蔣志昊， 楊 印， 王春美， 王冬梅

(江蘇省水利科學研究院， 江蘇 南京 210017)

1 概 況

里下河地區(qū)位于江蘇省中部地域，地處里運河以東，蘇北灌溉總渠以南，揚州至南通328國道及泰運河以北，東至黃海，總面積21497 km2，地理位置界于東經119°20′～120°05′，北緯32°30′～33°33′之間，包括揚州的高郵市、寶應縣、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，南接姜堰、江都，西與高郵、寶應毗鄰，北與鹽城隔界河相望。全市列入《江蘇省湖泊保護名錄》的湖蕩共有20個，其中，本次退圩還湖實施方案根據《里下河湖泊湖蕩(興化市域)退圩還湖專項規(guī)劃》[1]的要求，以平旺湖和得勝湖為實施目標。

2 項目介紹

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119°55′37″，北緯32°57′00″，東至渭水河，南到車路河，西達躍進河及姚港，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)內有居民點，面積約15500 m2。得勝湖橫跨垛田鎮(zhèn)、城東鎮(zhèn)、林湖鄉(xiāng)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，涉及11個村，3個養(yǎng)殖場，受人為活動影響，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，嚴重削弱湖泊調蓄功能；湖泊湖蕩地區(qū)引排水通道不暢，水流堵塞嚴重；生態(tài)系統(tǒng)惡化，濕地功能效益下降；湖泊湖蕩地區(qū)的權責不清，責任主體不統(tǒng)一[2-3]。

2.1.2 平旺湖

平旺湖位于在興化市西北部，保護總面積5.169 km2，平旺湖共有6個圩區(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)五縱六橫骨干河網的一部分，為里下河腹部地區(qū)湖泊湖蕩一級行水通道，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，第二批滯澇圩為農業(yè)圩。下官河東側圩區(qū)目前主要以養(yǎng)殖為主，西側圩區(qū)以種植為主。平旺湖東側臨近興化著名的垛田景區(qū)。由于湖泊湖蕩開發(fā)利用嚴重，造成行水不暢，難以發(fā)揮其應有的泄洪功能，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)域社會經濟的發(fā)展。

2.2 實施情況

2.2.1 得勝湖

根據實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、南側為進水口，北部設3個出水口與環(huán)湖河道相連，周邊堆土區(qū)為排泥場。湖內西北部和東南部各設島嶼，如圖1所示。工程實施后恢復自由水面11.581 km2，形成堆土區(qū)面積4.916 km2。結合非汛期水流從西向東、從南向北的流態(tài)特點，本著有利于水體交換的原則，設置主次進出水口6處，形成水流進出湖區(qū)的通道。主進水口位于湖區(qū)西南角車路河與躍進河交匯處，主出水口在湖區(qū)東北角接通渭水河，1#次進水口位于湖區(qū)西北角澄河與躍進河交匯處，1#次出水口在湖區(qū)北側接通白涂河，2#次進水口位于湖區(qū)南側由車路河取水，2#次出水口在湖區(qū)北側接通澄河、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。實施方案保證沿岸布置堆土區(qū)整個湖泊與周邊河道敞口連接，在河湖相連處架設橋梁，保持岸線完整。湖內堆土區(qū)設置為3個湖心島嶼，最終成湖效果見圖2。平旺湖退圩還湖實施后，入湖水系主要有：南邊流入湖區(qū)的下官河、漏稅河，西側流入湖區(qū)的黃邳河。出湖水系主要有：北側流出湖區(qū)的下官河、塘溝河、中引河，東側流出湖區(qū)的土橋河。其中南部湖區(qū)東側與下官河全部連通。

圖2 平旺湖成湖區(qū)示意圖

3 模型計算

3.1 模型及原理

得勝湖、平旺湖退圩還湖實施方案解決了里下河地區(qū)內部河網及外排入海港道淤積、下墊面的變化導致產流匯水加快的現(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]。退圩還湖擴大了湖區(qū)的自由水面面積，同時影響周邊河道與湖泊之間的連通。本文根據目標區(qū)域水文及地理信息資料，以平旺湖、得勝湖為例，構建了平面水動力模型，計算了退圩還湖后成湖區(qū)流速變化以及流場分布。

3.1.1 水網模型

根據研究區(qū)域的區(qū)位水文特征一般采用統(tǒng)計相關模型、經驗相關模型[6]和河網水動力學模型[7]的方法來構建河網模型。統(tǒng)計相關模型的原理是通過對多年長系列資料的統(tǒng)計分析，確定研究區(qū)域代表站點影響因子，建立統(tǒng)計相關模型。經驗相關模型原理利用降雨水位資料，建立基于人工神經網絡算法的經驗相關預報模型，對研究區(qū)域內選定的影響因子進行模擬計算，預報目標過程。河網水動力學模型則采用河網水動力學模型對區(qū)域內降雨產流過程和河網匯流過程進行模擬分析，對給定條件下的水位及流量過程進行預報。考慮到研究區(qū)域內實施方案施行前后湖底地形變化明顯，所以將河網水動力學模型作為本文研究方法。

3.1.2 模型原理

利用水動力學的基本理論，以平旺湖、得勝湖為例，構建適用于里下河腹部地區(qū)湖泊湖蕩的河網二維水動力模型，周邊河道采用河道一維模型，模擬計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

描述河道水流運動的圣維南方程組[8]為

(1)

式中：q為旁側入流；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)，反映河道的實際過流能力；α為動量校正系數(shù)，是反映河道斷面流速分布均勻性的系數(shù)。對上述方程組求解采用四點線性隱式格式進行離散。

(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；然后分別對其采用合適的方法進行求解。

第一分步：

(4)

第二分步：

(5)

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

圖3 二維差分網格示意圖

首先對動量方程(5)離散，以單元I與J的交界面為例說明如下：

(6)

式中：下標“o”表示時刻初的已知值。

整理化簡得：

U=δ0(ZI-ZJ)+β0

(7)

將上式乘以Δy可得由單元I流進單元J的流量為

QX=δX(ZI-ZJ)+βX

(8)

同理對式(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表示包括降雨在內單位時間內流進單元J水量的代數(shù)和。

(3)模型概化

兩湖模型構建前要進行模型的概化。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力模型。根據邊界線以及水下地形測點資料，在ArcGIS軟件中進行適當處理后導出，引入系統(tǒng)進行派生。由于二維湖泊需進行水下高程的插值計算，因此利用已有地形點建立不規(guī)則三角網，實現(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概化的原則，概化河道全部對應實際河道，概化河網的過流能力能夠反映實際情況。概化后地形見圖4。

模型計算方案采用聯(lián)立里下河河網水動力模型，設置兩湖模型計算專題。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)點進行連接。得勝湖采用區(qū)域二維模型，覆蓋30×30 m網格，入湖處設置聯(lián)系要素與周邊河道連通。根據現(xiàn)有河道資料，在2號次出水口生成概化河道，與原里下河河網模型聯(lián)立。兩湖生成的水網模型如圖5所示。

3.2 結果與分析

選取1次水位變化過程對兩湖模型進行驗證。根據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算選定的水文序列。以創(chuàng)建的兩湖模型專題作為計算專題，給定初始條件進行計算。采用大水年計算可以更顯著地反映湖泊形態(tài)變化對流態(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)進行模擬，故此選用大水年作為計算序列。截取模型計算穩(wěn)定后的流量過程，選取常水位、次洪起漲點、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應的湖泊水深示意圖作為結果顯示內容，見圖6。

3.2.1 常水位水深流速分布

計算過程線取2003-5-31 T 01:00:00時刻為常水位過程顯示點(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，南北兩側以及靠近湖邊界處流速較小。

3.2.2 高水位時刻水深流速分布

取2003-6-29 T 15:00:00時刻為起漲水位點(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。結果顯示高水時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 兩湖水文網格模型

圖6 模型計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時刻為退水過程點(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。湖體中部內凹段水流流速較大，主要是由于湖體中部邊界向內凹陷導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行計算時平旺湖北部區(qū)域水流流速很小，通常在次洪流量較大時湖水才會順暢流動；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，水體流動無阻滯。

3.3 結論與建議

本文以江蘇省興化市內得勝湖和平旺湖為研究區(qū)域， 利用退圩還湖實施方案后兩湖水文及地理信息資料，構建平旺湖、得勝湖二維水動力模型，周邊河道一維模型，并對模型進行概化。將構建好的兩湖模型嵌入里下河河網水動力模型中進行計算，通過里下河地區(qū)的實際過水模擬，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個大的洪水漲落過程的水文區(qū)間，在此區(qū)間內不同水位下的流場與流速分布各不相同。由上述計算結果可知，得勝湖水流流速大的區(qū)域集中在湖區(qū)內島嶼周邊和湖中部邊界內凹區(qū)域，湖體內部水深大于周邊。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。

根據常水位、高水位以及退水過程模擬計算的結果，現(xiàn)階段得勝湖成湖區(qū)方案實施后湖區(qū)水流順暢，湖體中部和島嶼周邊水體流動迅速，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)水流呈東西往復流動。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。

對湖體面積較小的湖泊而言，水流不暢易造成生態(tài)水質惡化，湖體對污染物的凈化能力變差，對湖體生態(tài)環(huán)境有極大的影響。根據流場信息，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，不易產生淤積，邊界處由于口門換水，也不易產生淤積，有利于湖泊生態(tài)環(huán)境建設。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，不易產生淤積，對湖體生態(tài)改善有積極影響。若想進一步加大邊界處水體流動，可依河道入湖水流方向改進湖邊界，盡可能保證入湖處邊界的自然延伸，從而減少洄水區(qū)的產生。

4 結 論

本文根據退圩還湖實施后，形成的新的水系連通形式，通過模擬計算輸出的流場分布與流速分布圖，得出湖體流動特征。對湖體面積較小的湖泊而言，水流不暢易造成生態(tài)水質惡化，湖體對污染物的凈化能力變差，對湖體生態(tài)環(huán)境有極大的影響。模擬計算過程聯(lián)立里下河河網水動力模型，并模擬1次過水過程。根據流場信息，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，不易產生淤積，邊界處由于口門換水，也不易產生淤積，整個湖體設計對湖體生態(tài)改善有積極影響。