張怡輝，胡維平，魏慶菲，朱金格，彭兆亮

(1.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所 湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008； 2.南京國(guó)環(huán)科技股份有限公司， 江蘇 南京 210008)

水生植物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在維持生態(tài)系統(tǒng)平衡、改善水環(huán)境方面具有重要作用[1]。研究發(fā)現(xiàn)，目前全世界33%以上的湖泊存在著湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和水生植被退化情況[2]。水生植物保護(hù)和修復(fù)作為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化控制和水質(zhì)改善的重要手段，可以維持湖泊的清水狀態(tài)[3]，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛實(shí)踐[4-6]。大型富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的水生植物恢復(fù)試驗(yàn)或工程實(shí)踐顯示：風(fēng)浪強(qiáng)度是植物恢復(fù)限制性因素之一，當(dāng)遭遇強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程時(shí)，人工修復(fù)后的植物群落往往會(huì)減少或消失[7]，自然狀態(tài)下的湖泊生態(tài)系統(tǒng)也常發(fā)生水生植物受強(qiáng)風(fēng)浪損害現(xiàn)象[8-10]。研究發(fā)現(xiàn)，湖泊水生植被的分布與風(fēng)浪強(qiáng)度存在著顯著的關(guān)系，水生植被往往在風(fēng)浪強(qiáng)度弱的區(qū)域有較高的出現(xiàn)頻率和覆蓋度[11-12]。洱海調(diào)查發(fā)現(xiàn)3種不同風(fēng)浪強(qiáng)度水域中的苦草生長(zhǎng)率、葉片強(qiáng)度及韌性受風(fēng)浪影響顯著[13]。由此可見(jiàn)，風(fēng)浪過(guò)程對(duì)人工修復(fù)水生植物和湖泊水體中自然植被都會(huì)造成影響。

長(zhǎng)蕩湖被列入國(guó)家水質(zhì)較好湖泊保護(hù)名錄，既是環(huán)湖地區(qū)生活飲用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、漁業(yè)用水及出入湖河道生態(tài)用水的重要水源，還是鳥(niǎo)類繁殖地和越冬地。近些年受長(zhǎng)蕩湖風(fēng)浪持續(xù)作用影響，長(zhǎng)蕩湖沉積物再懸浮現(xiàn)象嚴(yán)重，透明度降低，導(dǎo)致長(zhǎng)蕩湖水生植被分布面積大幅度萎縮和消失，使得長(zhǎng)蕩湖生態(tài)系統(tǒng)凈化能力下降。因此削弱長(zhǎng)蕩湖開(kāi)闊水域風(fēng)浪強(qiáng)度，抑制底泥再懸浮，提高水體透明度，為水生植被修復(fù)營(yíng)造良好的物理生境條件是長(zhǎng)蕩湖水生植被修復(fù)的關(guān)鍵。本文開(kāi)展長(zhǎng)蕩湖地形重塑方案研究，基于風(fēng)浪模型計(jì)算的削減效果，給出最優(yōu)的地形重塑方案，為長(zhǎng)蕩湖水生植被修復(fù)創(chuàng)造有利生境條件。

1 研究區(qū)域概況

長(zhǎng)蕩湖位于江蘇省常州市金壇區(qū)東南部9 km處，跨金壇、溧陽(yáng)兩地，又名洮湖，系古太湖分化而成，是太湖流域三大湖泊之一，其南窄北寬，南北最長(zhǎng)距離為13.6 km，東西最寬距離為9.3 km，湖周岸線長(zhǎng)度約40 km，湖面面積81.9 km2，湖區(qū)平均水深0.8～1.2 m，蓄水量8 600萬(wàn)m3(常水位)，地形如圖1所示。新建河、方洛港、新河港、大浦港、白石港、仁和港及莊陽(yáng)港為主要入湖河流，湟里河、北干河及中干河則為主要出湖河流。長(zhǎng)蕩湖在湖心存在著水質(zhì)省考斷面，而在北部湖區(qū)則為飲用水源地，應(yīng)為長(zhǎng)蕩湖綜合治理時(shí)重點(diǎn)考慮區(qū)域，如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)蕩湖地形和考核點(diǎn)位置Fig.1 The topography of Changdang Lake and location of assessment points

2 風(fēng)浪模型簡(jiǎn)介

SWAN風(fēng)浪模式(Simulating Waves Nearshore)是適用于海岸和內(nèi)陸水體的第三代風(fēng)浪模型，由荷蘭Delft大學(xué)土木工程系的Booij等[14]開(kāi)發(fā)并由SWAN團(tuán)隊(duì)發(fā)展和完善。除了包含其他三代風(fēng)浪模式(如WAVEWATCH[15]、WAM[16])中的風(fēng)生成項(xiàng)、白浪耗散項(xiàng)、四波相互以及底部耗散項(xiàng)外，還增加了三波相互作用和淺水區(qū)域水深變淺引起的風(fēng)浪破碎耗散影響。

由于流存在時(shí)，波譜能量密度不守恒，而波作用量譜守恒，因此SWAN風(fēng)浪模式跟其他三代風(fēng)浪模式相似，采用波作用量密度譜對(duì)風(fēng)浪進(jìn)行描述。波譜作用量密度譜的變化率可以用作用量平衡方程來(lái)表示：

(1)

式(1)中：左邊第一項(xiàng)代表波作用量密度在時(shí)間上的局地變化；第二項(xiàng)代表在空間的傳播；第三項(xiàng)表示由于水深和流的變化引起的頻移；第四項(xiàng)表示水深和流引起的折射；方程右邊是源項(xiàng)，表示波能的產(chǎn)生、耗散和能量再分布等物理過(guò)程。

對(duì)于源項(xiàng)，通常包含以下幾項(xiàng)：

Stot=Sin+Snl3+Snl4+Sds,w+Sds,b+Sds,br

式中：Sin為風(fēng)能輸入項(xiàng)，Snl3為三波相互作用，Snl4為四波相互作用，Sds,w為白浪耗散項(xiàng)，Sds,b為由于底部摩阻引起的耗散，Sds,br為水深變淺引起的破碎導(dǎo)致的耗散項(xiàng)。風(fēng)能向風(fēng)浪的轉(zhuǎn)換可以利用共振[17]和反饋[18]機(jī)制來(lái)闡述。其中共振機(jī)制主要作用在風(fēng)浪生成的初始階段，隨時(shí)間線性增長(zhǎng)；而反饋機(jī)制主要反應(yīng)著波能隨時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)。其他諸如白浪耗散、四波相互、三波相互、水深變淺破碎及底摩阻耗散等源項(xiàng)的計(jì)算可參考SWAN技術(shù)手冊(cè)[19]，這里不再贅述。目前SWAN風(fēng)浪模型在巢湖、太湖得到了廣泛的應(yīng)用，表明該模型可以正確模擬湖泊風(fēng)浪分布情況[20-21]。

采用二維非恒定模型，建立東西長(zhǎng)12.0 km，南北長(zhǎng)14.0 km的長(zhǎng)蕩湖模擬區(qū)域。模型的空間分辨率為100 m×100 m，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取5 min，共開(kāi)展48 h模擬以使計(jì)算達(dá)到穩(wěn)定。擬定頻率范圍為0.1～2.0 Hz，分成40個(gè)頻率段。方向沿整個(gè)圓周方向均分為36份，即方向分辨率為10°。底摩擦引起的消耗采用JONSWAP模型，系數(shù)取0.067。淺水風(fēng)浪破碎系數(shù)在計(jì)算時(shí)取其均值 0.73。由于入湖河道對(duì)風(fēng)浪影響不大，此處計(jì)算時(shí)不考慮入湖河流影響。模型中考慮了淺水中三波相互作用，其他采用默認(rèn)值。風(fēng)場(chǎng)采用全場(chǎng)均一風(fēng)場(chǎng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 現(xiàn)狀地形下長(zhǎng)蕩湖風(fēng)浪情況

與太湖流域相似，東南風(fēng)為長(zhǎng)蕩湖主導(dǎo)風(fēng)向，為此利用SWAN風(fēng)浪模型開(kāi)展長(zhǎng)蕩湖現(xiàn)狀地形東南向常風(fēng)速5 m/s工況下的風(fēng)浪分布情況，如圖 2所示?？梢钥闯鲋鲗?dǎo)風(fēng)下，長(zhǎng)蕩湖西部入湖河口、取水口以及湖心重點(diǎn)區(qū)域風(fēng)浪都處于較大值，在西部河口湖濱帶區(qū)域、取水口保護(hù)區(qū)域以及湖心區(qū)域產(chǎn)生的有效波高最大值為0.28，0.29，0.29 m，有效波高平均值為0.22，0.26，0.28 m，平均波長(zhǎng)最大值為1.46，1.49，1.55 m，平均波長(zhǎng)平均值為1.14，1.34，1.43 m，在現(xiàn)狀地形下，受風(fēng)浪作用，一方面植被穩(wěn)定性無(wú)法保證；另一方面風(fēng)浪攪混作用使得以上區(qū)域泥沙含量較大，透明度較低，不利于水生植被生長(zhǎng)。

圖2 基于長(zhǎng)蕩湖常水位現(xiàn)狀地形5 m/s東南風(fēng)作用下的有效波高和平均波長(zhǎng)分布情況Fig.2 The distribution of significant wave height and averaged wavelength of Lake Changdang under constant water level when the wind with 5 m/s was southeast

3.2 長(zhǎng)蕩湖地形重塑方案設(shè)計(jì)

目前長(zhǎng)蕩湖透明度低，不利于水生植物的修復(fù)與生長(zhǎng)，為提高水體透明度，創(chuàng)造有利于水生植物生長(zhǎng)的生境環(huán)境，需要對(duì)長(zhǎng)蕩湖現(xiàn)狀地形進(jìn)行重塑，削減風(fēng)浪在長(zhǎng)蕩湖的分布情況，減小重點(diǎn)區(qū)域風(fēng)浪強(qiáng)度，減弱湖底底泥再懸浮情況。

長(zhǎng)蕩湖主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，為此考慮在長(zhǎng)蕩湖重點(diǎn)區(qū)域上風(fēng)向布置生態(tài)潛堤，以此削減重點(diǎn)區(qū)域風(fēng)浪強(qiáng)度，為水生植被修復(fù)創(chuàng)造良好的生境條件。西部湖濱帶為高污染河流匯入湖體區(qū)域，取水口為水源地重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域，長(zhǎng)蕩湖湖心為省考斷面。以上區(qū)域需要重點(diǎn)開(kāi)展植被修復(fù)進(jìn)行水體凈化，改善長(zhǎng)蕩湖水質(zhì)。為此針對(duì)入湖河口、水源保護(hù)區(qū)和湖心重點(diǎn)區(qū)域風(fēng)浪強(qiáng)度大，不利于水生植被生長(zhǎng)與修復(fù)的問(wèn)題，選擇設(shè)計(jì)以下4種地形重塑方案如見(jiàn)圖3和表1所示。

圖3 生態(tài)潛堤布置方案Fig.3 The sketch of ecological dyke schemes

表1 生態(tài)潛堤布置方案概況Tab.1 The overview of different schemes of topographic reconstruction

3.3 風(fēng)浪削減效果

為評(píng)估生態(tài)潛堤消浪效果，基于SWAN風(fēng)浪模型，開(kāi)展東南風(fēng)5 m/s風(fēng)場(chǎng)作用下風(fēng)浪計(jì)算，不同方案地形下有效波高和平均波長(zhǎng)削減程度分布情況如圖 4～7所示。

圖4 方案1地形下有效波高和平均波長(zhǎng)削減程度Fig.4 The reduction ratio of significant wave height and average wave length under the topography of scheme 1

地形重塑后，潛堤區(qū)、潛堤掩護(hù)區(qū)如圖 8所示?？梢钥闯觯涸跐摰虆^(qū)域，由于高程增加、水深變淺、波浪破碎作用增強(qiáng)，導(dǎo)致波高和波長(zhǎng)都明顯減小；而在潛堤掩護(hù)、臨近潛堤區(qū)域，由于潛堤掩護(hù)作用，風(fēng)浪削減效果較為明顯；遠(yuǎn)離潛堤區(qū)域，風(fēng)的作用逐漸顯現(xiàn)，消浪效果逐漸減弱。不同方案地形下5 m/s風(fēng)速時(shí)產(chǎn)生的平均有效波高和波長(zhǎng)以及相較現(xiàn)狀地形下的風(fēng)浪削減程度如表 2～5所示。

圖8 地形重塑后不同區(qū)域范圍Fig.8 The coverage range of different functional areas after

表2 方案1不同位置風(fēng)浪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Tab.2 The statistics of wind wave intensity at different locations for scheme 1

(1) 方案1。在潛堤區(qū)域風(fēng)浪削減顯著，入湖河口潛堤區(qū)有效波高和波長(zhǎng)削減比例都在16%以上，取水口外圍潛堤區(qū)削減程度更大，有效波高削減比例超過(guò)27%，波長(zhǎng)削減比例超過(guò)22%。而在潛堤掩護(hù)區(qū)，風(fēng)浪削減程度有所減弱，入湖河口掩護(hù)區(qū)有效波高削減約9%，波長(zhǎng)削減約11%；取水口潛堤掩護(hù)區(qū)平均削減風(fēng)浪約4%。其中西部入湖河口潛堤掩護(hù)區(qū)、取水口潛堤掩護(hù)區(qū)有效波高削減5%以上面積分別為4.75，3.32 km2，占整個(gè)掩護(hù)區(qū)的61.8%，18.6%；平均波長(zhǎng)削減5%以上面積分別為6.29，4.63 km2，占整個(gè)掩護(hù)區(qū)的81.9%，25.9%。

圖6 方案3地形下有效波高和平均波長(zhǎng)削減程度Fig.6 The reduction ratio of significant wave height and average wave length under the topography of scheme 3

圖7 方案4地形下有效波高和平均波長(zhǎng)削減程度Fig.7 The reduction ratio of significant wave height and average wave length under the topography of scheme 4

表3 方案2不同位置風(fēng)浪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Tab.3 The statistics of wind wave intensity at different locations for scheme 2

表4 方案3不同位置風(fēng)浪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Tab.4 The statistics of wind wave intensity at different locations for scheme 3

表5 方案4不同位置風(fēng)浪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Tab.5 The statistics of wind wave intensity at different locations for scheme 4

(2) 方案2。與方案1相似，在潛堤區(qū)域風(fēng)浪削減顯著，西部入湖河口潛堤區(qū)有效波高和波長(zhǎng)削減比例與方案1相似都在16%以上；因取水口外圍潛堤高程增加，潛堤區(qū)風(fēng)浪削減程度更大，有效波高削減比例超過(guò)44%，波長(zhǎng)削減比例超過(guò)31%，相較方案1削減效果明顯增強(qiáng)。在潛堤掩護(hù)區(qū)，風(fēng)浪削減程度有所減弱，入湖河口掩護(hù)區(qū)有效波高削減約9%，波長(zhǎng)削減約12%，與方案1相似；取水口潛堤掩護(hù)區(qū)平均削減風(fēng)浪約6%～8%，較方案1削減強(qiáng)度增加。其中西部入湖河口潛堤掩護(hù)區(qū)、取水口潛堤掩護(hù)區(qū)有效波高削減5%以上面積分別為4.91，6.29 km2，占整個(gè)掩護(hù)區(qū)的63.9%，35.2%；平均波長(zhǎng)削減5%以上面積分別為6.29，7.00 km2，占整個(gè)掩護(hù)區(qū)的81.9%和39.2%，相較方案1，在取水口潛堤掩護(hù)區(qū)風(fēng)浪削減面積顯著增加。

(3) 方案3。與方案1相比，主要在湖心保護(hù)區(qū)南側(cè)增加了生態(tài)潛堤，西部入湖河口生態(tài)潛堤和取水口生態(tài)潛堤與方案1一致，相應(yīng)地對(duì)兩個(gè)潛堤區(qū)及掩護(hù)區(qū)的風(fēng)浪削減效果也相似。在湖心潛堤區(qū)域有效波高和波長(zhǎng)削減比例在19%以上，而在湖心生態(tài)潛堤掩護(hù)區(qū)風(fēng)浪削減比例約為7%左右。其中湖心潛堤掩護(hù)區(qū)有效波高削減5%以上面積分別為4.57 km2，占整個(gè)掩護(hù)區(qū)的40.8%；平均波長(zhǎng)削減5%以上面積分別為6.55 km2，占整個(gè)掩護(hù)區(qū)的58.5%。

(4) 方案4。與方案2相比，主要在湖心保護(hù)區(qū)南側(cè)增加了生態(tài)潛堤，西部入湖河口生態(tài)潛堤和取水口生態(tài)潛堤與方案2一致，與方案3相比，提高了取水口生態(tài)潛堤和湖心區(qū)生態(tài)潛堤高程。在湖心潛堤區(qū)域有效波高和波長(zhǎng)削減比例超過(guò)30%以上，在湖心生態(tài)潛堤掩護(hù)區(qū)風(fēng)浪削減比例約為10%，相較方案2和方案3消浪效果有所提升。其中湖心潛堤掩護(hù)區(qū)有效波高削減5%以上面積分別為7.96 km2，占整個(gè)掩護(hù)區(qū)的71.1%；平均波長(zhǎng)削減5%以上面積分別為10.03 km2，占整個(gè)掩護(hù)區(qū)的89.6%。

4 討 論

由以上不同方案的計(jì)算及分析結(jié)果可以看出：潛堤削減波長(zhǎng)效果較削減波高效果顯著些，隨著風(fēng)速增加，潛堤掩護(hù)消浪效果逐漸減弱。考慮波長(zhǎng)是決定風(fēng)浪是否能對(duì)湖底產(chǎn)生攪渾作用的重要因素之一，因此通過(guò)潛堤掩護(hù)作用，可減弱風(fēng)浪作用，減弱風(fēng)浪對(duì)湖體底部的動(dòng)力擾動(dòng)，進(jìn)而降低底泥再懸浮，增加透明度，為水生植被修復(fù)營(yíng)造良好的生境環(huán)境。

對(duì)比不同方案消浪效果，西部入湖河口外圍布置3.00 m高程生態(tài)潛堤可有效削減主導(dǎo)平均風(fēng)場(chǎng)下風(fēng)浪強(qiáng)度，為西部沿岸污染阻截凈化區(qū)內(nèi)水生植被修復(fù)創(chuàng)造有利的生境條件。水源地保護(hù)區(qū)外圍布置3.26 m高程生態(tài)潛堤較3.00 m高程生態(tài)潛堤消浪效果更加明顯，工程量增加約10%，消浪強(qiáng)度提升60%以上，根據(jù)計(jì)算可在水源地南部沿生態(tài)潛堤形成一4.47 km2范圍的弱風(fēng)浪區(qū)(削減風(fēng)浪強(qiáng)度20%以上區(qū)域)，為該區(qū)域水生植被修復(fù)創(chuàng)造有利的生境條件。湖心南側(cè)布置生態(tài)潛堤雖可一定程度削減風(fēng)浪，但削減風(fēng)浪程度有限，且對(duì)湖心區(qū)考核斷面的有利效果較小，由于湖心區(qū)域風(fēng)區(qū)較長(zhǎng)，不同風(fēng)向來(lái)風(fēng)均可形成較大風(fēng)浪，同時(shí)湖心水域水深較大，工程量巨大，工程作業(yè)難度相較近岸增加，通過(guò)布置生態(tài)潛堤方案來(lái)削減風(fēng)浪不夠經(jīng)濟(jì)，因此不考慮在湖心考核區(qū)域外圍布置生態(tài)潛堤，可通過(guò)諸如布置圍網(wǎng)、生態(tài)網(wǎng)等方式削減風(fēng)浪，為水生植被修復(fù)創(chuàng)造有利生境條件。

此外在河口外側(cè)和水源地保護(hù)區(qū)南側(cè)布置生態(tài)潛堤所產(chǎn)生的阻流作用，可以減弱大浦港、白石港等入湖高污染水流沖向湖心和水源地區(qū)域，進(jìn)一步降低長(zhǎng)蕩湖湖體污染。

綜合以上分析，方案2可以作為長(zhǎng)蕩湖水生植被修復(fù)的地形重塑方案。西部入湖河口外側(cè)生態(tài)潛堤水生植被修復(fù)過(guò)程中，可以根據(jù)圖 5不同位置風(fēng)浪削減程度分布，配置不同類型植被，提高長(zhǎng)蕩湖水生植被修復(fù)的成功率。

圖5 方案2地形下有效波高和平均波長(zhǎng)削減程度Fig.5 The reduction ratio of significant wave height and average wave length under the topography of scheme 2

5 結(jié) 論

針對(duì)長(zhǎng)蕩湖水淺、浪大、底泥易懸浮，不利于水生植被的生長(zhǎng)與恢復(fù)的問(wèn)題，本文開(kāi)展了長(zhǎng)蕩湖地形重塑方案研究，基于風(fēng)浪削減效果設(shè)計(jì)最佳地形重塑方案，可以得出以下結(jié)論。

長(zhǎng)蕩湖西部湖濱帶為高污染河流匯入湖體區(qū)域，在西部入湖河口外約1 km位置布置高程為3.00 m生態(tài)潛堤，可有效削減主導(dǎo)平均風(fēng)場(chǎng)下風(fēng)浪強(qiáng)度，潛堤區(qū)域有效波高和波長(zhǎng)削減比例超過(guò)16%，潛堤掩護(hù)區(qū)有效波高削減約9%，波長(zhǎng)削減約12%，降低西部湖濱帶底泥再懸浮和動(dòng)力強(qiáng)度，為西部沿岸污染阻截凈化區(qū)內(nèi)水生植被修復(fù)創(chuàng)造有利的生境條件。水源地保護(hù)區(qū)外圍布置3.26 m高程生態(tài)潛堤，潛堤區(qū)有效波高削減比例超過(guò)44%，波長(zhǎng)削減比例超過(guò)31%，潛堤掩護(hù)區(qū)平均削減風(fēng)浪約6%～8%，可在水源地南部沿生態(tài)潛堤形成一4.47 km2范圍的弱風(fēng)浪區(qū)(削減風(fēng)浪強(qiáng)度20%以上區(qū)域)，有利于該區(qū)域水生植被修復(fù)。

湖心區(qū)域風(fēng)區(qū)較長(zhǎng)，不同風(fēng)向來(lái)風(fēng)均可形成較大風(fēng)浪，同時(shí)湖心水域水深較大，工程量巨大，工程作業(yè)難度相較近岸增加，可通過(guò)諸如布置圍網(wǎng)、生態(tài)網(wǎng)等方式削減風(fēng)浪，為水生植被修復(fù)創(chuàng)造有利生境條件。