李凱 趙澤亞 岳宇 喻桂成 徐華 王永平

摘要：為研究大風(fēng)對洪澤湖泗陽生態(tài)島工程湖流影響，采用MIKE 3建立了洪澤湖三維水動力數(shù)學(xué)模型。通過實(shí)測資料對模型參數(shù)率定，驗(yàn)證結(jié)果良好，進(jìn)而研究了不同工況條件下洪澤湖水動力特性及泗陽生態(tài)島工程對其附近湖流動力影響特性。結(jié)果表明：洪澤湖湖區(qū)流場變化主要受大風(fēng)影響，風(fēng)向及水位的變化均能對湖區(qū)壅水及湖流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。生態(tài)島的填筑將導(dǎo)致湖區(qū)出現(xiàn)局部迎流側(cè)流速增大、背流側(cè)流速減小的現(xiàn)象，但對整個湖區(qū)湖流及環(huán)流結(jié)構(gòu)基本無影響。研究成果可為洪澤湖泗陽生態(tài)島工程安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：水動力學(xué)； MIKE 3； 湖流； 數(shù)值模擬； 生態(tài)島工程； 洪澤湖

中圖法分類號：TV143

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.014

文章編號：1006-0081（2023）07-0083-08

0 引 言

洪澤湖屬淺水湖泊，是中國第四大淡水湖，是江蘇省內(nèi)陸濕地類型最為豐富、濕地保存最為完好、物種豐富度最高的區(qū)域之一［1］。洪澤湖近年來一度出現(xiàn)大規(guī)模的圈圩（圍網(wǎng)）養(yǎng)殖活動，無序漁業(yè)養(yǎng)殖活動造成洪澤湖蓄水面積由1 780 km2減少到約1 300 km2［2］（圖1）。大面積圈圍致使湖區(qū)水域面積嚴(yán)重縮小，興利庫容減少，也降低了洪澤湖調(diào)蓄的能力，惡化了洪澤湖水質(zhì)［3］。針對洪澤湖圈圍存在的問題，退圩還湖已迫在眉睫［4］。洪澤湖退圩還湖將擴(kuò)大湖區(qū)自由水面面積，恢復(fù)湖區(qū)水體自凈能力，提升湖區(qū)水質(zhì)條件，且有利于湖區(qū)供水、防洪、水生態(tài)修復(fù)等能力的提高［4］。同時，《江蘇省洪澤湖退圩還湖規(guī)劃》［5］明確提出：結(jié)合堤防加固，剩余的退圩還湖棄土“聚泥成島”，不僅解決了棄土去留問題，也減少了滯洪區(qū)占地。退圩還湖工程在洪澤湖成子湖區(qū)形成鷺居島、鷺飛島和報(bào)墩島3個生態(tài)島［6］。

洪澤湖成子湖區(qū)鷺居島、鷺飛島和報(bào)墩島3個生態(tài)島工程建設(shè)勢必引起湖區(qū)局部湖流水動力條件變化，對生態(tài)島自身穩(wěn)定造成不利影響。眾所周知，風(fēng)場決定著湖泊的湖流形態(tài)、環(huán)流結(jié)構(gòu)及湖流流速［7-8］。洪澤湖湖流流場整體呈風(fēng)生流和吞吐流雙重特點(diǎn)［9］，其南部湖區(qū)是受其吞吐流影響最大的湖區(qū)，而生態(tài)島工程所在區(qū)域成子湖區(qū)主要受風(fēng)生流作用控制［10］。目前，洪澤湖生態(tài)島對湖區(qū)水動力影響特性尚不清晰，也未見相關(guān)研究。

本文基于MIKE 3建立洪澤湖三維水動力模型，對模型進(jìn)行了參數(shù)率定與驗(yàn)證，對不同工況下的湖流水動力特性進(jìn)行分析，進(jìn)而對比分析生態(tài)島建設(shè)對湖區(qū)局部水動力影響，為后續(xù)生態(tài)島建設(shè)及岸坡穩(wěn)定整治處理提供技術(shù)支撐。

1 洪澤湖湖流三維水動力數(shù)值模型

MIKE 3是丹麥水力研究所開發(fā)的系列水動力學(xué)軟件之一，可模擬具有自由表面的三維流動系統(tǒng)，主要應(yīng)用于湖泊、河口、海灣及海洋的水流及水環(huán)境模擬［11］。

MIKE 3能夠模擬垂向密度不同的非恒定流，并考慮外部作用力，如氣象、潮汐、流場和其他水力條件的影響。MIKE 3圖形界面友好、靈活和快速，以三維方式模擬非恒定流，是從簡單河、湖到大型水庫、外海區(qū)域理性的分析、設(shè)計(jì)、管理和操作工具［12］。

1.1 模型計(jì)算原理

1.1.1 水動力模型

MIKE 3水動力模型的基本方程是連續(xù)方程和x、y及z共3個方向的動量守恒方程，其中，z方向采用垂向σ轉(zhuǎn)換方程，且x=x′，y=y′，σ=z－zb/h，轉(zhuǎn)換后的三維非恒定流淺水方程形式如下：

1.2 水動力模型建立及驗(yàn)證

1.2.1 水動力模型建立

本研究采用洪澤湖2018年地形資料建立水動力模型，湖區(qū)水深基本為8.0～13.0 m，湖心存在部分淺水凸起地形，主要集中在成子湖區(qū)向東南湖心出口區(qū)域。利用MIKE 3模型中Mesh Generator工具將湖區(qū)劃分約為290 000個非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，共計(jì)約140 000個節(jié)點(diǎn)，最大網(wǎng)格單位120 m，最小網(wǎng)格單元10 m，局部網(wǎng)格加密主要集中在生態(tài)島附近，以增加模擬精度。為滿足模型穩(wěn)定性和計(jì)算精度的要求，同時受限于柯朗條件，該模型計(jì)算時間步長選取30 s。

1.2.2 模型驗(yàn)證

水動力模型分別采用2019年5月19日、8月14日及9月10日3次洪澤湖常水位典型風(fēng)場下的流場觀測資料進(jìn)行驗(yàn)證［13］。其中，5月19日湖區(qū)水位12.47 m，監(jiān)測期平均風(fēng)速1.93 m/s，監(jiān)測期平均風(fēng)向西北向（NW）；8月14日湖區(qū)水位12.09 m，監(jiān)測期平均風(fēng)速1.55 m/s，監(jiān)測期平均風(fēng)向北向（NNW）；9月10日湖區(qū)水位12.38 m，監(jiān)測期平均風(fēng)速1.31 m/s，監(jiān)測期平均風(fēng)向東向（ENE）（以上風(fēng)速均已換算至水面上10 m處）。同時，驗(yàn)證點(diǎn)位或斷面位置以文獻(xiàn)［13］為準(zhǔn)（圖2），主要以洪澤湖成子湖區(qū)LC9（YZD-1）點(diǎn)位、FS-9（YZDM-1）斷面及FS-5（YZDM-2）斷面實(shí)測資料為驗(yàn)證對象。模型參數(shù)設(shè)置參考相關(guān)研究成果［9］，設(shè)定干水深為0.006 m，濕水深為0.100 m，淹沒水深為0.050 m。主要參數(shù)設(shè)置為：曼寧系數(shù)45 m1/3/s、CFL數(shù)0.8、渦黏系數(shù)0.28。驗(yàn)證結(jié)果見圖3。

圖3分析列舉了洪澤湖湖流3組典型風(fēng)場下的流場矢量分布，由FS-9（YZDM-1）斷面及FS-5（YZDM-2）斷面實(shí)測資料可知：當(dāng)風(fēng)速為1.93 m/s，風(fēng)向?yàn)镹W時，在西風(fēng)作用下，洪澤湖表層湖流湖水在成子湖灣口存在自成河流向成子湖灣口左岸的東北向水流，該區(qū)域湖流環(huán)流呈順時針；當(dāng)風(fēng)速為1.55 m/s，風(fēng)向?yàn)镹NW時，湖流在成子湖徐洪河河口至報(bào)墩島一線湖水向西北流動，而在灣口存在東偏北向入洪澤湖主體北部水域水流，成子湖區(qū)域湖流環(huán)流呈逆時針；當(dāng)風(fēng)速為1.31 m/s，風(fēng)向?yàn)镋NE時，在成子湖徐洪河河口至報(bào)墩島一線湖水向東南流動，而在成子湖灣口存在靠近右岸東南向入洪澤湖主體南部水域水流?？紤]到大范圍湖流模擬難度較大，且驗(yàn)證組次風(fēng)力較小，湖區(qū)流速響應(yīng)不敏感，本次驗(yàn)證未能做到與實(shí)測完全相近，但湖流規(guī)律與實(shí)測資料分析基本相似。同時，如表2所示，3個驗(yàn)證工況相應(yīng)驗(yàn)證點(diǎn)位或斷面流速相近，模型驗(yàn)證良好，說明建立的三維洪澤湖水動力模型可以進(jìn)行相關(guān)水動力研究。

2 模擬工況設(shè)置

風(fēng)取自洪澤湖湖區(qū)附近盱眙氣象站和泗洪氣象站實(shí)測資料。盱眙氣象站和泗洪氣象站均屬于國家基本氣象站，區(qū)站編號分別為58138和58135。根據(jù)盱眙氣象站16個方位的風(fēng)向頻率統(tǒng)計(jì)資料（2012～2019年，缺2015年），繪制風(fēng)向頻率玫瑰圖（圖4）。由圖4可知，盱眙氣象站常風(fēng)向?yàn)镋SE向，出現(xiàn)頻率為12.1%，次常風(fēng)向?yàn)镋向，出現(xiàn)頻率為11.5%。兩個方向的出現(xiàn)頻率基本相當(dāng)，明顯高于其他方向的出現(xiàn)頻率。同時，根據(jù)泗洪氣象站2020年逐時風(fēng)向觀測資料統(tǒng)計(jì)分析，繪制風(fēng)向頻率玫瑰圖（圖5）。由圖5可知，泗洪氣象站常風(fēng)向?yàn)镋向和ESE向，兩方向的出現(xiàn)頻率均為12.2%。其次，ENE向的出現(xiàn)頻率也較高，為11.6%。除上述3個方向外，其他方向的出現(xiàn)頻率均在10%以內(nèi)。本文通過對收集的氣象站實(shí)測風(fēng)速資料進(jìn)行整理，對風(fēng)速的高度修正和陸水修正得到了洪澤湖區(qū)汛期設(shè)計(jì)風(fēng)速（表3）［14］。

本次數(shù)學(xué)模型計(jì)算采用的水位如下：汛限水位為12.5 m；正常蓄水位為13.5 m；設(shè)計(jì)洪水位為16.0 m（采用廢黃河基面）。因此，本次模擬設(shè)置6組工況研究大風(fēng)對洪澤湖及生態(tài)島填筑局部湖流特性的影響，具體見表4。

3 成果分析

本文以常風(fēng)向SSW，風(fēng)速20.4 m/s及水位12.5，13.5 m和16.0 m與重點(diǎn)風(fēng)向W，風(fēng)速20.4 m/s及水位13.5 m為例，重點(diǎn)分析洪澤湖湖區(qū)表層水流運(yùn)動特性及生態(tài)島存在與否對湖區(qū)局部流場的影響。其中，組次1與組次4重點(diǎn)分析不同水位情況下洪澤湖湖區(qū)水位及流場變化特性，組次2與組次3重點(diǎn)分析不同風(fēng)向下洪澤湖湖區(qū)水位及流場變化特性，而組次4與組次5重點(diǎn)分析成子湖區(qū)生態(tài)島填筑對湖區(qū)局部流場影響特性，組次6分析波浪與湖流可能對生態(tài)島產(chǎn)生的雙重影響，加深對洪澤湖成子湖區(qū)生態(tài)島附近波浪場特性的認(rèn)識。

3.1 大風(fēng)對洪澤湖湖流動力特性分析

如圖6所示，當(dāng)常風(fēng)向SSW，風(fēng)速20.4 m/s及水位12.5 m時，在大風(fēng)驅(qū)動下，湖區(qū)水位呈現(xiàn)從上風(fēng)區(qū)到下風(fēng)區(qū)增加的趨勢，且靠近成子湖區(qū)水位基本大于12.75 m，發(fā)生較為明顯的壅水現(xiàn)象，尤其成子湖區(qū)上半部分，壅水達(dá)到0.5 m及以上。同時，湖區(qū)流速分布較為雜亂，基本保持中心湖區(qū)流速在0.1 m/s左右，沿岸流多在0.4 m/s以上，甚至最大達(dá)到1.0 m/s以上。與組次4相比（圖7），當(dāng)常風(fēng)向SSW，風(fēng)速20.4 m/s及水位16.0 m時，在大風(fēng)驅(qū)動下，湖區(qū)水位也呈現(xiàn)從上風(fēng)區(qū)到下風(fēng)區(qū)增加的趨勢，但壅水變化程度要更加平緩，僅在成子湖區(qū)上部小部分壅水達(dá)0.25 m及以上，相應(yīng)的湖區(qū)流速分布雖與組次1相似，但湖區(qū)中心及沿岸流流速均較小。這說明當(dāng)湖區(qū)水位減小時，風(fēng)對水流的拖曳能力增大，湖流的流速增大，尤其沿岸流變化較為明顯。

如圖8所示，當(dāng)常風(fēng)向SSW，風(fēng)速20.4 m/s及水位13.5 m時，在大風(fēng)驅(qū)動下，湖區(qū)水位呈現(xiàn)從上風(fēng)區(qū)到下風(fēng)區(qū)增加的趨勢，且靠近成子湖區(qū)水位基本大于13.75 m，發(fā)生較為明顯的壅水現(xiàn)象，尤其成子湖區(qū)上半部分，壅水達(dá)到0.5 m及以上。同時，湖區(qū)流速分布較為雜亂，基本保持中心湖區(qū)流速基本在0.1 m/s左右，位于成子湖區(qū)入水口，流速達(dá)到0.3 m/s，說明此處水流條件較差，可能引起不同程度沖刷或泥沙輸移。

與組次4相比，對于組次3（圖9），當(dāng)常風(fēng)向W，風(fēng)速20.4 m/s及水位13.5 m時，在大風(fēng)驅(qū)動下，湖區(qū)水位也呈現(xiàn)從上風(fēng)區(qū)到下風(fēng)區(qū)增加的趨勢，

但此時壅水主要存在中心湖區(qū)東部，壅水達(dá)到0.5 m以上，而成子湖區(qū)基本沒有形成壅水，相應(yīng)的湖區(qū)流速分布雖與組次4相似，但在成子湖區(qū)進(jìn)口形成更大流速區(qū)域。這說明受不同風(fēng)向作用影響，湖泊下風(fēng)區(qū)一端水位有所壅高，上風(fēng)區(qū)一端水位有所降低，同時，流場及水流結(jié)構(gòu)將發(fā)生一定變化，這與風(fēng)速大小、風(fēng)向及初始水位等密切相關(guān)。

3.2 生態(tài)島對湖流動力影響特性分析

為了分析生態(tài)島存在對成子湖區(qū)局部湖流影響，本文在鷺居島周邊設(shè)置LJ-1～ LJ-8及SY-12～ SY-14共11個點(diǎn)進(jìn)行對比分析，在鷺飛島周邊設(shè)置LF-1～ LF-8共8個點(diǎn)進(jìn)行對比分析，在報(bào)墩島周邊設(shè)置BD-1～ BD-6及SY-1共7個點(diǎn)進(jìn)行對比分析。具體點(diǎn)位位置見圖10。

如圖11與圖12所示，生態(tài)島筑填對湖區(qū)流速或環(huán)流結(jié)構(gòu)基本沒有影響，主要原因是洪澤湖本身范圍較大，而生態(tài)島面積相對較小，因此對整個湖流流速及環(huán)流結(jié)構(gòu)影響基本可以忽略。但生態(tài)島筑填將可能對局部水流產(chǎn)生一定影響，大范圍模擬難以可視地捕捉細(xì)微變化。因此，本文對3個生態(tài)島附近典型點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，以分析生態(tài)島填筑對局部湖流或生態(tài)島的影響。如圖13～15所示，3個生態(tài)島的筑填對局部流速均有一定影響，主要表現(xiàn)為遠(yuǎn)離岸側(cè)流速出現(xiàn)一定增大，增大幅度有限（約30%），而近岸側(cè)流速由于島嶼遮掩作用，島后水流流速將存在減小情況。從周邊其他點(diǎn)位流速數(shù)據(jù)可知，遠(yuǎn)離生態(tài)島一定距離后，水流基本不受生態(tài)島影響。同時，本文通過對工程存在情況與組次5相同模擬條件的波浪場進(jìn)行分析（圖16），發(fā)現(xiàn)洪澤湖成子湖區(qū)生態(tài)島附近有效波高達(dá)1.2 m以上，尤其鷺居島附近達(dá)到1.6 m以上?？梢灶A(yù)見的是，在波浪作用下，生態(tài)島附近及其沿岸泥沙將受到波浪擾動形成懸沙，在湖流近岸或生態(tài)島附近高流速水流作用下，極易形成懸沙輸移，可能造成生態(tài)島自身岸坡泥沙及周邊泥沙沖刷和不穩(wěn)定情況發(fā)生［8，15］。因此，在該特征風(fēng)況及水位情況下，需要關(guān)注生態(tài)島穩(wěn)定性，且必要時需進(jìn)行相應(yīng)護(hù)坡措施以加強(qiáng)生態(tài)島自身岸坡穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

洪澤湖湖區(qū)水動力條件較為復(fù)雜，“聚泥成島”工程實(shí)施后，將可能改變原有的水動力條件，造成了

局部岸段和島嶼水流存在不穩(wěn)定的情況。本文通過MIKE 3建立三維洪澤湖水動力模型模擬典型水位

和風(fēng)向風(fēng)力的條件下洪澤湖流特性及生態(tài)島影響研究，主要形成如下結(jié)論。

（1） 洪澤湖作為典型的淺水型湖泊，水深較淺，湖流特性主要受大風(fēng)影響，在大風(fēng)作用下擾動較明顯，湖區(qū)水位呈現(xiàn)從上風(fēng)區(qū)到下風(fēng)區(qū)增加的趨勢，湖流流速較大區(qū)域主要集中在沿岸流。當(dāng)湖區(qū)水位減小時，風(fēng)對水流的拖曳能力增大，湖流的流速繼而增大，尤其沿岸流變化較為明顯。同時，風(fēng)向改變也將明顯影響湖區(qū)流場，使水流結(jié)構(gòu)發(fā)生一定變化。

（2） 通過對比分析發(fā)現(xiàn)，生態(tài)島的筑填對整個湖流流速及環(huán)流結(jié)構(gòu)影響不明顯，但生態(tài)島筑填將可能對局部水流產(chǎn)生一定影響，主要表現(xiàn)為為遠(yuǎn)離岸側(cè)流速出現(xiàn)一定增大，增大幅度在30%左右，近岸側(cè)由于島嶼遮掩作用，島后水流流速將存在減小現(xiàn)象。

（3） 通過研究認(rèn)為，湖流大流速區(qū)域主要為沿岸流，加之生態(tài)島的筑填將形成類似阻水建筑的沖刷情況，將導(dǎo)致其遠(yuǎn)離岸側(cè)的迎流側(cè)出現(xiàn)一定沖刷，而靠近岸側(cè)由于沿岸流作用，雖然有一定遮掩，其后流速出現(xiàn)一定減小情況，但是仍可能受到沿岸流影響，也出現(xiàn)一定沖刷。同時，洪澤湖成子湖區(qū)生態(tài)島附近有效波高達(dá)到1.2 m以上，尤其鷺居島附近達(dá)到1.6 m以上，可以預(yù)見的是在波浪作用下，生態(tài)島附近及其沿岸泥沙將受到波浪擾動形成懸沙，在湖流近岸或生態(tài)島附近高流速水流作用下，極易產(chǎn)生懸沙輸移而形成一定局部或整體沖刷。因此，需要關(guān)注生態(tài)島在復(fù)雜水流環(huán)境下的自身岸坡穩(wěn)定，建議后期加強(qiáng)岸坡防護(hù)措施現(xiàn)場觀測分析。

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（編輯：李 慧）