江苏省里下河腹部地区河湖连通后的水动力提升效果模拟

李 港， 林妙丽， 姚斯洋,2

(1.南京水利科学研究院生态环境研究所， 江苏 南京 210029； 2.武汉大学 水利水电学院， 湖北 武汉 430072)

里下河地区湖泊湖荡是天然的调蓄水体，大多是漫滩排水，但由于圈圩和围网养殖过度，大大缩小了荡区行水通道的过水断面，自由水面萎缩严重[1-2]。同时，盲目圈圩和围网造成行水通道淤堵严重，严重影响了部分排水通道口门，使原湖荡的泓道封堵、缩窄、淤浅，外河网堵塞严重，水系混乱，互为干扰，圩内虽留有通道，但远远小于老河道的过水面积，水流堵塞严重，难以发挥其应有的行水功能[3]。近些年来，随着江苏省退圩还湖工作的推进，里下河各湖区的退圩还湖方案相应出台和实施，同时，退圩还湖后进行湖泊湖荡与河网水系的连通对湖区水动力可能存在一定的改善作用。而数学模型则可以提前进行河湖连通效果的模拟和论证，对于未来河湖连通的规划以及恢复里下河地区的水资源供给能力具有重要意义。

本研究结合江苏省退圩还湖规划方案以及总体布局，将独立的湖泊湖荡与“六纵六横”骨干河道有机连通，构建“三线贯通”的河湖串联格局，利用数学模型模拟河湖连通后湖泊湖荡的水动力改善效果，为未来相应的河湖连通规划提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

里下河腹部地区位于江苏省中部，地处32°30′～33°40′ N，119°20′ ～120°10′ E，东临通榆河，西贴里运河，北起苏北灌溉总渠，南至新通扬运河，主要涵盖8个县(市、区)，总面积为11 722 km2。里下河腹部地区地势四周高、中间低，呈蝶形洼地，水系复杂，为典型的平原河网地区。该地区属亚热带温润季风气候[4]，年平均气温为14～15 ℃，年降水量为500～1 400 mm。里下河腹部地区涵盖射阳湖、大纵湖、喜鹊湖等41个零星分散的湖泊湖荡。江苏省政府2006年批复的《江苏省里下河腹部地区湖泊湖荡保护规划》中明确湖泊湖荡群保护范围为695 km2。由于围圩养殖，水域面积过度开发，目前里下河湖泊湖荡群的自由水面面积仅为58.1 km2左右[5]。

1.2 数据资料

本研究地形分为河道地形和湖泊湖荡地形两部分，地形数据均来自江苏省水利勘测设计研究院提供的河道实测数据(国家85高程，比水文资料的废黄河高程高0.17 m，下同)。水文数据包括泰州引江河、新通扬运河、盐邵河、戚墅河、南澄子河、北澄子河、东平河、横泾河、六安河、子婴河、芦氾河、向阳河、宝射河、大泾河、大溪河、窑头河、十字河、塘河与头溪河19条入流河道以及射阳河、黄沙港、新洋河、新团河、白涂河、何垛河、方塘河与贲家河8条出流河道的逐日实测平均流量、水位。气象数据来自中国气象数据共享网(http: // cdc.cma.gov.cn/index.jsp)，选择能代表里下河地区气象特征的高邮站(编号：58241)作为气象站点。

1.3 模型原理

采用EFDC(environmental fluid dynamics codes)模型模拟里下河腹部地区整体退圩还湖后的河湖连通水动力变化。该模型是由威廉玛丽大学维吉尼亚海洋科学研究所(VIMS，Virginia Institute of Marine Science at the College of William and Mary)的John Hamrick等开发的三维地表水水质数学模型，可实现河流、湖泊、水库、湿地系统、河口和海洋等水体的水动力和水质模拟，是一个多参数有限差分模型[6]。EFDC模型控制方程简要描述如下：

质量守恒：

∂t(mxmyH)+∂x(myHu)+∂y(mxHv)+

∂z(mxmyw)=QH+δ(0)(QssQsw)

(1)

动量守恒(仅x方向)：

∂t(mxmyHu)+∂x(myHuv)+∂y(mxHvu)+

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

mxmycpDp(u2+v2)1/2u

(2)

2 结果分析

2.1 湖泊河网水系概化分析

里下河腹部地区湖泊湖荡及河网的概化结果如图1所示。湖泊按照东边以串场河和通榆河为界，南边以新通扬运河为界，西边以里运河为界，北边以苏北灌溉总渠为界。里下河腹部地区出入湖区有众多河道，并与里下河地区骨干河网相连，内部无明显的水系周界，水文情势较复杂。里下河腹部地区的水流走向大致是南边通过南水北调东线工程的源头(芒稻河和泰州引江河)引水，再通过三阳河与卤汀河两条干流进入腹部地区；西边主要通过向阳河等主要河道从高邮湖和邵伯湖引水进入腹部地区；北边主要通过窑头河、十字河等河道从苏北灌溉总渠引水进入腹部地区；东边主要通过串场河将各支流连接起来，通过黄沙港、新洋河、新团河、何垛河等河道出流。水系涉及了里下河腹部地区41个湖泊湖荡和46条主要河道，包含所有一、二级行水通道。

图1 里下河腹部地区湖泊湖荡及河网概化

2.2 穿湖河道疏通前后湖泊湖荡及河网地形对比分析

里下河腹部地区湖泊湖荡穿湖河道挖通前后地形对比如图2所示。总体而言，河网底高程低于湖泊湖荡底高程，未挖深穿湖河道前，河网水流汇入湖泊湖荡后流速会大幅减缓，因此，为了降低河网入湖水流流速的损失以及带动湖泊湖荡的水流流动，对穿湖河道进行了挖深的处理，挖深后湖泊湖荡中大凹子圩、广洋湖、大纵湖等湖区内出现明显低于全湖底高程的行水通道，有利于河网水流的流动，并带动湖区水动力的提升。

图2 退圩及穿湖河道疏通前后地形对比

2.3 穿湖河道疏通前后水动力对比分析

穿湖河道疏通前后里下河湖泊湖荡及河网整体流速与射阳湖、广洋湖和洋汊荡细部流速对比情况如图3所示。从图3可以看出，穿湖河道挖通以后整个河网的流速没有明显的提升，河网整体流速均处于较大的范围，但是湖泊湖荡的流速有了较大的提升，整体水流流速增大，面积较大的湖泊例如射阳湖、广洋湖、大纵湖等湖区整体流速提升尤为显著，水动力弱区面积显著减少。其中，射阳湖穿湖河道挖深后，湖泊整体流速有一定的改善，从图3可以看出，中部穿湖河道流经水域水流流速较大，湖泊大部分区域的流速达到了0.13 m/s以上，河道挖深后在湖泊中部水流流速较大，但流场分布相对较为紊乱，可能是由于从南向北的河道水流与从西向东的河道水流在此处相汇导致。广洋湖穿湖河道挖深后，湖泊水动力改善较为明显，水流流速整体基本达到了0.2 m/s，但湖泊南部的水动力改善幅度相对较低，这一方面是由于广洋湖穿湖河道数量较少，另一方面是由于从西边入湖的穿湖河道水流由湖泊东北方向出流，使得南部湖区受到穿湖河道较高流速水流扰动较少，流速提升效果相对较低，可将穿湖河道水流在入湖前通过开挖渠道引流部分水流至湖泊南部，加强对湖泊南部水体扰动，提升湖泊整体水动力。洋汊荡在穿湖河道挖深后整体流速有一定改善，尤其是在穿湖河道河槽所处的水面，水流流速得到了不同程度的提升，对于穿湖河道交汇处的西北部湖区，水流流速也有了相应的改善，这可能是由于穿湖河道较高流速水流的对冲使得该区域的水流受到了一定的扰动，使得水动力情况有所改善，而湖区北部水流流速的改善，可能是由于出湖河道只有一条，而穿湖河道水流又相对流速较大引起的。

图3 穿湖河道疏通前后里下河湖泊湖荡整体及细部水动力变化对比

3 结 语

里下河地区湖泊湖荡退圩还湖后的水动力状况会直接影响到水质的优劣以及周边地区的水资源安全保障，关乎退圩还湖工作的成效。进行河湖连通后湖区的水动力模拟，可提前判断退圩还湖后河湖连通工作的效果，为里下河腹部地区河湖水系连通规划提供一定的参考。总体而言，退圩还湖后穿湖河道疏通后河网水流流速整体上变化幅度较小，但湖泊湖荡整体流速得到了一定的提升，射阳湖、獐狮荡、大凹子圩、得胜湖、广洋湖等湖泊流速改善效果明显，流速增大到0.3～0.4 m/s，水动力提升效果较为显著。