黃婷婷 榮艷淑 王冬梅

摘要：退圩還湖工程的實(shí)施對(duì)湖泊水動(dòng)力特征以及湖泊的水生態(tài)環(huán)境有極大的改善，并在多地得到很好的實(shí)行。以江蘇省平旺湖為研究對(duì)象，通過(guò)MIKE21 FM模型構(gòu)建了平旺湖二維水動(dòng)力模型，對(duì)比分析了20 a一遇洪水條件下退圩還湖工程實(shí)施前后湖區(qū)河道的槽蓄能力以及湖區(qū)洪水特征值的變化。結(jié)果表明：退圩還湖工程對(duì)湖底的地形進(jìn)行了重塑，湖泊的調(diào)蓄能力得到增強(qiáng);退圩還湖后湖區(qū)的水體在周邊閘泵的控制調(diào)度下呈南北往復(fù)流動(dòng)，水體流動(dòng)更加迅速，湖泊的水動(dòng)力條件得到改善;退圩還湖后湖泊的淹沒(méi)水深、蓄洪量都有所減小，退圩還湖工程帶來(lái)的防洪效益明顯。

關(guān)鍵詞：退圩還湖工程;水動(dòng)力條件;MIKE21 FM模型;調(diào)蓄能力;淹沒(méi)水深;平旺湖;江蘇省

中圖法分類號(hào)：TV213.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.005

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）10 - 0027 - 05

0 引 言

江蘇省里下河腹部地區(qū)的湖泊湖蕩因過(guò)度開(kāi)發(fā)、圍墾湖泊，導(dǎo)致湖泊河流的水體流動(dòng)不暢、自由水面與調(diào)蓄庫(kù)容減少，引起湖區(qū)的水動(dòng)力條件惡化以及防洪排澇能力下降。由于里下河湖區(qū)地勢(shì)低洼，河道比降小，水流流速緩慢，河網(wǎng)水動(dòng)力條件較差，湖泊的水動(dòng)力特征將直接影響湖泊的水質(zhì)與水生態(tài)環(huán)境[1]。退圩還湖工程的實(shí)施可有效地解決上述水環(huán)境問(wèn)題[2]。

退圩還湖工程的研究主要集中于湖泊河流水動(dòng)力條件的變化、河道防洪排澇能力的改變、湖區(qū)水環(huán)境與水生態(tài)等方面。王冬梅等[3]綜合考慮了湖區(qū)水生態(tài)、水質(zhì)條件等因素，研究分析了固城湖退圩還湖實(shí)施方案的長(zhǎng)效機(jī)制體系。常虹等[4]通過(guò)對(duì)比分析多個(gè)白馬湖退圩還湖實(shí)施方案下的水位-庫(kù)容關(guān)系曲線，以及入湖與出湖流量過(guò)程線，對(duì)白馬湖進(jìn)行了調(diào)洪演算，最終篩選出了防洪排澇效果最為顯著的實(shí)施方案。陳立冬等[5]針對(duì)洪澤湖存在的種植養(yǎng)殖、水質(zhì)及水生態(tài)惡化等問(wèn)題，分析對(duì)策，提出了相關(guān)的治理建議。

一維水動(dòng)力模型可對(duì)地形比較簡(jiǎn)單的河道、河網(wǎng)的洪水影響因素進(jìn)行分析，但無(wú)法對(duì)水動(dòng)力條件較復(fù)雜的湖泊進(jìn)行模擬分析[6]。而二維水動(dòng)力模型應(yīng)用較為廣泛，MIKE 21 FM模型可以從湖區(qū)的下泄流量[7]、湖泊水體流速與流場(chǎng)[8-9]、洪水淹沒(méi)分布[10-12]等方面，模擬出研究區(qū)域在退圩還湖后洪水要素變化[13]。秦伯強(qiáng)等[14]對(duì)太湖梅梁灣進(jìn)行了水動(dòng)力模擬，發(fā)現(xiàn)污染物濃度受到湖流和風(fēng)速的影響較大，對(duì)研究污染物的變化規(guī)律和下一階段太湖的三維水動(dòng)力模型的構(gòu)建提供依據(jù)。張大茹等[15]以紅螺谷小流域的主要河流溝道為研究對(duì)象，應(yīng)用MIKE二維模型研究分析了紅螺谷河道中河流蓄洪作用的改變以及實(shí)施涉水工程導(dǎo)致的阻水作用變化的過(guò)程。劉麗紅等[16]對(duì)新汴河及靈璧船閘進(jìn)行了模擬分析，運(yùn)用MIKE21 模型模擬出不同等級(jí)的洪水頻率下，研究區(qū)域內(nèi)船閘工程的建設(shè)對(duì)新汴河河流主河道行洪產(chǎn)生的影響。

本文利用了MIKE21 FM軟件構(gòu)建了興化市平旺湖二維水動(dòng)力模型，對(duì)比分析了實(shí)施退圩還湖方案前后湖泊的水動(dòng)力特征的變化，并對(duì)退圩還湖前后的洪水特征值及河道槽蓄作用變化進(jìn)行了對(duì)比分析。此外，還模擬了20 a一遇洪水條件下湖泊河道槽蓄能力的改變以及湖區(qū)洪水特征值的變化。研究成果可為其他地區(qū)的退圩還湖工程提供理論參考。

1 MIKE 21 FM模型構(gòu)建

1.1 研究區(qū)概況

平旺湖位于江蘇省興化市西北部，里下河腹部地區(qū)，地理位置為東經(jīng)119°47′15″、北緯33°01′38″，平旺湖地理位置如圖1所示。平旺湖總保護(hù)面積為5.169 km2，由6個(gè)圩區(qū)組成，其中第一批滯澇圩2個(gè)，分別為Ⅱ103、Ⅱ104，保護(hù)面積為0.789 km2;第二批滯澇圩2個(gè)，分別為Ⅱ102、Ⅱ104，保護(hù)面積為1.365 km2;保留水面積分別為S22、W83，保護(hù)面積為3.006 km2。平旺湖主要是以滯澇圩形式存在，圩區(qū)分為副業(yè)圩和農(nóng)業(yè)圩。平旺湖附近的河道主要有下官河、塘溝河、中引河、邊溝河、土橋河、黃邳河、顧趙河、漏稅河等。其中，下官河為里下河腹部地區(qū)一級(jí)行水通道，中引河為二級(jí)行水通道。退圩還湖前湖區(qū)由于存在大面積種植圩與養(yǎng)殖圩，湖泊自由水面基本消失，喪失了防洪排澇的調(diào)蓄能力與調(diào)蓄庫(kù)容，導(dǎo)致湖區(qū)旱澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。因湖泊被過(guò)度圍墾，湖泊河道的過(guò)水?dāng)嗝婵s小，影響了湖泊整體排水，致使湖泊水系混亂。因此，水體流動(dòng)堵塞，農(nóng)藥、化肥、除草劑、大量的飼料等投放于湖泊，湖泊受到氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的污染，富營(yíng)養(yǎng)化程度嚴(yán)重，污染加劇，湖水水質(zhì)已下降到Ⅳ類以下。此外，湖泊受到過(guò)度人工干預(yù)與開(kāi)發(fā)利用，許多生物種群已經(jīng)消失，水生植物種類與數(shù)量不斷減少。

1.2 退圩還湖工程概況

由于退圩還湖前滯澇圩區(qū)內(nèi)存在大面積居民點(diǎn)，而擬置換區(qū)內(nèi)存在大面積魚(yú)塘，因此，對(duì)待置換區(qū)與擬置換區(qū)進(jìn)行置換有利于擴(kuò)大湖區(qū)的自由水面。對(duì)平旺湖圩區(qū)內(nèi)的圩埂進(jìn)行拆除，并對(duì)圩區(qū)內(nèi)的魚(yú)塘塘底進(jìn)行清淤。退圩還湖工程實(shí)施后，平旺湖整體與下官河整體相連接，更有利于湖泊周邊水系的連通。退圩還湖工程對(duì)湖底地形進(jìn)行了重塑，根據(jù)平旺湖水生植物的有關(guān)調(diào)查，還湖后湖底平均高程約為-0.5 m，常水位水深控制在1.5 m左右，可以控制挺水植物生長(zhǎng)，防止挺水植物蔓延。

根據(jù)減少占用陸域基本農(nóng)田、減輕對(duì)環(huán)境不利影響的原則，退圩還湖工程在平旺湖規(guī)劃范圍內(nèi)布置了16個(gè)排泥場(chǎng)，總面積0.79 km2。排泥場(chǎng)將用作退圩還湖工程的棄土區(qū)，不再作為平旺湖湖區(qū)的一部分，同時(shí)，相應(yīng)調(diào)整平旺湖的保護(hù)范圍線和蓄水范圍線。根據(jù)《退圩還湖工程實(shí)施方案》對(duì)規(guī)劃中排泥場(chǎng)的位置和形態(tài)進(jìn)行了調(diào)整，取消原規(guī)劃中PWH-1、PWH-2、PWH-3、PWH-6四塊排泥場(chǎng);沿湖四周建設(shè)環(huán)湖堤防，堤防面積占用排泥場(chǎng)指標(biāo);增大PWH-4（現(xiàn)為 PWH-5）排泥場(chǎng)面積，主要用于滿足地方旅游開(kāi)發(fā)、 經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求;在湖中增加兩座島嶼（PWH-2、PWH-3），用于生態(tài)環(huán)境建設(shè);排泥場(chǎng)布置如圖2所示。

退圩還湖前，平旺湖無(wú)明顯湖泊岸線，退圩還湖工程實(shí)施后，在平旺湖環(huán)湖一周布設(shè)環(huán)湖堤防，形成較平滑的湖泊岸線，并且對(duì)平旺湖的保護(hù)范圍線、蓄水范圍線、堤線全部做出相應(yīng)調(diào)整。考慮到退圩還湖后湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重建，采取生態(tài)修復(fù)措施，在清淤區(qū)、棄土區(qū)沿湖堤岸布置濱水植物，成湖后的湖區(qū)近岸帶內(nèi)種植浮葉植物和挺水植物，在清淤區(qū)種植沉水植物，并投放適量的底棲生物和魚(yú)類，加快了湖區(qū)的生態(tài)恢復(fù)和改善。

1.3 研究數(shù)據(jù)與方法

將平旺湖實(shí)施退圩還湖前、后的地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成.xyz的格式，將高程數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MIKE模型中的網(wǎng)格生成器中，退圩還湖前網(wǎng)格數(shù)1 483個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)869個(gè);退圩還湖后網(wǎng)格數(shù)1 708個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)992個(gè);生成地形后對(duì)地形文件進(jìn)行平滑和插值。模型給定的恒定初始水位為1.08 m，初始水體流速為0。模型的開(kāi)邊界中，上邊界選取的是下官河的入口斷面，下邊界選取的是下官河的出口斷面。上邊界為20 a一遇洪水過(guò)程線，下邊界為20 a一遇水位過(guò)程線。

水動(dòng)力模塊遵循Navier-Stokes公式，且服從Boussinesq和靜水壓力的假定，也就是流體低速流動(dòng)中，忽略壓強(qiáng)變化的因素，只考慮了溫度對(duì)密度的影響因素[17]。二維非恒定平面淺水流的方程組為

[?h?t+?（hu）?x+?（hv）?y=0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

[?（hu）?t+?hu2?x+?（huv）?y=Ωvh-gh?η?x-gh22ρ0?ρ?x-1ρ0（τbx-τsx）-1ρ0（?Sxx?x+?Sxy?x）-hρ0?Pa?x+?（hTxx）?x+?（hTxy）?x+hUsS]

（2）

[?（hv）?t+?hv2?y+?（huv）?x=-Ωuh-gh?η?y-gh22ρ0?ρ?y-1ρ0（τby-τsy）-1ρ0（?Syx?x+?Syy?y）-hρ0?Pa?y+?（hTxy）?x+?（hTyy）?y+hVsS]

（3）

式中：t為時(shí)間;x，y分別為在笛卡爾坐標(biāo)系下所代表的坐標(biāo);η為水位;h為總水深;u和v分別為x和y方向上的速度分量;Ω為科氏力系數(shù);g為重力加速度;[ρ0]為水的密度;Pa為壓強(qiáng);S為源項(xiàng);[Us]，[Vs]分別為源項(xiàng)的水流速度;[Sxx]，[Sxy]，[Syy]為輻射應(yīng)力分量;[τbx]，[τsx]，[τby]，[τsy]分別為不同方向的剪應(yīng)力;[Txx]，[Txy]，[Tyy]分別為不同的水平黏應(yīng)力項(xiàng)。

1.4 MIKE21 FM模型率定與驗(yàn)證

模型糙率是根據(jù)研究區(qū)域的地形高程選取，根據(jù)天然河道糙率取值范圍，選取率定糙率為0.030～0.035之間，經(jīng)率定后糙率n取0.035。渦黏系數(shù)采用Smagorinsky公式計(jì)算，采用默認(rèn)參數(shù)0.28。模型的模擬時(shí)段為2003年6月29日11：00：00至7月15日16：00：00，模擬的時(shí)間步長(zhǎng)為1 800 s，模擬步數(shù)為778步。本次研究中，不考慮風(fēng)、浪、溫度、潮汐、支流入?yún)R等因素的影響。

以平旺湖區(qū)下游的河道出口斷面，即下官河1-1斷面作為模型驗(yàn)證斷面。退圩還湖前后平旺湖的地形網(wǎng)格及河道的斷面位置分別如圖3和圖4所示，計(jì)算10 a一遇和20 a一遇來(lái)水條件下驗(yàn)證斷面模擬得到的斷面平均水位與斷面平均流速，將率定與驗(yàn)證的模擬結(jié)果與《興化市退圩還湖項(xiàng)目報(bào)告》中提供的下官河出口斷面的平均水位與平均水流流速進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

由率定驗(yàn)證可知：10 a一遇和20 a一遇洪水等級(jí)下的斷面平均水位誤差控制在0.1%以內(nèi)。當(dāng)河道糙率n=0.035時(shí)，10 a一遇的斷面平均流速誤差在8%以內(nèi)，20 a一遇的斷面平均流速誤差在7%以內(nèi)。因此，n=0.035時(shí)斷面平均水位以及斷面平均流速的模擬值與實(shí)測(cè)值的吻合較好。由此可以認(rèn)為，MIKE 21 FM 模型能較好地模擬研究區(qū)域湖泊的水體流態(tài)情況。

2 平旺湖退圩還湖工程效果分析

2.1 對(duì)河道下泄流量的影響

為了研究退圩還湖工程實(shí)施對(duì)湖區(qū)湖泊調(diào)蓄功能產(chǎn)生的影響，以下官河河道發(fā)生20 a一遇洪水為例，以河道中游2-2斷面與河道下游1-1斷面為監(jiān)測(cè)斷面，如圖1與圖2所示。監(jiān)測(cè)斷面洪峰流量如表1所列。

由表1可以看出：退圩還湖工程實(shí)施后，下官河河道的下游斷面下泄流量減小了0.96 m3/s，槽蓄量增加了2.1 m3/s。

2.2 對(duì)湖泊水體流速的影響

平旺湖在20 a一遇來(lái)水條件下，分別比較退圩還湖工程實(shí)施前后河道的斷面最大流速，如圖5所示。

退圩還湖工程實(shí)施后，平旺湖整體水體流速有所上升，退圩還湖前河道斷面最大水體流速為0.057 m/s，退圩還湖后河道斷面最大水體流速為0.085 m/s。當(dāng)行洪至370 h時(shí)，還湖后河道斷面的最大水體流速相比還湖前增長(zhǎng)率達(dá)到最大，流速增大了0.046 m/s。由此可見(jiàn)，退圩還湖工程的實(shí)施可以加快河道斷面水體流速。

2.3 對(duì)湖泊洪水特征的影響

為了研究退圩還湖工程的實(shí)施為湖區(qū)帶來(lái)的防洪效益，比較并分析在20 a一遇來(lái)水條件下退圩還湖前后平旺湖區(qū)域的最大淹沒(méi)水深以及湖泊蓄洪量的變化過(guò)程，由表2可知，退圩還湖后湖區(qū)的最大淹沒(méi)水深有所減小，減小約0.02 m。由圖6可知，湖區(qū)的蓄洪量在退圩還湖工程實(shí)施后有所減小，當(dāng)行洪至280 h時(shí)，湖區(qū)蓄洪量減小最大，減小1.19×106? m3。因此可以認(rèn)為，退圩還湖工程使得湖泊的淹沒(méi)水深及蓄洪量都相應(yīng)地減小，從而減少了湖區(qū)洪澇災(zāi)害的發(fā)生。

2.4 退圩還湖工程綜合效益

退圩還湖工程實(shí)施后，湖泊的防洪排澇能力、水生態(tài)環(huán)境、當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)條件等均得到了提升與改善。具體包括：①防洪排澇效益。退圩還湖工程報(bào)告顯示，退圩還湖工程的實(shí)施使平旺湖泊自由水面積增大，其供水調(diào)蓄庫(kù)容恢復(fù)近262.7萬(wàn)m3，還湖后的湖泊將更有效發(fā)揮“中滯”作用，減輕下游排洪壓力，減小洪澇災(zāi)害的損失。②水環(huán)境效益。退圩還湖工程實(shí)施后，消減了圍墾區(qū)與入湖河道的污染，湖泊的水環(huán)境容量與環(huán)境承載能力均得到了提高，湖泊水體流動(dòng)加快，水體自凈能力得到了增強(qiáng)，湖泊的水質(zhì)逐漸從還湖前的Ⅳ類水變?yōu)棰箢愃?。③社?huì)效益。退圩還湖工程的實(shí)施可以減少因暴雨造成的洪澇災(zāi)害給當(dāng)?shù)鼐用駧?lái)的危害，改善湖區(qū)的水體景觀與生態(tài)功能，提高居民的環(huán)境質(zhì)量，促進(jìn)沿湖地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和諧發(fā)展。

3 結(jié) 論

本文以里下河平旺湖為研究區(qū)域，使用了MIKE21 FM水動(dòng)力模型，研究了退圩還湖前后湖泊的水生態(tài)環(huán)境、水動(dòng)力條件、洪水特征等要素的變化情況。模擬20 a一遇情況下湖泊的調(diào)蓄能力以及防洪排澇能力的變化，結(jié)論如下。

（1）由退圩還湖前后河道斷面下游與中游的洪峰流量值及其流量差可知，退圩還湖工程的實(shí)施使河道下游的下泄流量減小，減輕了下游的防洪壓力。退圩還湖后河道的槽蓄作用相比退圩還湖前得到了增強(qiáng)。

（2）退圩還湖工程實(shí)施后，湖區(qū)整體水體流速增大，還湖后的湖區(qū)不易產(chǎn)生淤積，從而使湖區(qū)與周邊水系更加連通。退圩還湖工程的實(shí)施更有利于湖區(qū)水生態(tài)環(huán)境的改善。

（3）退圩還湖工程的實(shí)施增加了湖泊的蓄水容積，還原了湖泊被侵占前的自由水面。平旺湖區(qū)洪水的淹沒(méi)水深以及蓄洪量相應(yīng)地減小，由此可見(jiàn)，退圩還湖工程的實(shí)施對(duì)湖區(qū)的防洪排澇能力產(chǎn)生了積極的影響。

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（編輯：李 慧）

Analysis of flood characteristics in lake area of polder dismantling project based on MIKE21 FM Model

HUANG Tingting1， RONG Yanshu2，WANG Dongmei3

（1. Yellow River Institute of Hydraulic Research，Zhengzhou 450003，China;? ?2.College of Hydrology and Water Resources， Hohai University，Nanjing 210098，China;? ?3. Jiangsu Institute of Water Conservancy Science，Nanjing 210000，China）

Abstract： The returning polder to lake project can greatly improved the hydrodynamic characteristics and water ecological environment of the lake， which has been implemented in many places. Taking Pingwang Lake in Jiangsu Province as the research object， a two-dimensional hydrodynamic model for Pingwang Lake was constructed by MIKE21 FM model， and the river channel storage capacity in the lake area and the flood characteristic values of the lake area before and after the implementation of the project were compared and analyzed under 20-year frequency flood. The results showed that the topography of the lake bottom was reshaped by the project， and the regulation and storage capacity of the lake was enhanced; under the control of the surrounding sluice gate and pump stations， the water body in the lake area became north-south reciprocal flow with larger velocity; the hydrodynamic conditions of the lake were improved. The inundation depth and stored flood of the lake reduced， and the flood control benefits of returning polder to lake project were obvious.

Key words： returning polder to lake project; hydrodynamic conditions; MIKE21 FM model; storage capacity; submerged depth; Pingwang Lake; Jiangsu Province