最高洪水位沒有變化；1999 年洪水情境下,與工程前（方案3）相比,施工后（方案4）26 個(gè)采樣點(diǎn)最高洪水位提高了0.005 m。

表1 工程前后采樣點(diǎn)最高洪水位及變化 單位：m

3.2.2 最大流速變化

根據(jù)擬定的計(jì)算方案與條件,計(jì)算工程建設(shè)前后各采樣點(diǎn)最大流速的變化,見表2。在1996 年洪水情境下,與工程前（方案1）相比,施工后（方案2）東湖區(qū)最大流速幾乎沒有變化,西湖區(qū)最高流速變化在0.001 m/s～0.018 m/s 之間。最大流速變化主要集中于試驗(yàn)清淤區(qū)域,疏浚工程加大水深使得垂向平均流速總體減??；在1999 年洪水情境下,與工程前（方案3）相比,施工后（方案4）東湖區(qū)最大流速幾乎沒有變化,最大流速變化主要集中于試驗(yàn)清淤區(qū)域和堆泥場。

表2 工程前后采樣點(diǎn)最大流速及變化 單位：m/s

3.2.3 流場變化

由圖10～圖11 可知,工程實(shí)施前后流場變化主要集中于試驗(yàn)工程區(qū)域,東湖區(qū)流場基本沒有變化。工程實(shí)施前,試驗(yàn)區(qū)域流場結(jié)構(gòu)整體為自西北向南,工程實(shí)施后流向略有變化,但不會(huì)改變流場整體特征。

圖10 方案1 與方案2 最大流速流場分布圖

圖11 方案4 與方案2 最大流速流場分布圖

3.2.4 對湖勢的影響

南漪湖年淤積量為57.54×104t,合47.95×104m3。在目前水系格局沒有大的變化和不采取人工干擾的情況下,南漪湖湖區(qū)將緩慢淤積,湖岸線向湖區(qū)緩慢延伸,湖區(qū)淺灘面積不斷擴(kuò)大,湖盆不斷變淺。試驗(yàn)工程通過清淤疏浚對湖盆進(jìn)行改造,增加了南漪湖湖泊容積,預(yù)留了淤積空間,有利于維持南漪湖的生命力。

4 結(jié)論

南漪湖清淤疏浚增加的主要是興利水位以下的湖容,不占用防洪庫容,對南漪湖流域設(shè)計(jì)洪水沒有影響。根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果,工程實(shí)施后雖然會(huì)在一定程度上改變試驗(yàn)工程所在區(qū)域流場與最大流速,但不會(huì)改變南漪湖最高洪水位,也不會(huì)對馬山埠閘、雙橋閘的過流量以及宣城站、新河莊站的水位造成影響。