退圩还湖后湖泊水动力条件分析----以蜈蚣湖为例

王 俊，王轶虹，王 强，高士佩，王冬梅，梁文广

(1.江苏省水利科学研究院，南京，210017；2.南京慧水软件科技有限公司，南京 210036)

江苏省里下河湖区是由零星分散的湖泊湖荡组成的湖泊群，区内地势低洼平坦，沟、河纵横交错，湖荡星罗棋布，由于里下河湖区经历了20世纪50-70年代以农业围垦为主和80年代以养殖为主的两次大规模开发，导致目前湖泊湖荡基本无自由水面，主要以圩区形式存在[1-3]，湖泊湖荡由于盲目过度开发，引起区域河湖防洪排涝、供水灌溉能力严重下降，水生态环境退化，产生了一系列严重的水资源、水生态和水环境问题[4]。实施退圩还湖工程，恢复水体自由水面，提高湖区蓄滞洪能力，修复湖区水生态环境，已成为里下河湖区目前亟待解决的问题[5,6]。

对湖体面积较小的湖泊而言，湖泊水动力条件决定了湖泊的流态和流速，因为水流不畅、换水周期过长易造成生态水质恶化，湖体对污染物的净化能力变差，最终导致湖体水质恶化，危及湖泊生态环境[7,8]。由于里下河湖区地势低洼，河道比降小，水流流速缓慢，同时地区内水利控制建筑物较多，河网自身水动力条件较差，退圩还湖实施后成湖区的水动力条件就成为关键问题，湖泊的水动力特征直接影响到湖泊的水质和生态环境[9,10]，而湖泊水动力条件取决于退后湖泊的面积和形态，研究退圩还湖后湖泊的水动力特征对分析退圩还湖方案的合理性，退圩还湖工程是否具有操作性具有理论和现实意义。本文以里下河湖区中的蜈蚣湖为例，利用里下河河网水动力模型模拟退圩还湖后不同水位状态下的湖体流场与流速分布、换水过程和周期，分析退圩还湖后湖泊的水动力条件。本研究可为退圩还湖工程的实施提供理论和技术支撑，一定程度上减少退圩还湖方案的盲目性和随意性。

1 研究区概况

里下河湖区位于江苏省里下河腹部低洼地区，为浅水湖泊，由41个零散湖群组成，蜈蚣湖是里下河湖区中一个湖泊，位于兴化市北部，与大纵湖南北相对(图1)，隶属于中堡镇、缸顾乡、兴东镇3个乡镇。蜈蚣湖形状像如意，总保护面积30.009 km2，其中蜈蚣湖北部保护面积23.254 km2，共有3个滞涝圩，第一批滞涝圩2个，保护面积22.335 km2，第二批滞涝圩1个，保护面积0.919 km2。蜈蚣湖南荡保护面积6.755 km2，共有2个滞涝圩，第一批滞涝圩1个，保护面积4.698 km2，第三批滞涝圩1个，保护面积2.057 km2。蜈蚣湖地势低下，水系发达，周围大小湖荡棋布，湖水依赖地表径流和湖面降水补给[1]。出入湖大小河流有14条，主要河流有鲤鱼河、轮船河、大溪河、洋汊河、陆甸东大河、中庄河、戚家河、斜河、土桥河、中引河上段(大丁沟)、刘家河、东大河、龙王河、中引河下段，湖荡附近的河道主要有上官河、下官河、刘家沟、海沟河等，其中上官河、下官河为江苏省里下河地区五纵六横骨干河网的一部分，下官河为里下河腹部地区一级行水通道，刘家沟、海沟河、中引河、鲤鱼河为里下河腹部地区二级行水通道。蜈蚣湖纳、乌巾荡、平旺湖等湖沼水网区来水，调蓄后经中引河、鲤鱼河北泄大纵湖(图2)。

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

图2 蜈蚣湖周边水系图Fig.2 The river system around Wugong lake

蜈蚣湖经过20世纪50-70年代农业围垦和80年代圈圩养殖两次大规模开发，目前，滞涝圩基本无自由水面，主要以圩区形式存在，主要是副业圩和农业圩，以养殖为主，少量种植，圩区内还有少量居民点和光伏项目(图3)。

图3 蜈蚣湖现状开发利用影像图Fig.3 The utilization map of Wugong lake

2 蜈蚣湖退圩还湖方案

2.1 排泥场布置方案

通过清退蜈蚣湖圩区内的鱼塘、农田及圩埂、格埂，恢复蓄水水面21.457 km2；在原湖荡保护范围内布置19个排泥场(图4)，总面积8.552 km2，包括3个岛屿，面积1.948 km2，合理堆高排泥场，调整岸线，保护湖泊形态。

图4 蜈蚣湖退圩还湖后效果图Fig.4 Layout of dump area and topographic map of Wugong lake

2.2 疏浚、开挖河道工程

为了保证成湖后南北向水系沟通，对鲤鱼河和中引河部分河段进行疏浚；退圩还湖后，刘家河和洋汊河将改道到16号、17号和18号排泥场的两侧，并对河道进行相应挖深，以保证东西向水系的沟通；退圩还湖后，为保证成湖后的湖区北部和南部水系的沟通，拟在2号和19号排泥场之间挖一条河底高程-3.0 m，断面宽100 m的行水通道，与轮船河连通，沟通最北端成湖后的湖区和南部大湖区。

蜈蚣湖退圩还湖后主要出入湖河道有大溪河、鲤鱼河、中引河、戚家河、轮船河、刘家沟等，其中刘家沟、中引河、鲤鱼河为里下河腹部地区二级行水通道，退圩还湖后蜈蚣湖通过中引河与平旺湖、大纵湖沟通了南北向水系，通过鲤鱼河与大纵湖沟通南北向水系，通过轮船河与骨干河道上官河沟通东西向水系。

2.3 湖底地形重塑

考虑适宜水生植物生长、保护湖底地形形态等因素，确定蜈蚣湖成湖区湖底平均高程为-1.5 m，湖中心区域水深控制在3.5 m左右，湖中间较窄地带水深控制在4.5 m左右，湖底地形从岸边到中心按缓坡状布置，最深处水深约为5.0 m。16号、17号、18号、19号排泥场两侧及5号和10号排泥场之间，考虑到湖水南北向和东西向的沟通和流动，湖底高程挖深到-3.0～-4.0 m(图4)。退圩还湖后，常水位水深控制在2.5 m，最深处5.0 m左右，成湖后湖底高程见图4。由地形高程示意图可以看出蜈蚣湖周边以湖心岛屿边界地势较高，湖体为狭长状，中部水深远大于边界处，南部的蜈蚣湖南荡地势也较高。

3 材料与方法

模型计算方案采用联立里下河河网水动力模型及闸泵水利工程调度实施方案[11-13]，设置蜈蚣湖退圩还湖后计算专题。蜈蚣湖采用行蓄洪区二维模型，周边河道采用河道一维模型，河湖连接处采用控制工程进行连接。利用退圩还湖后蜈蚣湖的地形边界建立蜈蚣湖二维模型，覆盖50 m×50 m网格，入湖处以闸与周边河道相连接，堰闸处保证河湖联通，不进行水量控制。选取蜈蚣湖出入湖及周边的轮船河、刘家河、陆甸东大河、中庄河、戚家河、斜河、土桥河、中引河、洋汊河、东大河、鲤鱼河、大溪河(图2)，将这些河流概化为河道一维模型，与原里下河分区概化节点进行连接，嵌套里下河河网模型进行区域下垫面的分配[14-16]，控制节点为兴化水位站点。

根据里下河历史水文资料，选定2003年高水位情况下的水文序列作为计算选定的水文序列。模拟过程截取了2003年5月31日 ～ 2003年8月1日包含了一个大的洪水涨落过程的水文区间，常水位从2003年5月31日开始进行统计，次洪高水位下的来水组成选取2003年6月29日至2003年8月1日整个大的次洪过程进行来水组成进行统计计算。采用大水年计算可以更显著地反映湖泊形态变化对流态的影响且能兼顾各类水情变化，平水年过程可用常水位状态进行模拟。

4 结果及讨论

4.1 水深流速分布

由计算过程线取2003年5月31日 01∶00∶00时刻为常水位过程显示点(兴化水位：1.014 m)，绘制退圩还湖后常水位下蜈蚣湖流速和水深分布图(图5)。根据模拟结果(表1)，常水位下，全湖区平均流速0.16 m/s，50%湖区流速小于0.11 m/s，75%湖区流速小于0.2 m/s，湖区北部和中部呈狭长状水域流速较大，最大流速1.57 m/s，出现在湖区北部，南北两侧以及靠近湖区界处流速较小；从水深来看，常水位时，整个湖区平均水深2.5 m，最大水深4.6 m，北部湖区水体较深，南部湖区水深相对较浅。在常水位下湖体水流顺畅，由于对岛屿之间的行水通道进行了挖深，北部堆积的3个个岛屿并未阻碍湖区的水体交换。

图5 退圩还湖后常水位下蜈蚣湖流速和水深分布图Fig. 5 Velocity distribution map at normal water level of Wugong lake

取2003年6月29日 15∶00∶00时刻为起涨水位点(兴化水位：0.934 m)，绘制退圩还湖后蜈蚣湖起涨点流速和水深分布图(图6)。模拟结果(表1)表明起涨点水位与常水位时的流速和水深分布特征一致，都呈现出湖区北部和中部狭长状水域流速较大，南北两侧以及靠近湖区界处流速较小。起涨点时整个湖区的流速平均值0.09 m/s，最大值1.44 m/s，出现在16号和17号岛屿之间，此时整个湖区水体仍可保持顺畅流动。此刻，整个湖区水深平均值2.4 m，最深处4.0 m。

图6 退圩还湖后蜈蚣湖起涨点流速和水深分布图Fig.6 Velocity distribution map at starting point of Wugong lake

取2003年7月11日 05:00:00时刻为最高水位点(兴化水位：2.827m)，绘制退圩还湖后处于最高水位点时蜈蚣湖流速和水深分布图(图7)，统计模拟结果(表1)。高水时刻蜈蚣湖整个湖区水流流速显著增大，平均流速0.26 m/s，50%湖区的流速超过0.17 m/s，70%湖区流速大于0.30 m/s，湖区北部、中部狭长区域流速较大，最大值出现在湖区最北端，流速为2.4 m/s，流速较小的区域集中于边界，北部筑岛湖区水流顺畅。从水深来看，整个湖区水深平均值为4.4 m，最大值6.0 m，高水时刻湖水较深。

图7 退圩还湖后处于最高水位点时蜈蚣湖流速和水深分布图Fig.7 Velocity distribution map at highest water level of Wugong lake

图8 退圩还湖后退水时刻蜈蚣湖流速和水深分布图Fig. 8 Velocity distribution map in drainage process of Wugong lake

取2003年7月15日 16∶00∶00时刻为退水过程点(兴化水位：2.405 m)，绘制退圩还湖后退水时刻蜈蚣湖流速和水深分布图(图8)。模拟结果(表1)表明，退水时整个湖区的平均流速为0.16 m/s，退水过程中，湖区北部水流流速减小，北部和中部狭长区域的流速在0.4～0.8 m/s之间，几个岛屿之间的水流流速相对湖区其他区域仍较大，退水过程整个湖区水体仍可顺畅流动。退水时，整个湖区平均水深4.0 m，最深处5.6 m，仍出现在湖区北部。

模拟结果表明，蜈蚣湖退圩还湖后，不同水位时刻，湖区水流都可以保持流动，成湖区水流顺畅，不易形成淤积，有利于湖泊生态环境的改善。从湖区不同区域来看，退后蜈蚣湖北部区域水流流速较小，通常在滞洪流量较大时湖水才会顺畅流动，在湖体中部区域水深较大处流速较大，水流顺畅，南部湖区水下地形平整，水体流动无阻滞。由于成湖后的蜈蚣湖呈南北分布，由于南部江都东闸、高港取排水影响以及周边闸泵的控制调度，湖区水流呈南北往复流动，在南北湖区连接处，及湖区较窄区域，流速稍大，这是由于新形成的成湖区北部过水通道处受束水作用影响导致水流流速较大，靠近湖体边界处流速较小。退圩还湖后，蜈蚣湖水流流速大的区域集中在河道入湖口和湖中行水通道区域，湖体内部水深大于周边，由于湖泊与周围河道连接处口门为敞口式，因此，湖中水流方向受到周边河道过水的影响较大。

表1 蜈蚣湖退圩还湖后不同水位的工况特征Tab.1 Characteristics at different water levels for Wugong lake

4.2 来水组成统计

根据蜈蚣湖及周边区域来水组成，选择常水位和次洪高水位下的模拟成果，进行来水组成统计计算。来水组成设置湖泊初始来水，常水位从2003年5月31日开始进行统计，分别记录不同换水比例下的换水历时。次洪高水位下的来水组成选取2003年6月29日至2003年8月1日整个大的次洪过程进行来水组成统计计算。

根据设置的来水组成进行统计计算，对蜈蚣湖不同水位下换水比例达到80%、75%、50%、30%以及25%所需的换水历时进行统计(表2)。

表2 退圩还湖后蜈蚣湖不同水位换水过程统计Tab.2 Statistics of water exchange process at different water levels for Wugong lake

图9 蜈蚣湖常水位来水组成Fig.9 Composition of water at normal water level of Wugong lake

图10 蜈蚣湖次洪高水位来水组成Fig.10 Composition of water at highest water level of Wugong lake

从换水来源来看，常水位时，换水主要来源于河网(图9)，高水位时来水不仅有降雨、河网还有周边圩区的来水，其中降雨占的比例最大(图10)。从换水时间来看(表2)，退圩还湖后，蜈蚣湖在常水位下换水历时较长，相比之下滞洪过程水位较高时换水历时大幅缩短；常水位时，换水比例和历时呈现线性增加趋势；高水位时，换水比例和历时表现出指数增加趋势，来水换水量越大，需要时间越长；常水位时，换水达到50%需30 d，高水位时，换水达50%仅需10 d，比常水位加快了2倍。

4.3 入湖河道分流情况

根据计算结果统计退圩还湖后蜈蚣湖入湖河道的分流比。根据环湖闸过闸流量统计得出相应河道过水流量(表3)。

表3 蜈蚣湖不同水位换水过程河流流量统计Tab.3 Flow statistics of rivers during water exchange at different water level for Wugong lake

常水位情况下蜈蚣湖入湖流量为32.1 m3/s，出湖流量为19.6 m3/s，入流大于出流，湖泊主要从南侧进水。次洪高水位下蜈蚣湖入湖流量为86.6 m3/s，出湖流量为25.5 m3/s，入流大于出流。蜈蚣湖入湖河道分流情况显示了入湖河道对湖泊水流的影响较大，常水位和次洪高水位下的结果都显示入湖流量大于出湖流量，其中土桥河与中引河对湖泊水位变化影响较为突出。

5 结 论

根据退圩还湖后成湖区方案，通过模型模拟绘制了退圩还湖后湖泊的流场、流速和水深分布图，得出了退圩还湖后湖体流动的特征，计算了退圩还湖后蜈蚣湖的换水周期，分析了入湖河道对湖泊水流的影响。研究结果表明，实施退圩还湖后，蜈蚣湖不论是常水位和高水位时，湖体水流顺畅，北部湖体与排泥场形成岛屿间的过水通道和入湖河湖通道处水流流速大，不易产生淤积，换水周期可满足湖泊的自净要求，退后形成的湖泊对生态环境的改善有积极影响。

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