秦 灝 張怡輝 朱金格 胡維平 彭兆亮

(1. 江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 江蘇蘇州 215106; 2. 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)

湖泊水動(dòng)力是湖泊的重要水文現(xiàn)象之一, 是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的基本動(dòng)力要素(沈吉等, 2020)。湖泊水動(dòng)力驅(qū)動(dòng)著湖泊泥沙和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸移和擴(kuò)散, 改變湖泊生態(tài)系統(tǒng)的物理環(huán)境條件, 進(jìn)而影響湖泊化學(xué)元素的循環(huán), 是決定湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)(張奇等, 2020)。淺水湖泊中風(fēng)經(jīng)過(guò)水氣相互作用的傳遞產(chǎn)生風(fēng)浪和湖流, 其中主要能量傳遞給風(fēng)浪(Wüestetal, 2003)。風(fēng)浪作為淺水湖泊重要的水動(dòng)力因子, 是沉積物再懸浮的最重要的驅(qū)動(dòng)因素(Fanetal,2001; 秦伯強(qiáng)等, 2003; 羅瀲蔥等, 2004; Lietal,2017), 沉積物的懸浮后會(huì)引起上覆水中懸浮顆粒大量增加和濁度升高(Yaoetal, 2022; 張怡輝等, 2022),從而對(duì)水體水質(zhì)產(chǎn)生不利的影響。因此, 開(kāi)展湖泊水動(dòng)力場(chǎng)的變化研究對(duì)于認(rèn)識(shí)和診斷湖泊生態(tài)系統(tǒng)的演化都具有重要的意義。

地形是影響淺水湖泊水動(dòng)力變化的主要因素。為了改善滆湖水質(zhì), 確保供水安全, 保障生態(tài)系統(tǒng)健康,針對(duì) 滆湖水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題與成因, 在滆湖北部(滆湖沿江高速以北)實(shí)施了一系列工程治理措施(何尚衛(wèi)等,2015), 其中包括了底泥疏浚、退圩還湖、退圍還湖和深槽構(gòu)建, 以上工程措施的實(shí)施會(huì)對(duì)整個(gè)滆湖北部的地形與岸線形態(tài)產(chǎn)生較大的影響, 而地形作為影響風(fēng)浪特征的關(guān)鍵因素, 其變化可能會(huì)對(duì)區(qū)域內(nèi)的風(fēng)浪場(chǎng)產(chǎn)生較大影響, 因此開(kāi)展相應(yīng)的研究具有較高的應(yīng)用意義。本研究將以 滆湖北部為研究對(duì)象, 利用數(shù)值模擬的手段來(lái)分析 滆湖北部整治前(2010 年)和整治后并趨于穩(wěn)定形態(tài)下(2020 年)風(fēng)浪場(chǎng)特征及其變化情況, 從而分析 滆湖北部整治措施對(duì) 滆湖水環(huán)境演化的影響, 總結(jié)整治經(jīng)驗(yàn), 并為滆 湖的進(jìn)一步整治提供經(jīng)驗(yàn)與支撐。

1 研究背景

1.1 滆湖概況

滆湖(31°29′～31°42′N(xiāo), 119°44′～119°53′E, 圖1)居常州武進(jìn)和宜興之間, 地處長(zhǎng)江三角洲的西緣, 北通長(zhǎng)江, 東瀕太湖, 西連長(zhǎng)蕩湖, 南接?xùn)| 氿、西 氿。因滆湖位于江蘇太湖西側(cè), 故又名西太湖。全湖大部分水面位于常州武進(jìn)區(qū)境內(nèi)(占總面積71.4%), 常水位為3.37 m (吳淞基面), 相應(yīng)的平均水深為1.32 m, 面積為164 km2, 容積為2.05 億 m3, 是蘇南地區(qū)第二大淡水湖泊, 具有水產(chǎn)養(yǎng)殖、蓄洪灌溉、水上運(yùn)輸, 現(xiàn)代旅游等多種使用功能, 在當(dāng)?shù)貒?guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有十分重要的地位。

1.2 滆湖北部整治概況

為了改善 滆湖水質(zhì), 確保供水安全, 保障生態(tài)系統(tǒng)健康, 針對(duì) 滆湖水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題與成因, 在 滆湖北部(滆湖沿江高速以北)實(shí)施了一系列工程治理措施。

基于 滆湖(武進(jìn)區(qū))生態(tài)清淤工程方案, 2010～2011年在 滆湖北部湖區(qū)實(shí)施干法疏浚工程, 完成沿江高速以北 滆湖清淤總面積 12.09 km2, 清淤土方326.6 萬(wàn) m3。優(yōu)化湖泊湖底地形, 改善湖泊水動(dòng)力條件, 降低水動(dòng)力過(guò)程對(duì)湖底沉積物擾動(dòng), 減少底泥沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽與污染物的動(dòng)態(tài)釋放通量。在進(jìn)行 滆湖北部污染物底泥疏浚的過(guò)程中, 布設(shè)30 m (長(zhǎng))×30 m(寬)×1.5 m(深)凹槽, 作為沉淀物陷阱, 捕獲 滆湖因風(fēng)場(chǎng)和湖流作用搬運(yùn)至北部的有機(jī)顆粒物, 同時(shí)也可以使北部在風(fēng)浪作用發(fā)生再懸浮的底泥沉積物被凹槽捕獲, 降低水體懸浮顆粒物量、提高水體透明度,并為淺水區(qū)植物生長(zhǎng)提供相對(duì)有利的條件。2012 年實(shí)施完成 滆湖沿江高速以北退圩還湖一期工程, 實(shí)施總面積3.89 km2, 其中退田還湖2.11 km2, 排泥場(chǎng)面積1.78 km2。

2 研究方法

2.1 風(fēng)浪模型構(gòu)建

采用基于動(dòng)譜平衡方程的風(fēng)浪模型, 開(kāi)展 滆湖北部整治工程實(shí)施前后盛行風(fēng)條件下風(fēng)浪變化, 通過(guò)對(duì)比整治前后風(fēng)浪強(qiáng)度評(píng)估整治工程實(shí)施后 滆湖北部湖區(qū)風(fēng)浪場(chǎng)變化情況。

2.1.1 風(fēng)浪模型配置 SWAN (simulating waves nearshore)風(fēng)浪模式是適用于近岸的第三代風(fēng)浪模型,由荷蘭Delft 大學(xué)土木工程系的Booij 等(1999)開(kāi)發(fā)并由SWAN 團(tuán)隊(duì)發(fā)展和完善的, 已成功地在太湖(李一平等, 2008; 許遐禎等, 2013; 王震等, 2016)、巢湖(張怡輝等, 2020a, 2020b)、淀山湖(張洪生等, 2011)等淺水湖泊進(jìn)行了應(yīng)用, 其詳細(xì)介紹可參考SWAN 技術(shù)手冊(cè)(the SWAN Team, 2006), 這里不再贅述。

考慮 滆湖為一個(gè)整體湖泊, 沿江高速南北是聯(lián)通的, 因此建立東西14.4 km, 南北長(zhǎng)22.4 km 的整個(gè)滆湖模擬區(qū)域, 采用二維非靜態(tài)模型。模型的空間分辨率為100 m×100 m, 計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取2 min。擬定頻率范圍為0.2～2.5 Hz, 分成50 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°。模型物理過(guò)程中, 風(fēng)輸入考慮了線性增長(zhǎng)和指數(shù)增長(zhǎng)兩部分, 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。模型中考慮了淺水中三波相互作用, 其他采用默認(rèn)值。

2.1.2 風(fēng)浪監(jiān)測(cè)及驗(yàn)證 風(fēng)浪監(jiān)測(cè)站位于 滆湖取水口附近(圖1), 觀測(cè)時(shí)間為2021 年12 月30 日10:30至2022 年1 月4 日13:00, 觀測(cè)時(shí)間間隔30 min, 觀測(cè)儀器采用MidasDWR 壓阻式波浪儀, 坐底式布放,采樣頻率為4 Hz, 可獲得觀測(cè)期間觀測(cè)點(diǎn)的有效波高、平均周期等波浪特征參數(shù)。

利用 滆湖風(fēng)浪模型計(jì)算風(fēng)浪監(jiān)測(cè)期間 滆湖風(fēng)浪變化情況, 湖面風(fēng)場(chǎng)采用國(guó)家氣象站宜興站(119.8167°E,31.3333°N)、金壇站(119.55°E, 31.7167°N)和無(wú)錫站(120.35°E, 31.6167°N) 3 個(gè)站的平均風(fēng)速作為輸入風(fēng)速, 其計(jì)算結(jié)果及驗(yàn)證情況如圖2 所示, 計(jì)算結(jié)果隨時(shí)間變化與實(shí)測(cè)值吻合良好, 可以較好地模擬出湖體風(fēng)浪變化情況。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明, 有效波高計(jì)算值與實(shí)測(cè)值呈現(xiàn)顯著相關(guān)(相關(guān)系數(shù)r=0.92, 顯著性值p＜0.05, 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)N=246)。而波周期雖然計(jì)算值與實(shí)測(cè)值也呈現(xiàn)顯著相關(guān)(r=0.3,p＜0.05,N=197), 但相關(guān)系數(shù)并不高(r=0.3); 這是由于監(jiān)測(cè)所用的波浪儀為壓阻式, 通過(guò)水體壓力變化反演出波浪參數(shù), 對(duì)于小風(fēng)浪情況, 由于 滆湖水淺, 其變化值較小, 相應(yīng)地誤差會(huì)較大; 監(jiān)測(cè)儀器技術(shù)說(shuō)明中也明確指出對(duì)于水深較小的情況, 波浪儀存在高頻(低周期)信號(hào)丟失的缺點(diǎn), 這從圖2b 中也可以看出, 在小風(fēng)浪情況時(shí), 波周期誤差較大, 進(jìn)一步我們對(duì)波高大于2、4、5 cm 時(shí)波周期的計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 相應(yīng)地相關(guān)系數(shù)分別提高至0.60、0.64、0.68, 這表明對(duì)于較大波況時(shí), 模擬的波周期是較為可靠的。因此建立的 滆湖風(fēng)浪模型可以較好地開(kāi)展 滆湖風(fēng)浪模擬, 能夠?yàn)?滆湖風(fēng)浪變化模擬提供可靠的結(jié)果。

圖2 風(fēng)浪監(jiān)測(cè)及驗(yàn)證結(jié)果Fig.2 Monitoring and verification of wind and wave

2.2 地形選擇

2009 年開(kāi)始, 滆湖北部實(shí)施了生態(tài)清淤、地形重塑、退圩環(huán)湖等人工地形重塑工程, 滆湖北部岸線、地形等發(fā)生了較大變化。

實(shí)施前, 滆湖北部湖區(qū)西部片區(qū)為大量圩區(qū), 東部片區(qū)則存在大量圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū), 其歷史影像圖和其常水位(3.37 m)下水深地形圖如圖3所示。整治前滆湖北部湖區(qū)較為開(kāi)闊, 地形較為平緩, 其最大水深為3.98 m, 平均水深1.26 m, 水面面積約為9.91 km2。

圖3 滆湖北部2009 年歷史影像圖和常水位下水深圖Fig.3 The image and water depth at normal water level of the northern part of Gehu Lake in 2009

實(shí)施后, 其西部片區(qū)圩區(qū)大量恢復(fù)為湖區(qū), 東部片區(qū)的圍網(wǎng)也大量拆除, 其歷史影像圖和常水位(3.37 m)下水深地形圖如圖4 所示。整治后, 滆湖北部湖區(qū)地形復(fù)雜多變, 湖區(qū)內(nèi)島嶼、淺灘眾多, 高速公路下分布了多段長(zhǎng)條形小島及淺灘, 常水位下其最大水深約3.30 m, 平均水深2.13 m, 較整治前水深平均增加了0.87 m, 水面面積增加為13.45 km2。由于地形發(fā)生了較大變化, 其勢(shì)必引起湖區(qū)內(nèi)水動(dòng)力等物理生境條件發(fā)生變化。

圖4 滆湖北部2020 年影像圖(現(xiàn)狀)和常水位下水深圖Fig.4 Current image and water depth at normal water level in the northern part of Gehu Lake in 2020

2.3 風(fēng)場(chǎng)選擇

根據(jù) 滆湖周邊國(guó)家氣象站宜興站2016～2022 年風(fēng)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)資料(圖5), 滆湖地區(qū)夏季盛行東南、東東南風(fēng), 冬季則盛行西西北、西北風(fēng)。夏季東南風(fēng)占比最大, 為22.98%, 其10%保證率風(fēng)速為4.69 m/s; 其次為東東南風(fēng), 占比為16.91%, 10%保證率風(fēng)速為4.44 m/s。冬季西西北風(fēng)與西北風(fēng)占比接近, 其中西西北風(fēng)占比9.16%, 10%保證率風(fēng)速為4.25 m/s, 西北風(fēng)占比為8.62%, 10%保證率風(fēng)速為3.38 m/s。因此分別選擇東南風(fēng)、東東南風(fēng)、西西北風(fēng)、西北風(fēng)10%保證率風(fēng)速下的 滆湖北部風(fēng)浪場(chǎng)變化進(jìn)行分析。

圖5 宜興站2016～2022 年風(fēng)向玫瑰圖(單位: %)Fig.5 Wind rose diagram of the Yixing Meteorological Station from 2016 to 2022 (unit: %)

3 結(jié)果與分析

3.1 人工地形重塑實(shí)施前風(fēng)浪分布特征

地形重塑工程實(shí)施前, 在盛行風(fēng)東南風(fēng)4.69 m/s、東東南風(fēng) 4.44 m/s、西西北風(fēng) 4.25 m/s 與西北風(fēng)3.38 m/s 風(fēng)速下作用下, 滆湖北部湖區(qū)風(fēng)浪波高(Hs)和對(duì)湖底擾動(dòng)強(qiáng)度(半波長(zhǎng)與水深的比值, 根據(jù)波浪理論,當(dāng)半波長(zhǎng)等于水深的時(shí)候, 波浪可以擾動(dòng)到湖底, 隨著該值的增加, 表示波浪對(duì)湖底的擾動(dòng)強(qiáng)度增加, 從而引起更大強(qiáng)度的湖底懸浮發(fā)生)分布如圖6～9 所示。

圖6 地形重塑前滆湖北部湖區(qū)受東南風(fēng)4.69 m/s 作用下波高和波浪擾動(dòng)強(qiáng)度(半波長(zhǎng)與水深的比值, 下同)分布情況Fig.6 Distribution of wave height and wave disturbance intensity (the ratio of half-wavelength to water depth, the same below) in the northern part of Gehu Lake under the action of southeast wind of 4.69 m/s before the terrain remodeling

圖7 地形重塑前滆湖北部湖區(qū)受東東南風(fēng)4.44 m/s 作用下波高和波浪擾動(dòng)強(qiáng)度分布情況Fig.7 Distribution of wave height and wave disturbance intensity in the northern part of Gehu Lake under the action of SEE wind of 4.44 m/s before the terrain remodeling

圖8 地形重塑前滆湖北部湖區(qū)受西西北風(fēng)4.25 m/s 作用下波高和波浪擾動(dòng)強(qiáng)度分布情況Fig.8 Distribution of wave height and wave disturbance intensity in the northern part of Gehu Lake under the action of NWW wind of 4.25 m/s before the terrain remodeling

圖9 地形重塑前滆湖北部湖區(qū)受西北風(fēng)3.38 m/s 作用下波高和波浪擾動(dòng)強(qiáng)度分布情況Fig.9 Distribution of wave height and wave disturbance intensity in the northern part of Gehu Lake under the action of NW wind of 3.38 m/s before the terrain remodeling

整體看, 不同風(fēng)向下, 波高分布與地形變化較為一致, 水深大的區(qū)域可以形成較大的風(fēng)浪, 而波浪對(duì)湖底的擾動(dòng)強(qiáng)度則受風(fēng)浪與水深大小共同控制。

東南風(fēng)4.69 m/s 時(shí), 滆湖北部湖區(qū)形成的最大波高0.274 m, 最小波高0.047 m, 平均波高0.237 m。除近岸少部分水域風(fēng)浪較小外, 大部分水域波高均較大, 其中波高小于0.15 m 和0.20 m 的面積分別約為0.24 km2和1.11 km2, 占北部湖區(qū)面積的2.44%和11.29%。從波浪擾動(dòng)強(qiáng)度看, 全部湖區(qū)湖底均可受到風(fēng)浪擾動(dòng)影響, 擾動(dòng)強(qiáng)度大于 1.6 的水域面積約1.58 km2, 占北部湖區(qū)面積的15.9%。

東東南風(fēng)4.44 m/s 時(shí), 與東南風(fēng)下風(fēng)浪分布相似,由于風(fēng)速略小, 風(fēng)浪強(qiáng)度也有所減弱。北部湖區(qū)形成的最大波高0.259 m, 最小波高0.048 m, 平均波高0.221 m。其中波高小于0.15 m 和0.20 m 的面積分別約為0.28 km2和1.65 km2, 占北部湖區(qū)面積的2.85%和16.79%, 相較東南風(fēng)下, 由于風(fēng)速的降低, 弱風(fēng)浪條件面積有所增加。從波浪擾動(dòng)強(qiáng)度看, 北湖湖區(qū)全部湖底均可受到風(fēng)浪擾動(dòng)影響, 但擾動(dòng)強(qiáng)度大于1.6的水域面積約1.23 km2, 相較東南風(fēng)時(shí)有所減小。

冬季西西北和西北風(fēng)下, 風(fēng)速有所降低, 且相較東南、東東南風(fēng)下較長(zhǎng)的風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度, 由于受北部陸地影響, 風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度有所減小, 因此相應(yīng)的風(fēng)浪強(qiáng)度顯著減弱。

西西北風(fēng)4.25 m/s 時(shí), 北部湖區(qū)形成的最大波高0.23 m, 最小波高0.046 m, 平均波高0.183 m。波高小于0.15 和0.20 m 的面積分別約為1.80 和5.85 km2,占北部湖區(qū)面積的18.31%和59.51%。從波浪擾動(dòng)強(qiáng)度看, 擾動(dòng)強(qiáng)度相較東南風(fēng)時(shí)顯著減弱, 近岸帶附近風(fēng)浪擾動(dòng)強(qiáng)度介于1.0～1.2, 面積約1.58 km2, 占北部湖區(qū)面積的15.9%; 擾動(dòng)強(qiáng)度介于1.2～1.4 的水域面積為6.25 km2, 占北部湖區(qū)面積的63.1%; 擾動(dòng)強(qiáng)度大于1.4 的水域面積僅僅為2.07 km2, 占北部湖區(qū)面積的20.9%。

西北風(fēng)3.38 m/s 時(shí), 風(fēng)浪強(qiáng)度進(jìn)一步減小, 北部湖區(qū)形成的最大波高0.164 m, 最小波高0.043 m, 平均波高0.131 m。其中波高小于0.15 m 的面積約7.84 km2, 占北部湖區(qū)面積的79.76%。從波浪擾動(dòng)強(qiáng)度看, 西北近岸區(qū)域出現(xiàn)了風(fēng)浪擾動(dòng)強(qiáng)度小于1.0 的情況, 其面積約為0.7 km2, 僅在下風(fēng)向的東南個(gè)別區(qū)域(面積0.32 km2)存在擾動(dòng)強(qiáng)度大于1.4 的情況。

3.2 人工地形重塑實(shí)施后風(fēng)浪分布特征

人工地形重塑工程實(shí)施后, 通過(guò)多年的沖淤平衡, 滆湖北部總體處于穩(wěn)定的地形形態(tài)。在盛行風(fēng)東南風(fēng)4.69 m/s、東東南風(fēng)4.44 m/s、西西北風(fēng)4.25 m/s與西北風(fēng)3.38 m/s 風(fēng)速下作用下, 北部湖區(qū)風(fēng)浪波高和對(duì)湖底擾動(dòng)強(qiáng)度分布如圖10～13 所示。

圖10 地形重塑后滆湖北部湖區(qū)受東南風(fēng)4.69 m/s 作用下波高和波浪擾動(dòng)強(qiáng)度分布情況Fig.10 Distribution of wave height and wave disturbance intensity in the northern part of Gehu Lake under the action of SE wind of 4.69 m/s after the terrain remodeling

圖11 地形重塑后滆湖北部湖區(qū)受東東南風(fēng)4.44 m/s 作用下波高和波浪擾動(dòng)強(qiáng)度分布情況Fig.11 Distribution of wave height and wave disturbance intensity in the northern part of Gehu Lake under the action of SEE wind of 4.44 m/s before the terrain remodeling

圖12 地形重塑后滆湖北部湖區(qū)受西西北風(fēng)4.25 m/s 作用下波高和波浪擾動(dòng)強(qiáng)度分布情況Fig.12 Distribution of wave height and wave disturbance intensity in the northern part of Gehu Lake under the action of NWW wind of 4.25 m/s after the terrain remodeling

圖13 地形重塑前滆湖北部湖區(qū)受西北風(fēng)3.38 m/s 作用下波高和波浪擾動(dòng)強(qiáng)度分布情況Fig.13 Distribution of wave height and wave disturbance intensity in the northern part of Gehu Lake under the action of NW wind of 3.38 m/s after the terrain remodeling

東南風(fēng)4.69 m/s 時(shí), 北部湖區(qū)形成的最大波高0.263 m, 最小波高0.044 m, 平均波高0.209 m。由于內(nèi)部淺島影響, 風(fēng)浪成長(zhǎng)和傳播受限, 風(fēng)浪強(qiáng)度較小。其中波高小于0.15 m和0.20 m的面積約1.15 km2和4.49 km2,占北部湖區(qū)面積的8.55%和33.38%。從波浪擾動(dòng)強(qiáng)度看, 下風(fēng)向約0.4 km2的少部分水域湖底不受到風(fēng)浪擾動(dòng)影響, 大部分水域(面積8.46 km2, 占北部湖區(qū)面積的62.9%)擾動(dòng)強(qiáng)度介于1.2～1.4, 擾動(dòng)強(qiáng)度大于1.4的水域面積約2.53 km2, 占北部湖區(qū)面積的18.81%。

東東南風(fēng)4.44 m/s 時(shí), 與東南風(fēng)下風(fēng)浪分布相似,由于風(fēng)速略小, 風(fēng)浪強(qiáng)度也進(jìn)一步減弱。北部湖區(qū)形成的最大波高0.242 m, 最小波高0.044 m, 平均波高0.188 m。其中波高小于0.15 m 和0.20 m 的面積約2.03 km2和7.43 km2, 占北部湖區(qū)面積的15.09%和55.24%。從波浪擾動(dòng)強(qiáng)度看, 少量湖區(qū)(面積0.62 km2,占北部湖區(qū)面積的4.61%)湖底可不受風(fēng)浪擾動(dòng)影響;61.04%的水域面積擾動(dòng)強(qiáng)度介于1.2～14, 與東南風(fēng)時(shí)基本持平; 擾動(dòng)強(qiáng)度大于1.4 的水域面積約0.83 km2,相較東南風(fēng)時(shí)面積有一定程度的減小。

冬季西西北和西北風(fēng)下, 風(fēng)速有所降低, 同時(shí)受北部陸地和內(nèi)部淺島影響, 風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度有所減小, 相應(yīng)的風(fēng)浪強(qiáng)度顯著減弱。

西西北風(fēng)4.25 m/s 時(shí), 北部湖區(qū)形成的最大波高0.22 m, 最小波高0.043 m, 平均波高0.171 m。波高小于0.15 m 和0.20 m 的面積約3.44 km2和10.32 km2,占北部湖區(qū)面積的25.58%和76.73%。從波浪擾動(dòng)強(qiáng)度看, 西北部近岸帶少部分水域(面積0.86 km2, 占北部湖區(qū)面積的6.39%)湖底未受波浪擾動(dòng), 約90%的水域面積風(fēng)浪擾動(dòng)強(qiáng)度介于1.0～1.4, 僅個(gè)別水域(面積約0.42 km2, 占北部湖區(qū)面積的3.12%)擾動(dòng)強(qiáng)度大于1.4。

西北風(fēng)3.38 m/s 時(shí), 風(fēng)浪強(qiáng)度進(jìn)一步減小, 北部湖區(qū)形成的最大波高0.148 m, 最小波高0.040 m, 平均波高0.118 m。從波浪擾動(dòng)強(qiáng)度看, 西北部水域湖底呈現(xiàn)不被風(fēng)浪擾動(dòng)形態(tài), 弱擾動(dòng)(擾動(dòng)強(qiáng)度 1.0～1.2)、未擾動(dòng)(擾動(dòng)強(qiáng)度小于1.0)區(qū)域合計(jì)13.14 km2,占北部湖區(qū)面積的97.7%, 整個(gè)湖區(qū)風(fēng)浪處于較弱的狀態(tài)。

3.3 地形重塑工程對(duì)風(fēng)浪的影響分析

對(duì)比工程實(shí)施前后, 不同盛行風(fēng)條件下, 滆湖北部湖區(qū)風(fēng)浪均有較大程度的變化。

工程實(shí)施后, 夏季東南風(fēng)4.69 m/s 時(shí)湖區(qū)平均波高由0.237 m 減小至0.209 m, 風(fēng)浪平均削減11.81%;波高小于0.20 m 的湖區(qū)面積由1.11 km2(面積占比11.29%)增加至4.49 km2(面積占比33.38%); 波高小于0.15 m 的湖區(qū)面積由0.24 km2(面積占比2.44%)增加至1.15 km2(面積占比8.55%)。夏季東東南風(fēng)4.44 m/s 時(shí)湖區(qū)平均波高由0.221 m 減小至0.188 m,風(fēng)浪平均削減14.93%; 波高小于0.20 m 的湖區(qū)面積由1.65 km2(面積占比16.79%)增加至7.43 km2(面積占比55.24%); 波高小于0.15 m 的湖區(qū)面積由0.28 km2(面積占比2.85%)增加至2.03 km2(面積占比15.09%)。

工程實(shí)施后, 冬季西西北風(fēng)4.25 m/s 時(shí)湖區(qū)平均波高由0.183 m 減小至0.171 m, 風(fēng)浪平均削減6.56%;波高小于0.20 m 的湖區(qū)面積由5.85 km2(面積占比59.51%)增加至10.32 km2(面積占比76.73%); 波高小于0.15 m 的湖區(qū)面積由1.80 km2(面積占比18.31%)增加至3.44 km2(面積占比25.58%)。冬季西北風(fēng)3.38 m/s 時(shí)湖區(qū)平均波高由0.131 m 減小至0.118 m,風(fēng)浪平均削減9.92%; 波高小于0.15 m 的湖區(qū)面積由7.84 km2(面積占比79.76%)增加至13.45 km2(面積占比100%)。

對(duì)比工程實(shí)施前(圖6～9)和實(shí)施后(圖10～13)風(fēng)浪擾動(dòng)強(qiáng)度圖, 可以看出, 工程實(shí)施后未擾動(dòng)、弱擾動(dòng)的湖區(qū)面積明顯擴(kuò)大, 而較強(qiáng)(擾動(dòng)強(qiáng)度1.4～1.6)、強(qiáng)擾動(dòng)(擾動(dòng)強(qiáng)度大于1.6)的湖區(qū)則顯著減少。

4 討論

4.1 風(fēng)浪狀況改善積極效益分析

淺水湖泊相對(duì)波高和相對(duì)波長(zhǎng)越大, 非線性作用越大, 當(dāng)半波長(zhǎng)與水深比為1～1.5, 湖床以表面侵蝕為主, 當(dāng)半波長(zhǎng)與水深比大于1.5 時(shí), 湖床以侵蝕為主, 底泥大規(guī)模懸浮、上覆水體濁度升高, 透明度明顯下降(Wuetal, 2016)。波浪也是限制水生植被分布區(qū)域的重要因素(Istvánovicsetal, 2008; Angradietal,2013)。太湖多年調(diào)查發(fā)現(xiàn), 有效波高＜0.05 m 的水體植被覆蓋度99%以上, 有效波高＜0.10 m 水體植被覆蓋度達(dá)87.5%。隨著波浪強(qiáng)度增加, 水生植被物種數(shù)量和生物量急劇下降, 有效波高＞0.24 m時(shí)水體植被物種數(shù)量下降到2 種, 為馬來(lái)眼子菜和狐尾藻, 最大生物量0.13 kg/m2。由此可知, 良好的風(fēng)浪生境條件將有利于淺水湖泊透明度的提升, 水生植被的生長(zhǎng)和恢復(fù)。

當(dāng)半波長(zhǎng)與水深比值大于1.5 時(shí), 湖底會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的擾動(dòng), 導(dǎo)致侵蝕產(chǎn)生。人工地形重塑實(shí)施前, 夏季東南風(fēng)4.69 m/s 和東東南風(fēng)4.44 m/s 作用下, 北部湖區(qū)湖底平均擾動(dòng)強(qiáng)度分別為1.56 和1.53, 湖底會(huì)受到強(qiáng)烈侵蝕, 從而引起湖體懸浮物含量增加, 透明度降低, 不利于水生植物光合作用的發(fā)生, 從而對(duì)水生植物生長(zhǎng)與發(fā)展產(chǎn)生不利影響; 人工地形重塑實(shí)施后, 夏季盛行風(fēng)作用下, 北部區(qū)域湖底平均擾動(dòng)強(qiáng)度分別為1.30 和1.24, 較工程實(shí)施前分別降低了17%和19%, 平均擾動(dòng)強(qiáng)度降至1.5 以下, 從而減弱了湖底侵蝕的發(fā)生, 有利于水體透明度的改善, 形成適宜水生植物生長(zhǎng)的環(huán)境。

當(dāng)有效波高小于0.24 m 時(shí), 有利于水生植被的生存。 滆湖夏季水生植被存活期間, 盛行東南風(fēng), 人工地形重塑實(shí)施前, 東南風(fēng)4.69 m/s 風(fēng)速下波高小于0.24 m 的面積約為 3.67 km2, 占北部湖區(qū)面積的37.33%, 而實(shí)施了地形重塑方案后, 波高小于0.24 m的面積增加至 10.31 km2, 占北部湖區(qū)面積的76.65%。東東南風(fēng)4.44 m/s 時(shí), 由于風(fēng)速?gòu)?qiáng)度的降低,風(fēng)浪強(qiáng)度總體較東南風(fēng)有所降低, 有利于水生植被生存的風(fēng)浪環(huán)境面積由地形重塑前的8.19 km2提高到了13.37 km2, 風(fēng)浪條件改善的湖區(qū)面積提升顯著。通過(guò)以上對(duì)比可知, 人工地形重塑措施的實(shí)施為北部湖區(qū)風(fēng)浪環(huán)境帶來(lái)了大幅度的提升。

4.2 地形再優(yōu)化建議

滆湖北部湖區(qū)通過(guò)沿江高速處淺島和內(nèi)部大小不一的淺島的消風(fēng)減浪作用后, 整個(gè)北部湖區(qū)風(fēng)浪狀況較整治前明顯好轉(zhuǎn), 弱風(fēng)浪區(qū)范圍和擾動(dòng)強(qiáng)度均有大范圍擴(kuò)大。

目前 滆湖北部地形(圖4)顯示, 內(nèi)部淺島主要分布在湖西部和武南河入湖口西側(cè)的水域, 整個(gè)湖區(qū)中部和東部的大部分水域仍為開(kāi)闊狀態(tài), 在盛行風(fēng)東南風(fēng)和西西北風(fēng)下, 會(huì)在湖中部和湖東南部產(chǎn)生較大風(fēng)浪, 為此我們推薦設(shè)置如圖14 中紅色區(qū)域所示的水下淺灘, 由此來(lái)削減北部湖區(qū)中部風(fēng)浪強(qiáng)度,淺灘頂高程為3.27 m (平均水位下0.1 m), 面積約10.5 萬(wàn) m2。

圖14 滆湖北部地形重塑優(yōu)化方案Fig.14 Optimization plan for terrain reshaping in the northern part of Gehu Lake

淺灘增設(shè)后, 盛行風(fēng)東南風(fēng)4.69 m/s 和西西北風(fēng)4.25 m/s 作用下, 波高分布和波浪擾動(dòng)強(qiáng)度如圖15～16所示。北部湖區(qū)中部水域平均有效波高由0.249 m 和0.188 m 分別衰減為0.211 m 和0.165 m, 中部水域平均湖底擾動(dòng)強(qiáng)度由1.39 和1.20 分別衰減為1.31 和1.17, 可以看出增設(shè)淺灘后可以有效削減湖中部風(fēng)浪強(qiáng)度和擾動(dòng), 為進(jìn)一步的生態(tài)修復(fù)措施提供條件。

圖15 地形重塑優(yōu)化后滆湖北部湖區(qū)受東南風(fēng)4.69 m/s 作用下波高和波浪擾動(dòng)強(qiáng)度分布情況Fig.15 Distribution of wave height and wave disturbance intensity in the northern part of Gehu Lake under the action of SE wind of 4.69 m/s after optimization of terrain remodeling scheme

圖16 地形重塑優(yōu)化后滆湖北部湖區(qū)受西西北風(fēng)4.25 m/s 作用下波高和波浪擾動(dòng)強(qiáng)度分布情況Fig.16 Distribution of wave height and wave disturbance intensity in the northern part of Gehu Lake under the action of NWW wind of 4.25 m/s after optimization of terrain remodeling scheme

5 結(jié)論

風(fēng)浪作為淺水湖泊重要的水動(dòng)力條件, 對(duì)湖泊的物理環(huán)境變化起著重要的作用。本文采用數(shù)值模擬手段, 開(kāi)展了 滆湖北部人工地形重塑前后風(fēng)浪場(chǎng)的變化研究, 結(jié)果表明: 滆湖北部地形重塑工程實(shí)施后,湖區(qū)面積增加, 水深增大, 在沿江高速區(qū)域、武南河河口西側(cè)以及中部湖區(qū)建設(shè)了大量淺島(潛灘), 綜合效應(yīng)看, 不同季節(jié)盛行風(fēng)下, 風(fēng)浪強(qiáng)度均有一定程度的衰減。夏季盛行風(fēng)東南風(fēng) 4.69 m/s 和東東南風(fēng)4.44 m/s 作用時(shí), 北部湖區(qū)平均有效波高分別衰減11.81%和14.93%, 湖底平均擾動(dòng)強(qiáng)度分別降低17%和19%, 有利于水生植被生存的水域面積(有效波高小于0.24 m)分別增加至10.31 km2和13.37 km2。冬季盛行風(fēng)西西北風(fēng)4.25 m/s 和西北風(fēng)3.38 m/s 作用時(shí),北部湖區(qū)平均有效波高分別衰減11.81%和14.93%,湖底平均擾動(dòng)強(qiáng)度分別降低6.56%和9.92%, 湖底平均擾動(dòng)強(qiáng)度分別降低9.8%和10.3%。

人工地形重塑的實(shí)施, 減弱了 滆湖北部湖區(qū)風(fēng)浪強(qiáng)度, 削弱了風(fēng)浪對(duì)湖底的擾動(dòng)強(qiáng)度, 將有利于水體透明度的改善和形成有利于水生植被修復(fù)的風(fēng)浪生境條件, 為水生植被的修復(fù)提供了良好的物理生境條件。