北麻漾湖泊形態(tài)調(diào)整與水流數(shù)值模擬分析

張榮貴，覃春?jiǎn)蹋姇曾P

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

湖泊地底和岸線形態(tài)特征是表征湖泊自身特征重要的因素，決定湖泊功能、生態(tài)系統(tǒng)以及周邊用地布局，從而影響著湖泊的健康發(fā)展［1］。依據(jù)健康湖泊的內(nèi)涵，湖泊應(yīng)具備合理的岸線形態(tài)。湖泊岸線形態(tài)應(yīng)自然流暢［2］，死水區(qū)、環(huán)流區(qū)較少；湖體內(nèi)水流聯(lián)系強(qiáng)，河湖保持良好的連通性和完整性。然而受社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，湖泊面臨著環(huán)境污染和生態(tài)破壞的雙重危機(jī)。這種危機(jī)表現(xiàn)在湖泊保護(hù)與開發(fā)利用方面存在重開發(fā)、輕保護(hù)，重經(jīng)濟(jì)、輕生態(tài)的傾向，忽視了湖泊開發(fā)的整體性，影響了湖泊保護(hù)的效果，導(dǎo)致湖泊空間及其生態(tài)環(huán)境受人類活動(dòng)影響日趨嚴(yán)重。目前國(guó)內(nèi)湖泊研究課題集中在湖泊水質(zhì)［3］、周邊環(huán)境［4］和景觀空間建設(shè)［5］的研究，對(duì)湖泊形態(tài)的研究?jī)?nèi)容較少。鑒于此，本文通過對(duì)吳江市北麻漾形態(tài)調(diào)整和相關(guān)水流數(shù)值分析，科學(xué)合理地對(duì)北麻漾形態(tài)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，使之滿足城市的發(fā)展和景觀建設(shè)的要求。

1 研究區(qū)概況

北麻漾位于吳江市浦南地區(qū)中心，地處震澤、平望、盛澤三鎮(zhèn)交匯處，具有十分重要的地理位置，影響著三鎮(zhèn)甚至浦南地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。北麻漾面積約9.88 km2，平均湖底高程0.8 m。北麻漾屬杭嘉湖水系片區(qū)，雨量充沛，年平均溫度為14.9～15.7℃，平均降水量為1 016 mm，平均水深2.5 m，最深處5 m左右，屬吞吐型、雨源型湖泊。北麻漾主要通過寺港、雙陽(yáng)港、直港、總善橋港、南塘港、川橋港、上下蕩等河流湖蕩與周邊水系溝通聯(lián)系（見圖1）。

圖1 北麻瀾水系

北麻漾位于吳江市浦南地區(qū)的中心地帶，區(qū)域城市化發(fā)展速度較快，特別是北麻漾西側(cè)將是震澤鎮(zhèn)未來城鎮(zhèn)發(fā)展的核心區(qū)域。一方面城鎮(zhèn)發(fā)展對(duì)濱水區(qū)空間有著較大的需求，另一方面城鎮(zhèn)發(fā)展也會(huì)對(duì)湖泊保護(hù)產(chǎn)生一定的壓力，某些湖區(qū)現(xiàn)狀岸線的過度曲折極大地增加了陸域與湖泊水體的接觸范圍，使之成為入湖污染源增加的重要因素。北麻漾湖底底泥面積見表1。

2 現(xiàn)狀水流數(shù)值模擬

本次研究運(yùn)用 EFDC（The Environmental Fluid Dynamics Code）模型，該模型是由威廉瑪麗大學(xué)維吉尼亞海洋科學(xué)研究所（VIMS，Virginia Institute of Marine Science at the College of William and Mary）的John Hamrick等人開發(fā)的三維地表水水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)河流、湖泊、水庫(kù)、濕地系統(tǒng)、河口和海洋等水體的水動(dòng)力學(xué)和水質(zhì)模擬，是一個(gè)多參數(shù)有限差分模型。該模型系統(tǒng)包括水動(dòng)力、泥沙、有毒物質(zhì)、水質(zhì)、底質(zhì)、風(fēng)浪等模塊，模擬計(jì)算過程中首先完成流場(chǎng)計(jì)算，獲得三維流速場(chǎng)的時(shí)空分布特征，在此基礎(chǔ)上計(jì)算泥沙遷移、沖淤作用，進(jìn)而模擬受黏性泥沙吸附影響的各水質(zhì)變量動(dòng)態(tài)變化過程。本文主要利用模型中的水動(dòng)力、風(fēng)浪模塊［6］。

由于吳江四季分明，屬北亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候，年平均風(fēng)速3.2 m／s，常年夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，故在設(shè)置預(yù)測(cè)方案時(shí)考慮了東南風(fēng)、西北風(fēng)和無風(fēng)三種風(fēng)向，風(fēng)速考慮了常年平均風(fēng)速3.2 m／s、5m／s、無風(fēng)三種情況。

具體預(yù)測(cè)方案共分為四種。方案一：東南風(fēng)，風(fēng)速3.2 m／s，現(xiàn)狀出入湖流量；方案二：西北風(fēng)，風(fēng)速3.2 m／s，現(xiàn)狀出入湖流量；方案三：東南風(fēng)，風(fēng)速5m／s，現(xiàn)狀出入湖流量；方案四：西北風(fēng)，風(fēng)速5m／s，現(xiàn)狀出入湖流量。

現(xiàn)狀主要出入湖河道流量主要為寺港，20 m3／s；雙陽(yáng)港，35 m3／s；總善橋港，38 m3／s；直港，38 m3／s；出湖河道中南塘港，23 m3／s；川橋港，108m3／s。

通過對(duì)不同計(jì)算結(jié)果的分析比較可知，模型在8 d后能夠計(jì)算穩(wěn)定。為了了解不同條件下北麻漾流場(chǎng)的模擬過程，現(xiàn)對(duì)四種預(yù)測(cè)方案10 d的流場(chǎng)圖進(jìn)行分析比較（見圖2）。

表1 北麻漾湖區(qū)不同深度底泥面積及蓄積量統(tǒng)計(jì)

圖2 各方案水流數(shù)值模擬

通過模擬計(jì)算的流場(chǎng)圖可以看出，北麻漾現(xiàn)狀水流流場(chǎng)整體較穩(wěn)定，在湖泊西北角局部有微弱的滯留循環(huán)，西南角有較強(qiáng)的環(huán)流。而由于寺港相對(duì)于其他河流的流量較小，對(duì)北麻漾流場(chǎng)的影響較小，使得北麻漾西北部區(qū)域流速較緩慢。北麻漾作為北排通道的節(jié)點(diǎn)，排水通暢是其重要的保障，而現(xiàn)狀淤積情況嚴(yán)重影響了其排洪蓄水的功能，因此北麻漾進(jìn)行湖泊形態(tài)的調(diào)整十分必要。對(duì)北麻漾現(xiàn)狀水流數(shù)值模擬進(jìn)行分析，明確湖泊內(nèi)部水流方向、流場(chǎng)強(qiáng)弱，以及影響湖泊流場(chǎng)的相關(guān)因素，為湖泊形態(tài)調(diào)整、岸線整治以及生態(tài)景觀布局提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)支撐。

3 規(guī)劃水流數(shù)值分析

為了使北麻漾更好地發(fā)揮其調(diào)蓄功能，同時(shí)提供更加有利于湖泊水生動(dòng)植物生長(zhǎng)的水體環(huán)境，本次規(guī)劃對(duì)北麻漾湖區(qū)進(jìn)行全面清淤。

岸線形態(tài)調(diào)整和用地布局勢(shì)必會(huì)對(duì)湖泊流態(tài)造成影響。為了使用地布局對(duì)湖泊流場(chǎng)的影響減小到最低、布置合理，用地調(diào)整布置應(yīng)遵循以下原則：盡量少占水面、避開行水通道、形態(tài)合理、改善區(qū)域水流循環(huán)。為了驗(yàn)證北麻漾湖泊形態(tài)調(diào)整方案的科學(xué)合理性，對(duì)北麻漾在規(guī)劃岸線及規(guī)劃湖底地形條件下，以及不同風(fēng)速風(fēng)向影響下的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬（見圖3）。規(guī)劃后北麻漾出入湖流量為：寺港20 m3／s；雙陽(yáng)港 35 m3／s；總善橋港 38 m3／s；直港38 m3／s；新開河道 40 m3／s。出湖河道為：南塘港86 m3／s；川橋港 85 m3／s。規(guī)劃后的水流模擬預(yù)測(cè)條件與現(xiàn)狀模擬時(shí)基本保持一致，具體預(yù)測(cè)方案共分為五種。方案一：東南風(fēng)，風(fēng)速3.2 m／s，無出入湖流量；方案二：西北風(fēng)，風(fēng)速3.2 m／s，無出入湖流量；方案三：東南風(fēng)，風(fēng)速5 m／s，規(guī)劃出入湖流量；方案四：西北風(fēng)，風(fēng)速5 m／s，規(guī)劃出入湖流量；方案五：無風(fēng)條件，規(guī)劃出入湖流量。

通過對(duì)不同計(jì)算結(jié)果的分析比較可知，模型在8 d后能夠計(jì)算穩(wěn)定。現(xiàn)給出不同方案下模型計(jì)算10 d的流場(chǎng)圖（見圖4）。

通過模擬計(jì)算的流場(chǎng)圖可以看出，北麻漾通過岸線形態(tài)調(diào)整，岸線的調(diào)整使得北麻漾規(guī)劃后整個(gè)湖泊水體流動(dòng)性較規(guī)劃前明顯加快，湖泊與外界進(jìn)行水體交換的周期縮短，且行洪蓄水的能力加強(qiáng)，使北排通道的暢流得到保障。

圖3 北麻漾網(wǎng)格湖底高程規(guī)劃

圖4 各規(guī)劃方案數(shù)值模擬

將北麻漾面積網(wǎng)格化，對(duì)每個(gè)單元格進(jìn)行編號(hào)計(jì)算，用于分析北麻漾的現(xiàn)狀與規(guī)劃流速變化情況。本文將方案一的情況作為對(duì)比分析結(jié)果，見表2。

4 規(guī)劃措施及效果評(píng)價(jià)

湖底的生態(tài)清淤、岸線的調(diào)整使得北麻漾規(guī)劃后整個(gè)湖泊水體流動(dòng)性較規(guī)劃前明顯加快，湖泊與外界進(jìn)行水體交換的周期縮短，且行洪蓄水的能力加強(qiáng)，使北排通道的暢流得到保證。在入湖河口并靠近現(xiàn)狀島嶼位置的流速有所增加，如表2中節(jié)點(diǎn)30、31、32處。而湖中島嶼的構(gòu)建從一定程度上改變了北麻漾的流場(chǎng)，使得寺港對(duì)北麻漾流場(chǎng)的影響加大，由表2和圖4可以看出北麻漾西北部水流流動(dòng)加強(qiáng)，如表2節(jié)點(diǎn)40、41處，且北麻漾主流線的流速，如節(jié)點(diǎn)8、9、44等處，水流速度也加快。而靠近北麻漾岸邊的流速有所減小，使得水流對(duì)護(hù)岸的沖刷減小。

雖然水流流速減小，但其對(duì)護(hù)岸和島嶼仍有一定的沖刷，需對(duì)島嶼周邊進(jìn)行護(hù)岸建設(shè)以穩(wěn)定島嶼，同時(shí)對(duì)近水岸排泥場(chǎng)、出入湖處的岸線在兼顧生態(tài)效應(yīng)的前提下，進(jìn)行岸線加固與保護(hù)，以防止水流對(duì)其沖刷。

由于北麻漾水面寬廣，缺乏視覺層次，湖中排泥島利用不同的水生植物，既從生態(tài)上改善北麻漾水環(huán)境，又從景觀上豐富了單一的水面。而近水岸排泥場(chǎng)也因其“灘涂濕地”的效果，有助于減緩水流對(duì)岸邊的沖刷，有利于污染物和雜物的沉淀稀釋，凈化湖泊水質(zhì)，排泥場(chǎng)濕地景觀性水生植物的種植也使北麻漾的景觀更加豐富，為今后將濕地作為教育、科研、景觀、游憩等場(chǎng)所的發(fā)展做好準(zhǔn)備。

規(guī)劃之后的岸線發(fā)育系數(shù)［7］雖然較之前有所降低，但岸線調(diào)整并沒有減少湖面面積，只是在區(qū)域范圍內(nèi)達(dá)到土地整合，規(guī)劃之后的岸線更加適宜周邊土地的開發(fā)利用和景觀的建設(shè)。

表2 流場(chǎng)模擬3.2 m／s東南風(fēng)作用下規(guī)劃前后流速變化

5 結(jié)論與展望

本文運(yùn)用EFDC三維模擬在湖泊前期規(guī)劃設(shè)計(jì)中針對(duì)水量、水質(zhì)、泥沙、水溫等的模擬，起到了前瞻性研究作用，所需要的參數(shù)獲取較為容易，成果與實(shí)際過程較為匹配，具有一定參考性。

湖泊前期規(guī)劃設(shè)計(jì)中，流場(chǎng)分析能夠反映湖泊換水能力、泥沙攜帶能力與水質(zhì)保障能力，本文運(yùn)用EFDC三維模擬，針對(duì)湖泊的自身形態(tài)做了平面和立面的優(yōu)化調(diào)整，量化了形態(tài)調(diào)整的重要作用和效果，為后期設(shè)計(jì)做了重要支撐。

湖泊水環(huán)境改善除了關(guān)注洪澇問題和水質(zhì)問題以外，湖泊自身生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展與維持也越來越重要。在能預(yù)測(cè)湖泊未來的發(fā)展演變趨勢(shì)的基礎(chǔ)上開展前期規(guī)劃設(shè)計(jì)，逐漸形成湖泊自身生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，削弱人為干擾的影響，借助和運(yùn)用模型這種重要的支撐手段，通過實(shí)際案例的驗(yàn)證，逐漸推進(jìn)科學(xué)化開展水環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要路徑。