彭兆亮，汪院生，胡維平，陳昌仁，張怡輝，崔 健，萬(wàn) 駿，吳曉兵，許 諾，徐佳培

(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，南京 210008)(2:江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，蘇州 215106)(3:江蘇省洪澤湖水利工程管理處，淮安 223100)

洪澤湖位于江蘇省中西部，淮河中下游流域，是我國(guó)第四大淡水湖，同時(shí)也是淮河防洪和“南水北調(diào)”東線工程調(diào)蓄湖泊和蘇北地區(qū)重要的戰(zhàn)略水源地，在防洪、供水、灌溉、調(diào)水、漁業(yè)、航運(yùn)及生態(tài)涵養(yǎng)等方面發(fā)揮著重要作用[1-2]. 流場(chǎng)是湖泊中最重要的動(dòng)力場(chǎng)之一，不僅對(duì)湖泊水體溫度、鹽度和濁度等關(guān)鍵物理要素具有重要影響，同時(shí)對(duì)湖泊內(nèi)懸浮物、溶解質(zhì)和污染物的輸移、擴(kuò)散、轉(zhuǎn)化，以及藻類、浮游動(dòng)物、水生植被和魚類等水生態(tài)系統(tǒng)要素也具有決定性的影響，一直是湖泊研究的重點(diǎn)方向[3-4]. 因此加強(qiáng)對(duì)洪澤湖流場(chǎng)的研究，對(duì)于湖泊資源的開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)都具有重要意義.

湖泊流場(chǎng)主要由河道出入湖水量驅(qū)動(dòng)形成的吞吐流、湖面風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)形成的風(fēng)生流以及湖泊水體溫鹽時(shí)空變化形成的密度流組成[5]. 對(duì)于多數(shù)大型淺水湖泊，由于河流入湖流量相對(duì)湖泊儲(chǔ)水量小得多，因此吞吐流流速除在河流入湖區(qū)較大外，在內(nèi)湖區(qū)一般比較微弱. 湖泊水體溫鹽變化驅(qū)動(dòng)形成的密度流流速更小，幾乎達(dá)到可忽略的程度[6-7]. 湖泊風(fēng)生流流場(chǎng)由湖面風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)形成，其流速和流向受到湖面風(fēng)場(chǎng)、水位及湖泊岸線形態(tài)、湖底地形以及地球自轉(zhuǎn)等多重要素共同作用[8]. 風(fēng)生流主要的形成機(jī)制為湖泊表層水體受到風(fēng)應(yīng)力作用觸發(fā)水體運(yùn)動(dòng). 隨著表層水體運(yùn)動(dòng)，在垂向上產(chǎn)生水流流速切變，在水體內(nèi)部的粘滯力作用下，中下水層產(chǎn)生相對(duì)于湖底的運(yùn)動(dòng)，但湖底摩擦力會(huì)阻礙湖水運(yùn)動(dòng). 湖水在下風(fēng)方向產(chǎn)生涌水，水位升高，進(jìn)而在湖泊內(nèi)形成壓力梯度力，壓力梯度力方向由高水位指向低水位，因此其方向和風(fēng)應(yīng)力方向不同. 在風(fēng)場(chǎng)作用下湖泊水體承受的作用力不但隨位置發(fā)生變化，而且隨風(fēng)作用歷時(shí)變化也發(fā)生著變化，導(dǎo)致風(fēng)生流結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜性，其大小和方向呈非穩(wěn)定狀態(tài). 另外湖面風(fēng)場(chǎng)存在空間和時(shí)間的快速變化，湖泊流場(chǎng)大小呈現(xiàn)較大的隨機(jī)性和偶然性，其觀測(cè)和特征提取十分困難[5,9]. 到目前為止，雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)湖泊風(fēng)生流已開展了大量研究[10-12]，但對(duì)于不同湖泊風(fēng)生流的結(jié)構(gòu)時(shí)空變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)仍然處于碎片化的狀態(tài)[8].

湖泊風(fēng)生流研究主要有現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室物模及數(shù)值模擬等方法. 數(shù)值模擬方法由于可以全方位、高時(shí)空分辨率的認(rèn)識(shí)風(fēng)生流在不同水文、氣象和地形要素驅(qū)動(dòng)下時(shí)空演化特征，已經(jīng)成為風(fēng)生流研究的重要方法[13-14]. 目前針對(duì)洪澤湖流場(chǎng)風(fēng)生流數(shù)值模擬最早的參考文獻(xiàn)可追述到1996年，姜加虎等[15]利用二維水動(dòng)力模型模擬了10.0 m/s定常風(fēng)下洪澤湖風(fēng)生流特征，結(jié)果表明洪澤湖在同風(fēng)速但反風(fēng)向的風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下風(fēng)生流流態(tài)相近，但流向相反；劉翊竣等[16]利用MIKE21 模型模擬了東南風(fēng)作用下洪澤湖風(fēng)生流特征，研究認(rèn)為風(fēng)速變化會(huì)改變流速，但不會(huì)改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu). 上述研究為認(rèn)知洪澤湖風(fēng)生流特征奠定了基礎(chǔ). 但現(xiàn)有研究主要基于二維水動(dòng)力模型開展，彭兆亮等[17]和張怡輝等[18]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究結(jié)果表明，洪澤湖流場(chǎng)結(jié)構(gòu)存在明顯垂向差異，在某些水文氣象條件驅(qū)動(dòng)下，局部湖區(qū)出現(xiàn)表層水體與底層水體流向完全相反的特征. 因此需要建立三維數(shù)值模型全方位地揭示洪澤湖在不同風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的水平和垂向空間湖流分布特征. 此外，現(xiàn)有研究并未利用實(shí)測(cè)湖流數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型對(duì)湖流的模擬精度，因此無(wú)法判斷結(jié)論的可靠程度. 另外一方面，湖泊水位波動(dòng)也是影響湖泊流場(chǎng)的重要因素，水位的變化導(dǎo)致水體不同深度處斜壓結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而會(huì)引發(fā)不同水層流速及流向的改變[5,19]. 但目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于水位變化對(duì)湖泊風(fēng)生流影響的數(shù)值研究仍然十分薄弱.

本文的主要目的是在建立洪澤湖三維水動(dòng)力模型，并利用實(shí)測(cè)湖流數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的基礎(chǔ)上，基于長(zhǎng)系列風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定洪澤湖不同月份及全年風(fēng)速風(fēng)向特征，全面開展不同風(fēng)速、風(fēng)向和水位驅(qū)動(dòng)下的洪澤湖風(fēng)生流數(shù)值試驗(yàn)，分析全湖及分湖區(qū)水平及垂向空間風(fēng)生流對(duì)于風(fēng)速、風(fēng)向和水位變化的響應(yīng)特征，為洪澤湖資源與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論基礎(chǔ).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

洪澤湖(圖1)為淮河過(guò)水湖泊，水位和湖面面積變幅較大，平均水深僅為1.9 m. 根據(jù)湖泊形態(tài)，洪澤湖可劃分為溧河洼、成子湖、洪澤湖主體及南部湖區(qū)4個(gè)湖區(qū). 洪澤湖多年平均氣溫為19.9℃，7月平均氣溫最高，為27.8℃；1月平均氣溫最低，為1.6℃，多年平均年降水量為964.1 mm. 受季風(fēng)影響，雨季集中在6-9月，降水量占全年的65.9%；受北方寒冷氣團(tuán)的影響，冬季降水量較少，僅占7%～8%. 洪澤湖主要入湖河流有淮河、徐洪河、新汴河、懷洪新河、濉河、城子河等，多分布于洪澤湖的西岸. 主要出湖河道為三河、淮沭河和蘇北灌溉總渠[1-2].

圖1 洪澤湖水下地形、湖流監(jiān)測(cè)點(diǎn)位、湖區(qū)劃分(黑線)與水動(dòng)力模型計(jì)算單元(a)；1975-2020年泗洪站各月風(fēng)向玫瑰圖(b)Fig.1 Bathymetry map of Lake Hongze with indication of sampling sites, lake-basin division (black curves) and numerical modelling grid cells (a); rose plots of monthly wind directions derived from observations at Sihong Meteorological Station during 1975-2020 (b)

1.2 湖流監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)收集

為研究洪澤湖在不同出入湖流量和風(fēng)場(chǎng)作用下的三維湖流特征，并驗(yàn)證水動(dòng)力模型精度，分別于2020年8月4日和11月2日開展了全湖30個(gè)點(diǎn)位流場(chǎng)觀測(cè). 所用儀器為Sontek River Surveyor M9型聲學(xué)多普勒剖面儀(ADP)系統(tǒng). 該儀器對(duì)于水體流速測(cè)量范圍為0～30 m/s，測(cè)量誤差為流速的±1%范圍之內(nèi). 為盡可能獲取不同湖區(qū)湖流同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，每次調(diào)查分為3個(gè)小組分湖區(qū)開展. 乘坐快艇到達(dá)調(diào)查點(diǎn)位后，進(jìn)行儀器各部件的組裝，利用筆記本電腦預(yù)裝的儀器軟件進(jìn)行監(jiān)測(cè)參數(shù)配置. 為補(bǔ)償不同測(cè)量地點(diǎn)的磁場(chǎng)對(duì)儀器內(nèi)羅盤的影響，每次測(cè)量前先進(jìn)行羅盤校正，啟動(dòng)儀器開始對(duì)水深以及不同水深處南北向、東西向和垂向三維流速的觀測(cè)，每個(gè)點(diǎn)位持續(xù)觀測(cè)15 min以上. 在開展湖流監(jiān)測(cè)的同時(shí)，利用手持式風(fēng)速風(fēng)向儀測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)場(chǎng)情況.

收集了2014-2020年較為完整的洪澤湖主要出入湖口門逐日流量與湖區(qū)水位等水文數(shù)據(jù)，以及逐時(shí)氣象數(shù)據(jù). 水文數(shù)據(jù)來(lái)源于洪澤湖水利工程管理處，包括淮河、懷洪新河、新汴河、濉河、老濉河、徐洪河和池河等入湖河道流量數(shù)據(jù)，以及三河、三河引河、淮沭河、蘇北灌溉總渠、南水北調(diào)洪澤湖電站以及洪金洞、周橋洞等出湖河道及閘壩流量數(shù)據(jù). 洪澤湖水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括老子山、蔣壩、高良澗及尚嘴4個(gè)站點(diǎn). 氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，使用泗洪基本站風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，其中1975年1月-2016年8月為逐日數(shù)據(jù)，2016年8月-2020年10月為逐時(shí)數(shù)據(jù). 1975-2020年洪澤湖泗洪站各月風(fēng)向玫瑰圖如圖1b所示.

1.3 洪澤湖三維水動(dòng)力模型構(gòu)建

基于三維水動(dòng)力富營(yíng)養(yǎng)化生態(tài)模型Ecolake模型[20-24]的水動(dòng)力模塊構(gòu)建洪澤湖三維水動(dòng)力模型. 在笛卡爾坐標(biāo)系下，洪澤湖湖水三維運(yùn)動(dòng)控制方程可以表示為：

(1)

(2)

(3)

式中,x、y分別為x、y軸坐標(biāo)；u、v分別為x、y方向流速；t為時(shí)間；f為科氏力參數(shù)；g為重力加速度；h為水面平衡位置到湖底的距離；H為湖面到湖底的水深；ζ為水面離開平衡位置的位移；εx、εy分別為x、y方向控制方程水平擴(kuò)散項(xiàng)因變換產(chǎn)生的偏差項(xiàng)；w*為σ方向速度，它和垂直方向速度w的關(guān)系如下：

(4)

εx表達(dá)式為：

(5)

εy的表達(dá)式與εx的表達(dá)式相同，只需把u換成v即可.

在σ坐標(biāo)系下，上邊界條件為：

σ=1：w*=0

(6)

σ=0：w*=0

(7)

1.4 模型設(shè)置與驗(yàn)證

采用正交網(wǎng)格對(duì)洪澤湖計(jì)算單元進(jìn)行空間劃分，網(wǎng)格東西向、南北向步長(zhǎng)為250 m，全湖水平空間共劃分為約2.8萬(wàn)個(gè)計(jì)算單元(圖1a). 根據(jù)模型數(shù)值計(jì)算的收斂條件，模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為15 s，計(jì)算結(jié)果按小時(shí)尺度輸出. 從水面至湖底把垂直水柱劃分5個(gè)厚度一致的水層：風(fēng)應(yīng)力控制區(qū)(表層)、風(fēng)應(yīng)力至水平壓強(qiáng)梯度力控制過(guò)渡區(qū)(次表層)、水平壓強(qiáng)梯度力控制區(qū)(中間層)、水平壓強(qiáng)梯度力與底摩擦力聯(lián)合控制區(qū)(次底層)與底摩擦力控制區(qū)(底層)，各層的厚度與水深同步變化.

洪澤湖環(huán)湖河道眾多，將洪澤湖所有出入湖河道概化為汴河、成子河、高橋河、高松河、淮河、淮洪新河、淮沭河、淮泗河、黃碼河、老三河、利民河、馬化河、三河、維橋河、五河、肖河、新汴河、新濉河、趙公河、入海水道高良澗閘等24條出入湖河道.

由于湖泊流場(chǎng)為矢量，既包括水體流動(dòng)速率，又含有方向信息，傳統(tǒng)的標(biāo)量評(píng)價(jià)方法，如納什系數(shù)、確定性系數(shù)等指標(biāo)無(wú)法直接評(píng)價(jià)模型對(duì)湖流的模擬精度. 因此，使用歸一化傅里葉范數(shù)[7,25](normalized fourier norm,Fn)來(lái)驗(yàn)證水動(dòng)力模型對(duì)于洪澤湖流場(chǎng)的模擬精度.Fn可用下式計(jì)算得到：

(8)

洪澤湖水動(dòng)力模型采用零速啟動(dòng)方式運(yùn)行，因此模型需要提前預(yù)熱7 d左右. 經(jīng)過(guò)預(yù)熱，初值對(duì)于模型計(jì)算結(jié)果的影響被耗散掉，模型的狀態(tài)變量達(dá)到穩(wěn)定. 因此從2020年7月28日開始運(yùn)行模型，采用連續(xù)計(jì)算的方式運(yùn)行至11月2日結(jié)束. 在此期間，洪澤湖氣溫在2.9～36.7℃之間波動(dòng)，平均氣溫為22.5℃，降水總量為390 mm, 風(fēng)速在0～5.8 m/s之間波動(dòng)，以東風(fēng)風(fēng)向?yàn)橹鳎闈珊献由?、蔣壩、高良澗和尚嘴4站日平均水位在12.72～13.81 m之間波動(dòng).

1.5 風(fēng)生流模擬情景設(shè)計(jì)與情景數(shù)值試驗(yàn)

由于缺少系統(tǒng)的洪澤湖湖區(qū)風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，利用泗洪國(guó)家氣象基本站1975年1月至2020年9月逐日風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)各月北風(fēng)、北偏東、東北等16種風(fēng)向出現(xiàn)的頻率百分比并繪制各月風(fēng)向玫瑰圖，確定洪澤湖典型風(fēng)速風(fēng)向. 以此為基礎(chǔ)，開展風(fēng)速、風(fēng)向和水位變化對(duì)風(fēng)生流影響的數(shù)值模擬.

1)風(fēng)場(chǎng)變化對(duì)洪澤湖風(fēng)生流影響模擬. 為全面分析不同風(fēng)向驅(qū)動(dòng)下洪澤湖三維風(fēng)生流特征，模擬洪澤湖平均風(fēng)速和12.5 m保證水位條件下，湖面風(fēng)向分別為北風(fēng)、北偏東風(fēng)、東北風(fēng)等16種不同風(fēng)向下洪澤湖垂向平均以及表層、次表層、中間層、次底層和底層各層流場(chǎng)分布特征.

2)風(fēng)速變化對(duì)洪澤湖風(fēng)生流影響模擬. 為分析風(fēng)速變化對(duì)洪澤湖風(fēng)生流影響，模擬洪澤湖保證水位，典型風(fēng)向、不同風(fēng)速條件下洪澤湖4個(gè)湖區(qū)垂向平均及垂向各層平均流速變化.

3)水位變化對(duì)洪澤湖風(fēng)生流影響模擬. 為了進(jìn)一步探究水位變化對(duì)洪澤湖風(fēng)生流影響，模擬典型風(fēng)速風(fēng)向驅(qū)動(dòng)下，不同初始水位下洪澤湖三維風(fēng)生流變化情況.

2 結(jié)果與討論

2.1 三維水動(dòng)力生態(tài)模型驗(yàn)證

首先分析洪澤湖水動(dòng)力模型對(duì)湖流模擬的精度. 圖2左列顯示了模型對(duì)于2020年8月4日全湖表層、中層和底層流場(chǎng)模擬結(jié)果，其中左側(cè)最上方子圖顯示了30個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的具體位置；右列對(duì)比了各點(diǎn)位表層、中層和底層流場(chǎng)模擬值與對(duì)應(yīng)時(shí)刻的監(jiān)測(cè)值. 由于模型水平空間分辨率為250 m, 全湖水平空間計(jì)算單元數(shù)接近3萬(wàn)個(gè)，流場(chǎng)分布圖無(wú)法顯示所有網(wǎng)格，因此計(jì)算并顯示1 km范圍內(nèi)16個(gè)網(wǎng)格的平均東西向和南北向流速.

圖2 洪澤湖三維水動(dòng)力2020年8月4日全湖表層、中層與底層湖流的模擬情況(左列)及對(duì)于30個(gè)點(diǎn)位湖流模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比(右列)Fig.2 Simulated current pattern at the top, middle and bottom layers on 4 August 2020 (left), and comparison of simulated and observed currents at the 30 monitoring sites in Lake Hongze (right)

2020年8月4日正值汛期，洪澤湖出入湖流量較大，當(dāng)日淮河入湖流量達(dá)6810 m3/s，環(huán)湖河道入湖總流量達(dá)到7660 m3/s，三河閘、二河閘、蘇北灌溉總渠出湖總流量達(dá)到8720 m3/s，洪澤湖的平均水位約為13.64 m. 當(dāng)日現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的湖區(qū)風(fēng)速介于3.33～5.17 m/s之間，風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)至東南風(fēng). 在較大的出入湖流量和風(fēng)速驅(qū)動(dòng)下，洪澤湖各層水體流速都較大，在溧河洼觀測(cè)到的最大流速達(dá)到36.2 cm/s. 但湖區(qū)間差別較大，成子湖的水體流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于溧河洼. 8月4日洪澤湖30個(gè)點(diǎn)位表層、中層和底層水體的平均流速監(jiān)測(cè)值分別為8.45、7.37和5.61 cm/s. 從圖3可以看出，模型可以較好地刻畫大部分點(diǎn)位的三維流場(chǎng)特征，但模擬精度空間差異較大，總體對(duì)于溧河洼中東部與洪澤湖主體部分模擬精度相對(duì)較高，但對(duì)于成子湖模擬相對(duì)較差. 這主要因?yàn)槌勺雍w流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于溧河洼水體，且流速流向呈現(xiàn)出較高的空間差異，這給模型準(zhǔn)確刻畫成子湖湖流時(shí)空變化帶來(lái)了較大挑戰(zhàn)，因此總體模擬精度低于其他湖區(qū). 此外，用于驗(yàn)證模型的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為定點(diǎn)剖面觀測(cè)，而模型計(jì)算單元面積為6.25萬(wàn)m2，監(jiān)測(cè)與模型空間尺度的不匹配問(wèn)題也會(huì)給模型的準(zhǔn)確評(píng)估帶來(lái)較大困難[11].

2020年11月2日洪澤湖出入湖總流量分別為218和318 m3/s，風(fēng)速介于0.44～3.26 m/s之間，洪澤湖的平均水位約為12.77 m. 出入湖流量、風(fēng)速和水位都遠(yuǎn)小于8月4日. 當(dāng)日30個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位表層、中層和底層水體的平均流速分別為3.65、2.91和2.92 cm/s. 模型對(duì)于30點(diǎn)位表層、中層和底層水體模擬的平均值分別為2.77、2.87和2.65 cm/s，可以看出模型對(duì)于洪澤湖水體模擬的流速與實(shí)測(cè)流速比較接近. 由于篇幅限制，模型對(duì)于11月2日流場(chǎng)模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比情況未在本文中給出.

模型對(duì)于8月4日洪澤湖30個(gè)各湖流監(jiān)測(cè)點(diǎn)位表層水體模擬的Fn(歸一化傅里葉范數(shù))值介于0.20～5.12之間(圖3)，對(duì)于位于成子湖中部西岸附近的5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位模擬精度最高，對(duì)于溧河洼24號(hào)點(diǎn)位監(jiān)測(cè)誤差最大. 模型對(duì)于中間層水體模擬的Fn值介于0.10～2.69之間；對(duì)于底層水體模擬的Fn值介于0.15～1.75 之間. 3個(gè)水層各點(diǎn)位模擬的Fn平均值分別為1.18、0.94和0.86，說(shuō)明模型對(duì)于底層水體模擬的精度略高于中間層和表層.

圖3 洪澤湖水動(dòng)力模型對(duì)于2020年8月4日和11月2日全湖30個(gè)點(diǎn)位表層、中層和底層流場(chǎng)模擬的Fn值對(duì)比Fig.3 Comparison of Fn values for currents at top layer, central layer and bottom layer derived from hydrodynamic model for the 30 monitoring sites on August 4th and November 2nd 2020, respectively

模型對(duì)于11月2日全湖30個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位表層水體模擬的Fn值介于0.10～3.77之間，中層水體模擬的Fn值介于0.16～6.65之間，底層水體的Fn值介于0.08～11.17之間. 模型對(duì)于表層、中層和底層各點(diǎn)位模擬的Fn平均值分別為1.36、1.43和1.69. 總體而言，模型對(duì)于較大流速的湖流模擬精度較高，對(duì)于小流速，且空間變化強(qiáng)烈的湖區(qū)流場(chǎng)模擬相對(duì)較差.

2.2 不同風(fēng)向作用下洪澤湖垂向平均湖流特征

為全面分析洪澤湖在不同風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下三維風(fēng)生流特征，模擬了洪澤湖平均水位為12.5 m工況條件下，2.4 m/s(多年平均風(fēng)速)北風(fēng)、北偏東風(fēng)、東北風(fēng)等16種不同風(fēng)向條件下洪澤湖垂向平均以及表層、次表層、中間層、次底層和底層各層流場(chǎng)分布特征. 圖4顯示了其中北風(fēng)、東北風(fēng)、東風(fēng)、東南風(fēng)、南風(fēng)、西南風(fēng)、西風(fēng)和西北風(fēng)8種風(fēng)向下的全湖垂向平均流場(chǎng)分布情況.

圖4 北風(fēng)、東北風(fēng)、東風(fēng)、東南風(fēng)、南風(fēng)、西南風(fēng)、西風(fēng)和西北風(fēng)8種風(fēng)向驅(qū)動(dòng)下洪澤湖垂向平均湖流結(jié)構(gòu)特征Fig.4 Simulated vertical-averaged current structure of Lake Hongze under 8 wind directions such as northern, northeastern, eastern, southeastern, southern, southwestern, western and northwestern winds

在不同風(fēng)向驅(qū)動(dòng)下，洪澤湖垂向平均流場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)存在明顯的差異. 由于篇幅限制，本文只分析北風(fēng)和東風(fēng)作用下流場(chǎng)特征. 北風(fēng)驅(qū)動(dòng)下，在全湖不同區(qū)域形成6～8個(gè)大小不一的順時(shí)針或逆時(shí)針環(huán)流. 在溧河洼中部較大區(qū)域形成一個(gè)逆時(shí)針的環(huán)流，同時(shí)在環(huán)流的西部流速明顯大于其他區(qū)域. 與此同時(shí)，在洪澤湖東岸靠近洪澤附近也存在一個(gè)明顯的順時(shí)針環(huán)流區(qū)，該環(huán)流區(qū)南北兩側(cè)流速相對(duì)較低，但靠近東北側(cè)的沿岸流流速較快. 在持續(xù)的北風(fēng)作用下，溧河洼和東西兩側(cè)沿岸區(qū)，以及淮河入湖區(qū)以南西部沿岸區(qū)流速較快.

在持續(xù)的東風(fēng)作用下，溧河洼中部在北風(fēng)下產(chǎn)生的逆時(shí)針環(huán)流消失，但在中南部形成一個(gè)不規(guī)則的順時(shí)針環(huán)流，該環(huán)流南北兩側(cè)流速較快. 此風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下溧河洼與洪澤湖主體交匯區(qū)流速普遍較緩. 淮河入湖區(qū)附近也形成了一個(gè)規(guī)模相對(duì)較小的逆時(shí)針環(huán)流. 與此同時(shí)，沿溧河洼北部形成一支流速較快的西向沿岸流，成子湖與洪澤湖主體部分交界湖區(qū)兩側(cè)也形成了流速較快的西北向沿岸流.

表1 統(tǒng)計(jì)了風(fēng)速為2.4 m/s, 洪澤湖初始平均水位為12.5 m，北風(fēng)等16種不同風(fēng)向驅(qū)動(dòng)下洪澤湖4個(gè)湖區(qū)垂向平均流速分布情況. 分湖區(qū)平均流速計(jì)算時(shí)僅考慮水體的流動(dòng)速率，即取各湖區(qū)包含的所有計(jì)算網(wǎng)格的平均水體流速值作為分湖區(qū)平均流速，不考慮不同單元流向的差異.

表1 初始水位為12.5 m條件下，2.4 m/s風(fēng)速，16種不同風(fēng)向驅(qū)動(dòng)下洪澤湖4個(gè)湖區(qū)垂向平均流速模擬值Tab.1 Vertical-averaged current velocities from model outputs for each of the four basins of Lake Hongze forced by 16 wind directions with wind speed of 2.4 m/s and initial water level of 12.5 m

2.4 m/s風(fēng)速驅(qū)動(dòng)下，不同湖區(qū)垂向平均流速在0.964～2.216 cm/s之間波動(dòng). 可以看出，風(fēng)向的變化對(duì)洪澤湖不同湖區(qū)水體垂向平均流速影響較為明顯. 溧河洼水體在東北風(fēng)向下平均流速最大，為1.389 cm/s；在西北風(fēng)作用下平均流速最小，為1.014 cm/s. 洪澤湖主體部分在南偏東風(fēng)作用下平均流速最大，為1.405 cm/s； 在西偏南風(fēng)下平均流速最小，為1.232 cm/s. 成子湖水體在東南風(fēng)作用下平均流速最大，為1.468 cm/s；在南偏西風(fēng)作用下平均流速最小，為1.078 cm/s. 南部湖區(qū)平均流速在北風(fēng)作用下平均流速最大，為2.216 cm/s；在西風(fēng)下垂向平均流速最小，為0.964 cm/s. 由此可見，南部湖區(qū)水體在不同風(fēng)向下垂向平均流速差異最大，達(dá)到1.252 cm/s，遠(yuǎn)高于其他湖區(qū). 洪澤湖垂向平均流速主體最小，為0.173 cm/s.

從不同風(fēng)向下各湖區(qū)平均流速來(lái)看，南部湖區(qū)平均為1.675 cm/s，其次為主體部分，平均為1.320 cm/s. 成子湖與溧河洼分別為1.208和1.282 cm/s. 一般來(lái)講，各湖區(qū)長(zhǎng)軸(連接湖區(qū)內(nèi)任意兩點(diǎn)所能獲取的最大長(zhǎng)度)的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，且長(zhǎng)軸角度與風(fēng)向的吻合度越高，湖區(qū)水體垂向平均流動(dòng)速率越大. 例如南部湖區(qū)湖面總體呈南北走向，因此在南風(fēng)和北風(fēng)作用下水體流速最快. 另外，由于洪澤湖形狀較為復(fù)雜，不同湖區(qū)水體流速也受到風(fēng)驅(qū)長(zhǎng)度影響，對(duì)于同一湖區(qū)比如南部湖區(qū)，在北風(fēng)和南風(fēng)向驅(qū)動(dòng)下的水體流速也存在一定差異.

2.3 東風(fēng)驅(qū)動(dòng)下洪澤湖垂向分層水體流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

如圖1b所示，受東亞季風(fēng)氣候影響，洪澤湖大部分東風(fēng)、東偏南或東偏北風(fēng)出現(xiàn)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他風(fēng)向. 1975-2020年長(zhǎng)系列風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：東風(fēng)在所有16風(fēng)向中占比最高，各年平均達(dá)到11.5%；其次是東偏南風(fēng)，占比達(dá)到11.2%；再次為東偏北風(fēng)，占比為10.6%，其他風(fēng)向占比都在8%以下. 西南風(fēng)和西風(fēng)出現(xiàn)頻率最低，在所有16風(fēng)向中的占比分別只有3.5%. 洪澤湖多年平均風(fēng)速為2.4 m/s. 從分月來(lái)看，3月和4月平均風(fēng)速最高，都為2.7 m/s；其次為5月，平均為2.5 m/s；9月和10月平均風(fēng)速最低，都為1.9 m/s.

由于東風(fēng)為洪澤湖出現(xiàn)頻率最高的風(fēng)向，因此本文著重分析東風(fēng)驅(qū)動(dòng)下洪澤湖垂向分層流場(chǎng)特征. 如圖5所示，在12.5 m初始平均水位，2.4 m/s東風(fēng)驅(qū)動(dòng)下，洪澤湖流場(chǎng)結(jié)構(gòu)在垂向空間存在明顯的差異. 受水下地形、岸線形態(tài)等多重要素影響，洪澤湖表層湖流流態(tài)也較為復(fù)雜，大部分湖區(qū)表層流流向與風(fēng)向整體吻合程度并不高，尤其在半封閉的湖灣處以及沿岸區(qū). 但在開闊的敞水區(qū)表層水體流向與風(fēng)向吻合度較好. 次表層水體流速明顯小于表層水體，在持續(xù)的東風(fēng)作用下，溧河洼中部次表層水體形成了一支流速較快的迂回反“S”形水流，同時(shí)溧河洼北部水體形成了一支流速較快的西向沿岸流. 中間層水體流向與次表層較為接近，但大部分湖區(qū)流速小于次表層水體. 次底層與底層水體流向基本與表層相反，說(shuō)明洪澤湖垂向空間存在明顯的補(bǔ)償流特征.

圖5 12.5 m水位，2.4 m/s東風(fēng)驅(qū)動(dòng)下洪澤湖垂向各層流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征Fig.5 Current structure for vertical layers of Lake Hongze under a 12.5 m water level and 2.4 m/s eastern wind

2.4 風(fēng)速變化對(duì)洪澤湖三維湖流的影響

除了風(fēng)向，湖面風(fēng)速變化也會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)發(fā)生變化. 湖面風(fēng)速越大，湖泊表層水體受到風(fēng)的拖曳力就越大，表層湖水越易向下風(fēng)方向運(yùn)動(dòng)，并引起下風(fēng)向的涌水和對(duì)應(yīng)上風(fēng)向的減水，進(jìn)而增加下風(fēng)、上風(fēng)向水面坡度，增加湖水的水平壓強(qiáng)梯度力，進(jìn)而引起湖流流速的增加.

圖6顯示了洪澤湖水位為12.5 m時(shí)，東風(fēng)1～13 m/s不同風(fēng)速條件驅(qū)動(dòng)下洪澤湖4個(gè)湖區(qū)垂向平均及垂向各層平均流速變化，各湖區(qū)各分層水體平均流速計(jì)算方法與表1相同. 洪澤湖各湖區(qū)水體流速對(duì)風(fēng)速變化十分敏感，當(dāng)湖面風(fēng)速加快時(shí)，垂向平均及各層水體流速也快速上升. 但各層水體流速變化與風(fēng)速加快并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是隨著風(fēng)速的升高呈加速上升的趨勢(shì). 其中表層水體流速上升的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他水層. 比如溧河洼，當(dāng)湖面風(fēng)速為1 m/s時(shí)，該湖區(qū)表層水體平均流速僅為0.48 cm/s，當(dāng)湖面風(fēng)速達(dá)到4 m/s時(shí)，流速迅速上升到6.55 cm/s，當(dāng)湖面風(fēng)速達(dá)到13 m/s時(shí)，流速上升到76.4 cm/s, 相當(dāng)于1 m/s風(fēng)速時(shí)的約158倍. 對(duì)于垂向各層水體平均流速隨風(fēng)速的上升速度從大到小為表層、次底層、中間層、次表層和底層. 當(dāng)湖面風(fēng)速達(dá)到13 m/s時(shí)，溧河洼水體次底層平均流速為44.27 cm/s，中間層為39.6 cm/s，次表層和底層則分別為31.6和22.7 cm/s.

圖6 洪澤湖水位為12.5 m時(shí)，1～13 m/s東風(fēng)驅(qū)動(dòng)下洪澤湖4個(gè)湖區(qū)垂向平均及垂向各層平均流速變化Fig.6 Basin-averaged current velocity variations of Lake Hongze for the five vertical layers under 1-13 m/s wind speed of the eastern wind with a water level of 12.5 m

2.5 水位變化對(duì)洪澤湖三維湖流的影響

除了風(fēng)速風(fēng)向，水位或水深變化也是影響湖泊流場(chǎng)的重要因素. 圖7顯示了2.4 m/s東風(fēng)驅(qū)動(dòng)下，洪澤湖初始水位從12.1 m抬升至14.0 m時(shí)，位于溧河洼的26號(hào)點(diǎn)、洪澤湖主體的10號(hào)點(diǎn)，成子湖的3號(hào)點(diǎn)以及南部湖區(qū)的15號(hào)點(diǎn)垂向平均流速以及垂向各層平均流速的變化情況，各點(diǎn)位的具體位置如圖1a所示.

圖7 2.4 m/s東風(fēng)驅(qū)動(dòng)下洪澤湖4個(gè)點(diǎn)位分層流場(chǎng)隨水位變化特征Fig.7 Changes in vertical current structure at 4 sites in Lake Hongze with different water levels under 2.4 m/s eastern wind

可以看出，在相同風(fēng)場(chǎng)作用下，不同點(diǎn)位垂向各層水體流速總體呈現(xiàn)隨水位上升而加快的趨勢(shì). 但上升的速度隨著水位的升高存在一定的空間差異，且部分點(diǎn)位個(gè)別水層存在流速和流向都發(fā)生較大變化的情況，比如成子湖的3號(hào)點(diǎn)位在水位由低升高時(shí)，中間層水體流速逐漸升高，且流向由北偏西方向呈順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，水位升高至14 m時(shí)，流向轉(zhuǎn)為東偏北方向. 該點(diǎn)位次表層水體流場(chǎng)也與其他點(diǎn)位有所差異，表現(xiàn)為隨著水位升高而下降的趨勢(shì). 另外對(duì)于溧河洼的26號(hào)點(diǎn)位表層水體，流速隨著水位的升高先呈快速升高的趨勢(shì)，當(dāng)水位升高至13 m之后，流速升高的趨勢(shì)有所減緩.

由于各點(diǎn)位中間層、次底層和底層水體流向基本與表層相反，因此各點(diǎn)位垂向平均流速相比各水層明顯減小，但各點(diǎn)位減小的速度也存在明顯的差異. 如對(duì)于1號(hào)點(diǎn)位，平均流速由水位12.1 m時(shí)的約1.23 cm/s下降至14.0 m水位的約0.76 cm/s，下降幅度達(dá)到0.47 cm/s；對(duì)于15號(hào)點(diǎn)位，平均流速由0.62 cm/s下降至0.41 cm/s, 下降幅度僅為0.21 cm/s.

圖8進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了2.4 m/s東風(fēng)驅(qū)動(dòng)下全湖和4個(gè)分湖區(qū)在不同水位下的垂向平均和分層平均流速，水體平均流速計(jì)算方法與表1類似，即僅考慮各個(gè)計(jì)算單元水體流動(dòng)速率. 結(jié)果顯示，不同湖區(qū)水體流動(dòng)速率對(duì)于水位變化的響應(yīng)存在明顯差異. 對(duì)于溧河洼，水位從12.1 m上升時(shí)，垂向平均流速?gòu)募s1.06 cm/s快速上升. 當(dāng)水位上升至12.7 m時(shí)，水體垂向平均流速達(dá)到1.20 cm/s的最高值，隨后開始下降. 當(dāng)水位上升至13.7 m時(shí)，溧河洼水體平均流速降至約1.05 cm/s，與水位為12.0 m時(shí)相當(dāng). 當(dāng)水位升高至14.0 m時(shí)，平均流速降至約1.00 cm/s. 對(duì)于成子湖和南部湖區(qū)，垂向平均流速分別在水位12.4和12.2 m時(shí)達(dá)到最大，分別為1.32和1.00 cm/s，另外可以看出，南部湖區(qū)在東風(fēng)作用下垂向平均流速遠(yuǎn)小于其他湖區(qū). 洪澤湖主體部分與其他3個(gè)湖區(qū)存在一定的差異，水體平均流速隨水位上升而表現(xiàn)為一致的下降趨勢(shì). 全湖水體垂向平均流速在12.5 m水位下達(dá)到最大值，為1.22 cm/s.

圖8 2.4 m/s東風(fēng)驅(qū)動(dòng)下洪澤湖全湖及4個(gè)湖區(qū)在12.1～14.0 m水位時(shí)垂向平均及分層水體平均流速變化Fig.8 Basin-averaged current velocity variations of Lake Hongze for the five vertical layers under water levels from 12.1 m to 14.0 m at a 2.4 m/s eastern wind

各湖區(qū)表層流速隨水位上升都呈現(xiàn)直線上升的趨勢(shì)，但湖區(qū)間表層平均流速值存在一定的差異. 對(duì)于次表層，盡管各湖區(qū)水體平均流速也表現(xiàn)為隨著水位的升高而上升，但在不同水位時(shí)上升的速度，即斜率變化有所差異. 總體而言，當(dāng)水位從12.1 m上升至12.6 m時(shí)，各湖區(qū)次表層水體流動(dòng)速度上升較快，隨后上升速率趨于平穩(wěn). 各湖區(qū)中間層水體對(duì)于水位變化的響應(yīng)呈現(xiàn)出較高差異. 溧河洼中間層水體流速對(duì)于洪澤湖水位變化響應(yīng)最為敏感，當(dāng)水位從12.1 m上升至13.0 m時(shí)，溧河洼中間層水體流速快速上升，從1.16 cm/s上升至1.39 cm/s，隨后流速緩慢下降. 成子湖與洪澤湖南部湖區(qū)中層水體流速變化總體趨勢(shì)與溧河洼相似，但流速上升的速度遠(yuǎn)小于溧河洼. 洪澤湖主體部分流速隨著水位的升高先呈現(xiàn)輕微上升，隨后緩慢下降，至水位13.6 m時(shí)降至最低，后復(fù)又緩慢上升. 各湖區(qū)次底層和底層水體變化趨勢(shì)非常相似，4個(gè)湖區(qū)都表現(xiàn)為隨著水位上升水體流速升高的趨勢(shì).

3 結(jié)論

在構(gòu)建與驗(yàn)證洪澤三維水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上，利用長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)分析了洪澤湖風(fēng)場(chǎng)特征. 模擬了16種不同風(fēng)向驅(qū)動(dòng)下的洪澤湖三維風(fēng)生流結(jié)構(gòu)特征，并進(jìn)一步分析了風(fēng)速和水位變化對(duì)分湖區(qū)分層流速的影響. 主要結(jié)論如下：

1)水動(dòng)力模型可以較好地刻畫洪澤湖三維湖流變化特征. 模型對(duì)于大流速湖流模擬的精度較高，對(duì)于小流速且空間差異較大的湖區(qū)模擬相對(duì)較差. 模型模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果都顯示，洪澤湖水體流速在垂向上存在明顯的差異，表層和底層水體流向總體差異較大，存在明顯的補(bǔ)償流.

2)洪澤湖風(fēng)生流結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)向驅(qū)動(dòng)下呈現(xiàn)明顯的差異. 北風(fēng)驅(qū)動(dòng)下，在全湖不同區(qū)域形成6～8個(gè)大小不一的順時(shí)針或逆時(shí)針環(huán)流. 東風(fēng)作用下，溧河洼中部在北風(fēng)下產(chǎn)生的逆時(shí)針環(huán)流消失，但在中南部形成一個(gè)不規(guī)則的順時(shí)針環(huán)流，說(shuō)明湖流結(jié)構(gòu)對(duì)于風(fēng)向變化比較敏感. 在相同風(fēng)速條件下，溧河洼、洪澤湖主體、成子湖和南部湖區(qū)分別在東北風(fēng)、南偏東風(fēng)、東南風(fēng)和北風(fēng)作用下平均流速最大.

3)洪澤湖各湖區(qū)水體流速對(duì)風(fēng)速變化十分敏感，當(dāng)湖面風(fēng)速加快時(shí)，垂向平均及各層水體流速也快速上升. 但各層水體流速變化與風(fēng)速加快并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是隨著風(fēng)速的升高呈加速上升的趨勢(shì). 其中表層水體流速上升的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他水層. 對(duì)于垂向各層水體平均流速隨風(fēng)速的上升速度從大到小為表層、次底層、中間層、次表層和底層.

4)洪澤湖垂向各層水體流速總體呈現(xiàn)隨水位上升而加快的趨勢(shì). 但上升的速度隨著水位的升高存在一定的空間差異，部分點(diǎn)位個(gè)別水層存在流速和流向都發(fā)生較大變化的情況. 由于表層和底層水體流向相反，各湖區(qū)垂向平均流速變化變化較為復(fù)雜. 總體呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，全湖垂向平均流速在12.5 m水位下達(dá)到最大值.

致謝:王巖、胡月敏、管玉瑩等參與了洪澤湖湖流現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)工作，在此表示感謝.