退圩還湖后湖泊水動力條件分析
----以蜈蚣湖為例

王 俊，王軼虹，王 強，高士佩，王冬梅，梁文廣

(1.江蘇省水利科學研究院，南京，210017；2.南京慧水軟件科技有限公司，南京 210036)

江蘇省里下河湖區是由零星分散的湖泊湖蕩組成的湖泊群，區內地勢低洼平坦，溝、河縱橫交錯，湖蕩星羅棋布，由于里下河湖區經歷了20世紀50-70年代以農業圍墾為主和80年代以養殖為主的兩次大規模開發，導致目前湖泊湖蕩基本無自由水面，主要以圩區形式存在[1-3]，湖泊湖蕩由于盲目過度開發，引起區域河湖防洪排澇、供水灌溉能力嚴重下降，水生態環境退化，產生了一系列嚴重的水資源、水生態和水環境問題[4]。實施退圩還湖工程，恢復水體自由水面，提高湖區蓄滯洪能力，修復湖區水生態環境，已成為里下河湖區目前亟待解決的問題[5,6]。

對湖體面積較小的湖泊而言，湖泊水動力條件決定了湖泊的流態和流速，因為水流不暢、換水周期過長易造成生態水質惡化，湖體對污染物的凈化能力變差，最終導致湖體水質惡化，危及湖泊生態環境[7,8]。由于里下河湖區地勢低洼，河道比降小，水流流速緩慢，同時地區內水利控制建筑物較多，河網自身水動力條件較差，退圩還湖實施后成湖區的水動力條件就成為關鍵問題，湖泊的水動力特征直接影響到湖泊的水質和生態環境[9,10]，而湖泊水動力條件取決于退后湖泊的面積和形態，研究退圩還湖后湖泊的水動力特征對分析退圩還湖方案的合理性，退圩還湖工程是否具有操作性具有理論和現實意義。本文以里下河湖區中的蜈蚣湖為例，利用里下河河網水動力模型模擬退圩還湖后不同水位狀態下的湖體流場與流速分布、換水過程和周期，分析退圩還湖后湖泊的水動力條件。本研究可為退圩還湖工程的實施提供理論和技術支撐，一定程度上減少退圩還湖方案的盲目性和隨意性。

1 研究區概況

里下河湖區位于江蘇省里下河腹部低洼地區，為淺水湖泊，由41個零散湖群組成，蜈蚣湖是里下河湖區中一個湖泊，位于興化市北部，與大縱湖南北相對(圖1)，隸屬于中堡鎮、缸顧鄉、興東鎮3個鄉鎮。蜈蚣湖形狀像如意，總保護面積30.009 km2，其中蜈蚣湖北部保護面積23.254 km2，共有3個滯澇圩，第一批滯澇圩2個，保護面積22.335 km2，第二批滯澇圩1個，保護面積0.919 km2。蜈蚣湖南蕩保護面積6.755 km2，共有2個滯澇圩，第一批滯澇圩1個，保護面積4.698 km2，第三批滯澇圩1個，保護面積2.057 km2。蜈蚣湖地勢低下，水系發達，周圍大小湖蕩棋布，湖水依賴地表徑流和湖面降水補給[1]。出入湖大小河流有14條，主要河流有鯉魚河、輪船河、大溪河、洋汊河、陸甸東大河、中莊河、戚家河、斜河、土橋河、中引河上段(大丁溝)、劉家河、東大河、龍王河、中引河下段，湖蕩附近的河道主要有上官河、下官河、劉家溝、海溝河等，其中上官河、下官河為江蘇省里下河地區五縱六橫骨干河網的一部分，下官河為里下河腹部地區一級行水通道，劉家溝、海溝河、中引河、鯉魚河為里下河腹部地區二級行水通道。蜈蚣湖納、烏巾蕩、平旺湖等湖沼水網區來水，調蓄后經中引河、鯉魚河北泄大縱湖(圖2)。

圖1 蜈蚣湖位置示意圖Fig.1 The location of Wugong lake in Jiangsu province

圖2 蜈蚣湖周邊水系圖Fig.2 The river system around Wugong lake

蜈蚣湖經過20世紀50-70年代農業圍墾和80年代圈圩養殖兩次大規模開發，目前，滯澇圩基本無自由水面，主要以圩區形式存在，主要是副業圩和農業圩，以養殖為主，少量種植，圩區內還有少量居民點和光伏項目(圖3)。

圖3 蜈蚣湖現狀開發利用影像圖Fig.3 The utilization map of Wugong lake

2 蜈蚣湖退圩還湖方案

2.1 排泥場布置方案

通過清退蜈蚣湖圩區內的魚塘、農田及圩埂、格埂，恢復蓄水水面21.457 km2；在原湖蕩保護范圍內布置19個排泥場(圖4)，總面積8.552 km2，包括3個島嶼，面積1.948 km2，合理堆高排泥場，調整岸線，保護湖泊形態。

圖4 蜈蚣湖退圩還湖后效果圖Fig.4 Layout of dump area and topographic map of Wugong lake

2.2 疏浚、開挖河道工程

為了保證成湖后南北向水系溝通，對鯉魚河和中引河部分河段進行疏浚；退圩還湖后，劉家河和洋汊河將改道到16號、17號和18號排泥場的兩側，并對河道進行相應挖深，以保證東西向水系的溝通；退圩還湖后，為保證成湖后的湖區北部和南部水系的溝通，擬在2號和19號排泥場之間挖一條河底高程-3.0 m，斷面寬100 m的行水通道，與輪船河連通，溝通最北端成湖后的湖區和南部大湖區。

蜈蚣湖退圩還湖后主要出入湖河道有大溪河、鯉魚河、中引河、戚家河、輪船河、劉家溝等，其中劉家溝、中引河、鯉魚河為里下河腹部地區二級行水通道，退圩還湖后蜈蚣湖通過中引河與平旺湖、大縱湖溝通了南北向水系，通過鯉魚河與大縱湖溝通南北向水系，通過輪船河與骨干河道上官河溝通東西向水系。

2.3 湖底地形重塑

考慮適宜水生植物生長、保護湖底地形形態等因素，確定蜈蚣湖成湖區湖底平均高程為-1.5 m，湖中心區域水深控制在3.5 m左右，湖中間較窄地帶水深控制在4.5 m左右，湖底地形從岸邊到中心按緩坡狀布置，最深處水深約為5.0 m。16號、17號、18號、19號排泥場兩側及5號和10號排泥場之間，考慮到湖水南北向和東西向的溝通和流動，湖底高程挖深到-3.0～-4.0 m(圖4)。退圩還湖后，常水位水深控制在2.5 m，最深處5.0 m左右，成湖后湖底高程見圖4。由地形高程示意圖可以看出蜈蚣湖周邊以湖心島嶼邊界地勢較高，湖體為狹長狀，中部水深遠大于邊界處，南部的蜈蚣湖南蕩地勢也較高。

3 材料與方法

模型計算方案采用聯立里下河河網水動力模型及閘泵水利工程調度實施方案[11-13]，設置蜈蚣湖退圩還湖后計算專題。蜈蚣湖采用行蓄洪區二維模型，周邊河道采用河道一維模型，河湖連接處采用控制工程進行連接。利用退圩還湖后蜈蚣湖的地形邊界建立蜈蚣湖二維模型，覆蓋50 m×50 m網格，入湖處以閘與周邊河道相連接，堰閘處保證河湖聯通，不進行水量控制。選取蜈蚣湖出入湖及周邊的輪船河、劉家河、陸甸東大河、中莊河、戚家河、斜河、土橋河、中引河、洋汊河、東大河、鯉魚河、大溪河(圖2)，將這些河流概化為河道一維模型，與原里下河分區概化節點進行連接，嵌套里下河河網模型進行區域下墊面的分配[14-16]，控制節點為興化水位站點。

根據里下河歷史水文資料，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。模擬過程截取了2003年5月31日 ～ 2003年8月1日包含了一個大的洪水漲落過程的水文區間，常水位從2003年5月31日開始進行統計，次洪高水位下的來水組成選取2003年6月29日至2003年8月1日整個大的次洪過程進行來水組成進行統計計算。采用大水年計算可以更顯著地反映湖泊形態變化對流態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進行模擬。

4 結果及討論

4.1 水深流速分布

由計算過程線取2003年5月31日 01∶00∶00時刻為常水位過程顯示點(興化水位：1.014 m)，繪制退圩還湖后常水位下蜈蚣湖流速和水深分布圖(圖5)。根據模擬結果(表1)，常水位下，全湖區平均流速0.16 m/s，50%湖區流速小于0.11 m/s，75%湖區流速小于0.2 m/s，湖區北部和中部呈狹長狀水域流速較大，最大流速1.57 m/s，出現在湖區北部，南北兩側以及靠近湖區界處流速較??；從水深來看，常水位時，整個湖區平均水深2.5 m，最大水深4.6 m，北部湖區水體較深，南部湖區水深相對較淺。在常水位下湖體水流順暢，由于對島嶼之間的行水通道進行了挖深，北部堆積的3個個島嶼并未阻礙湖區的水體交換。

圖5 退圩還湖后常水位下蜈蚣湖流速和水深分布圖Fig. 5 Velocity distribution map at normal water level of Wugong lake

取2003年6月29日 15∶00∶00時刻為起漲水位點(興化水位：0.934 m)，繪制退圩還湖后蜈蚣湖起漲點流速和水深分布圖(圖6)。模擬結果(表1)表明起漲點水位與常水位時的流速和水深分布特征一致，都呈現出湖區北部和中部狹長狀水域流速較大，南北兩側以及靠近湖區界處流速較小。起漲點時整個湖區的流速平均值0.09 m/s，最大值1.44 m/s，出現在16號和17號島嶼之間，此時整個湖區水體仍可保持順暢流動。此刻，整個湖區水深平均值2.4 m，最深處4.0 m。

圖6 退圩還湖后蜈蚣湖起漲點流速和水深分布圖Fig.6 Velocity distribution map at starting point of Wugong lake

取2003年7月11日 05:00:00時刻為最高水位點(興化水位：2.827m)，繪制退圩還湖后處于最高水位點時蜈蚣湖流速和水深分布圖(圖7)，統計模擬結果(表1)。高水時刻蜈蚣湖整個湖區水流流速顯著增大，平均流速0.26 m/s，50%湖區的流速超過0.17 m/s，70%湖區流速大于0.30 m/s，湖區北部、中部狹長區域流速較大，最大值出現在湖區最北端，流速為2.4 m/s，流速較小的區域集中于邊界，北部筑島湖區水流順暢。從水深來看，整個湖區水深平均值為4.4 m，最大值6.0 m，高水時刻湖水較深。

圖7 退圩還湖后處于最高水位點時蜈蚣湖流速和水深分布圖Fig.7 Velocity distribution map at highest water level of Wugong lake

圖8 退圩還湖后退水時刻蜈蚣湖流速和水深分布圖Fig. 8 Velocity distribution map in drainage process of Wugong lake

取2003年7月15日 16∶00∶00時刻為退水過程點(興化水位：2.405 m)，繪制退圩還湖后退水時刻蜈蚣湖流速和水深分布圖(圖8)。模擬結果(表1)表明，退水時整個湖區的平均流速為0.16 m/s，退水過程中，湖區北部水流流速減小，北部和中部狹長區域的流速在0.4～0.8 m/s之間，幾個島嶼之間的水流流速相對湖區其他區域仍較大，退水過程整個湖區水體仍可順暢流動。退水時，整個湖區平均水深4.0 m，最深處5.6 m，仍出現在湖區北部。

模擬結果表明，蜈蚣湖退圩還湖后，不同水位時刻，湖區水流都可以保持流動，成湖區水流順暢，不易形成淤積，有利于湖泊生態環境的改善。從湖區不同區域來看，退后蜈蚣湖北部區域水流流速較小，通常在滯洪流量較大時湖水才會順暢流動，在湖體中部區域水深較大處流速較大，水流順暢，南部湖區水下地形平整，水體流動無阻滯。由于成湖后的蜈蚣湖呈南北分布，由于南部江都東閘、高港取排水影響以及周邊閘泵的控制調度，湖區水流呈南北往復流動，在南北湖區連接處，及湖區較窄區域，流速稍大，這是由于新形成的成湖區北部過水通道處受束水作用影響導致水流流速較大，靠近湖體邊界處流速較小。退圩還湖后，蜈蚣湖水流流速大的區域集中在河道入湖口和湖中行水通道區域，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較大。

表1 蜈蚣湖退圩還湖后不同水位的工況特征Tab.1 Characteristics at different water levels for Wugong lake

4.2 來水組成統計

根據蜈蚣湖及周邊區域來水組成，選擇常水位和次洪高水位下的模擬成果，進行來水組成統計計算。來水組成設置湖泊初始來水，常水位從2003年5月31日開始進行統計，分別記錄不同換水比例下的換水歷時。次洪高水位下的來水組成選取2003年6月29日至2003年8月1日整個大的次洪過程進行來水組成統計計算。

根據設置的來水組成進行統計計算，對蜈蚣湖不同水位下換水比例達到80%、75%、50%、30%以及25%所需的換水歷時進行統計(表2)。

表2 退圩還湖后蜈蚣湖不同水位換水過程統計Tab.2 Statistics of water exchange process at different water levels for Wugong lake

圖9 蜈蚣湖常水位來水組成Fig.9 Composition of water at normal water level of Wugong lake

圖10 蜈蚣湖次洪高水位來水組成Fig.10 Composition of water at highest water level of Wugong lake

從換水來源來看，常水位時，換水主要來源于河網(圖9)，高水位時來水不僅有降雨、河網還有周邊圩區的來水，其中降雨占的比例最大(圖10)。從換水時間來看(表2)，退圩還湖后，蜈蚣湖在常水位下換水歷時較長，相比之下滯洪過程水位較高時換水歷時大幅縮短；常水位時，換水比例和歷時呈現線性增加趨勢；高水位時，換水比例和歷時表現出指數增加趨勢，來水換水量越大，需要時間越長；常水位時，換水達到50%需30 d，高水位時，換水達50%僅需10 d，比常水位加快了2倍。

4.3 入湖河道分流情況

根據計算結果統計退圩還湖后蜈蚣湖入湖河道的分流比。根據環湖閘過閘流量統計得出相應河道過水流量(表3)。

表3 蜈蚣湖不同水位換水過程河流流量統計Tab.3 Flow statistics of rivers during water exchange at different water level for Wugong lake

常水位情況下蜈蚣湖入湖流量為32.1 m3/s，出湖流量為19.6 m3/s，入流大于出流，湖泊主要從南側進水。次洪高水位下蜈蚣湖入湖流量為86.6 m3/s，出湖流量為25.5 m3/s，入流大于出流。蜈蚣湖入湖河道分流情況顯示了入湖河道對湖泊水流的影響較大，常水位和次洪高水位下的結果都顯示入湖流量大于出湖流量，其中土橋河與中引河對湖泊水位變化影響較為突出。

5 結 論

根據退圩還湖后成湖區方案，通過模型模擬繪制了退圩還湖后湖泊的流場、流速和水深分布圖，得出了退圩還湖后湖體流動的特征，計算了退圩還湖后蜈蚣湖的換水周期，分析了入湖河道對湖泊水流的影響。研究結果表明，實施退圩還湖后，蜈蚣湖不論是常水位和高水位時，湖體水流順暢，北部湖體與排泥場形成島嶼間的過水通道和入湖河湖通道處水流流速大，不易產生淤積，換水周期可滿足湖泊的自凈要求，退后形成的湖泊對生態環境的改善有積極影響。

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