江蘇省里下河腹部地區(qū)河湖連通后的水動力提升效果模擬

李 港， 林妙麗， 姚斯洋,2

(1.南京水利科學研究院生態(tài)環(huán)境研究所， 江蘇 南京 210029； 2.武漢大學 水利水電學院， 湖北 武漢 430072)

里下河地區(qū)湖泊湖蕩是天然的調(diào)蓄水體，大多是漫灘排水，但由于圈圩和圍網(wǎng)養(yǎng)殖過度，大大縮小了蕩區(qū)行水通道的過水斷面，自由水面萎縮嚴重[1-2]。同時，盲目圈圩和圍網(wǎng)造成行水通道淤堵嚴重，嚴重影響了部分排水通道口門，使原湖蕩的泓道封堵、縮窄、淤淺，外河網(wǎng)堵塞嚴重，水系混亂，互為干擾，圩內(nèi)雖留有通道，但遠遠小于老河道的過水面積，水流堵塞嚴重，難以發(fā)揮其應(yīng)有的行水功能[3]。近些年來，隨著江蘇省退圩還湖工作的推進，里下河各湖區(qū)的退圩還湖方案相應(yīng)出臺和實施，同時，退圩還湖后進行湖泊湖蕩與河網(wǎng)水系的連通對湖區(qū)水動力可能存在一定的改善作用。而數(shù)學模型則可以提前進行河湖連通效果的模擬和論證，對于未來河湖連通的規(guī)劃以及恢復(fù)里下河地區(qū)的水資源供給能力具有重要意義。

本研究結(jié)合江蘇省退圩還湖規(guī)劃方案以及總體布局，將獨立的湖泊湖蕩與“六縱六橫”骨干河道有機連通，構(gòu)建“三線貫通”的河湖串聯(lián)格局，利用數(shù)學模型模擬河湖連通后湖泊湖蕩的水動力改善效果，為未來相應(yīng)的河湖連通規(guī)劃提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

里下河腹部地區(qū)位于江蘇省中部，地處32°30′～33°40′ N，119°20′ ～120°10′ E，東臨通榆河，西貼里運河，北起蘇北灌溉總渠，南至新通揚運河，主要涵蓋8個縣(市、區(qū))，總面積為11 722 km2。里下河腹部地區(qū)地勢四周高、中間低，呈蝶形洼地，水系復(fù)雜，為典型的平原河網(wǎng)地區(qū)。該地區(qū)屬亞熱帶溫潤季風氣候[4]，年平均氣溫為14～15 ℃，年降水量為500～1 400 mm。里下河腹部地區(qū)涵蓋射陽湖、大縱湖、喜鵲湖等41個零星分散的湖泊湖蕩。江蘇省政府2006年批復(fù)的《江蘇省里下河腹部地區(qū)湖泊湖蕩保護規(guī)劃》中明確湖泊湖蕩群保護范圍為695 km2。由于圍圩養(yǎng)殖，水域面積過度開發(fā)，目前里下河湖泊湖蕩群的自由水面面積僅為58.1 km2左右[5]。

1.2 數(shù)據(jù)資料

本研究地形分為河道地形和湖泊湖蕩地形兩部分，地形數(shù)據(jù)均來自江蘇省水利勘測設(shè)計研究院提供的河道實測數(shù)據(jù)(國家85高程，比水文資料的廢黃河高程高0.17 m，下同)。水文數(shù)據(jù)包括泰州引江河、新通揚運河、鹽邵河、戚墅河、南澄子河、北澄子河、東平河、橫涇河、六安河、子嬰河、蘆氾河、向陽河、寶射河、大涇河、大溪河、窯頭河、十字河、塘河與頭溪河19條入流河道以及射陽河、黃沙港、新洋河、新團河、白涂河、何垛河、方塘河與賁家河8條出流河道的逐日實測平均流量、水位。氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http: // cdc.cma.gov.cn/index.jsp)，選擇能代表里下河地區(qū)氣象特征的高郵站(編號：58241)作為氣象站點。

1.3 模型原理

采用EFDC(environmental fluid dynamics codes)模型模擬里下河腹部地區(qū)整體退圩還湖后的河湖連通水動力變化。該模型是由威廉瑪麗大學維吉尼亞海洋科學研究所(VIMS，Virginia Institute of Marine Science at the College of William and Mary)的John Hamrick等開發(fā)的三維地表水水質(zhì)數(shù)學模型，可實現(xiàn)河流、湖泊、水庫、濕地系統(tǒng)、河口和海洋等水體的水動力和水質(zhì)模擬，是一個多參數(shù)有限差分模型[6]。EFDC模型控制方程簡要描述如下：

質(zhì)量守恒：

?t(mxmyH)+?x(myHu)+?y(mxHv)+

?z(mxmyw)=QH+δ(0)(QssQsw)

(1)

動量守恒(僅x方向)：

?t(mxmyHu)+?x(myHuv)+?y(mxHvu)+

?z(mxmyuvw)-femxmyHv=-myH?x(p+patm+φ)+

mxmycpDp(u2+v2)1/2u

(2)

2 結(jié)果分析

2.1 湖泊河網(wǎng)水系概化分析

里下河腹部地區(qū)湖泊湖蕩及河網(wǎng)的概化結(jié)果如圖1所示。湖泊按照東邊以串場河和通榆河為界，南邊以新通揚運河為界，西邊以里運河為界，北邊以蘇北灌溉總渠為界。里下河腹部地區(qū)出入湖區(qū)有眾多河道，并與里下河地區(qū)骨干河網(wǎng)相連，內(nèi)部無明顯的水系周界，水文情勢較復(fù)雜。里下河腹部地區(qū)的水流走向大致是南邊通過南水北調(diào)東線工程的源頭(芒稻河和泰州引江河)引水，再通過三陽河與鹵汀河兩條干流進入腹部地區(qū)；西邊主要通過向陽河等主要河道從高郵湖和邵伯湖引水進入腹部地區(qū)；北邊主要通過窯頭河、十字河等河道從蘇北灌溉總渠引水進入腹部地區(qū)；東邊主要通過串場河將各支流連接起來，通過黃沙港、新洋河、新團河、何垛河等河道出流。水系涉及了里下河腹部地區(qū)41個湖泊湖蕩和46條主要河道，包含所有一、二級行水通道。

圖1 里下河腹部地區(qū)湖泊湖蕩及河網(wǎng)概化

2.2 穿湖河道疏通前后湖泊湖蕩及河網(wǎng)地形對比分析

里下河腹部地區(qū)湖泊湖蕩穿湖河道挖通前后地形對比如圖2所示?？傮w而言，河網(wǎng)底高程低于湖泊湖蕩底高程，未挖深穿湖河道前，河網(wǎng)水流匯入湖泊湖蕩后流速會大幅減緩，因此，為了降低河網(wǎng)入湖水流流速的損失以及帶動湖泊湖蕩的水流流動，對穿湖河道進行了挖深的處理，挖深后湖泊湖蕩中大凹子圩、廣洋湖、大縱湖等湖區(qū)內(nèi)出現(xiàn)明顯低于全湖底高程的行水通道，有利于河網(wǎng)水流的流動，并帶動湖區(qū)水動力的提升。

圖2 退圩及穿湖河道疏通前后地形對比

2.3 穿湖河道疏通前后水動力對比分析

穿湖河道疏通前后里下河湖泊湖蕩及河網(wǎng)整體流速與射陽湖、廣洋湖和洋汊蕩細部流速對比情況如圖3所示。從圖3可以看出，穿湖河道挖通以后整個河網(wǎng)的流速沒有明顯的提升，河網(wǎng)整體流速均處于較大的范圍，但是湖泊湖蕩的流速有了較大的提升，整體水流流速增大，面積較大的湖泊例如射陽湖、廣洋湖、大縱湖等湖區(qū)整體流速提升尤為顯著，水動力弱區(qū)面積顯著減少。其中，射陽湖穿湖河道挖深后，湖泊整體流速有一定的改善，從圖3可以看出，中部穿湖河道流經(jīng)水域水流流速較大，湖泊大部分區(qū)域的流速達到了0.13 m/s以上，河道挖深后在湖泊中部水流流速較大，但流場分布相對較為紊亂，可能是由于從南向北的河道水流與從西向東的河道水流在此處相匯導(dǎo)致。廣洋湖穿湖河道挖深后，湖泊水動力改善較為明顯，水流流速整體基本達到了0.2 m/s，但湖泊南部的水動力改善幅度相對較低，這一方面是由于廣洋湖穿湖河道數(shù)量較少，另一方面是由于從西邊入湖的穿湖河道水流由湖泊東北方向出流，使得南部湖區(qū)受到穿湖河道較高流速水流擾動較少，流速提升效果相對較低，可將穿湖河道水流在入湖前通過開挖渠道引流部分水流至湖泊南部，加強對湖泊南部水體擾動，提升湖泊整體水動力。洋汊蕩在穿湖河道挖深后整體流速有一定改善，尤其是在穿湖河道河槽所處的水面，水流流速得到了不同程度的提升，對于穿湖河道交匯處的西北部湖區(qū)，水流流速也有了相應(yīng)的改善，這可能是由于穿湖河道較高流速水流的對沖使得該區(qū)域的水流受到了一定的擾動，使得水動力情況有所改善，而湖區(qū)北部水流流速的改善，可能是由于出湖河道只有一條，而穿湖河道水流又相對流速較大引起的。

圖3 穿湖河道疏通前后里下河湖泊湖蕩整體及細部水動力變化對比

3 結(jié) 語

里下河地區(qū)湖泊湖蕩退圩還湖后的水動力狀況會直接影響到水質(zhì)的優(yōu)劣以及周邊地區(qū)的水資源安全保障，關(guān)乎退圩還湖工作的成效。進行河湖連通后湖區(qū)的水動力模擬，可提前判斷退圩還湖后河湖連通工作的效果，為里下河腹部地區(qū)河湖水系連通規(guī)劃提供一定的參考。總體而言，退圩還湖后穿湖河道疏通后河網(wǎng)水流流速整體上變化幅度較小，但湖泊湖蕩整體流速得到了一定的提升，射陽湖、獐獅蕩、大凹子圩、得勝湖、廣洋湖等湖泊流速改善效果明顯，流速增大到0.3～0.4 m/s，水動力提升效果較為顯著。