基于MIKE21 FM模型的退圩還湖工程湖區洪水特征分析

黃婷婷 榮艷淑 王冬梅

摘要：退圩還湖工程的實施對湖泊水動力特征以及湖泊的水生態環境有極大的改善，并在多地得到很好的實行。以江蘇省平旺湖為研究對象，通過MIKE21 FM模型構建了平旺湖二維水動力模型，對比分析了20 a一遇洪水條件下退圩還湖工程實施前后湖區河道的槽蓄能力以及湖區洪水特征值的變化。結果表明：退圩還湖工程對湖底的地形進行了重塑，湖泊的調蓄能力得到增強;退圩還湖后湖區的水體在周邊閘泵的控制調度下呈南北往復流動，水體流動更加迅速，湖泊的水動力條件得到改善;退圩還湖后湖泊的淹沒水深、蓄洪量都有所減小，退圩還湖工程帶來的防洪效益明顯。

關鍵詞：退圩還湖工程;水動力條件;MIKE21 FM模型;調蓄能力;淹沒水深;平旺湖;江蘇省

中圖法分類號：TV213.3文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.005

文章編號：1006 - 0081（2021）10 - 0027 - 05

0 引 言

江蘇省里下河腹部地區的湖泊湖蕩因過度開發、圍墾湖泊，導致湖泊河流的水體流動不暢、自由水面與調蓄庫容減少，引起湖區的水動力條件惡化以及防洪排澇能力下降。由于里下河湖區地勢低洼，河道比降小，水流流速緩慢，河網水動力條件較差，湖泊的水動力特征將直接影響湖泊的水質與水生態環境[1]。退圩還湖工程的實施可有效地解決上述水環境問題[2]。

退圩還湖工程的研究主要集中于湖泊河流水動力條件的變化、河道防洪排澇能力的改變、湖區水環境與水生態等方面。王冬梅等[3]綜合考慮了湖區水生態、水質條件等因素，研究分析了固城湖退圩還湖實施方案的長效機制體系。常虹等[4]通過對比分析多個白馬湖退圩還湖實施方案下的水位-庫容關系曲線，以及入湖與出湖流量過程線，對白馬湖進行了調洪演算，最終篩選出了防洪排澇效果最為顯著的實施方案。陳立冬等[5]針對洪澤湖存在的種植養殖、水質及水生態惡化等問題，分析對策，提出了相關的治理建議。

一維水動力模型可對地形比較簡單的河道、河網的洪水影響因素進行分析，但無法對水動力條件較復雜的湖泊進行模擬分析[6]。而二維水動力模型應用較為廣泛，MIKE 21 FM模型可以從湖區的下泄流量[7]、湖泊水體流速與流場[8-9]、洪水淹沒分布[10-12]等方面，模擬出研究區域在退圩還湖后洪水要素變化[13]。秦伯強等[14]對太湖梅梁灣進行了水動力模擬，發現污染物濃度受到湖流和風速的影響較大，對研究污染物的變化規律和下一階段太湖的三維水動力模型的構建提供依據。張大茹等[15]以紅螺谷小流域的主要河流溝道為研究對象，應用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施涉水工程導致的阻水作用變化的過程。劉麗紅等[16]對新汴河及靈璧船閘進行了模擬分析，運用MIKE21 模型模擬出不同等級的洪水頻率下，研究區域內船閘工程的建設對新汴河河流主河道行洪產生的影響。

本文利用了MIKE21 FM軟件構建了興化市平旺湖二維水動力模型，對比分析了實施退圩還湖方案前后湖泊的水動力特征的變化，并對退圩還湖前后的洪水特征值及河道槽蓄作用變化進行了對比分析。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洪水特征值的變化。研究成果可為其他地區的退圩還湖工程提供理論參考。

1 MIKE 21 FM模型構建

1.1 研究區概況

平旺湖位于江蘇省興化市西北部，里下河腹部地區，地理位置為東經119°47′15″、北緯33°01′38″，平旺湖地理位置如圖1所示。平旺湖總保護面積為5.169 km2，由6個圩區組成，其中第一批滯澇圩2個，分別為Ⅱ103、Ⅱ104，保護面積為0.789 km2;第二批滯澇圩2個，分別為Ⅱ102、Ⅱ104，保護面積為1.365 km2;保留水面積分別為S22、W83，保護面積為3.006 km2。平旺湖主要是以滯澇圩形式存在，圩區分為副業圩和農業圩。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一級行水通道，中引河為二級行水通道。退圩還湖前湖區由于存在大面積種植圩與養殖圩，湖泊自由水面基本消失，喪失了防洪排澇的調蓄能力與調蓄庫容，導致湖區旱澇災害頻繁發生。因湖泊被過度圍墾，湖泊河道的過水斷面縮小，影響了湖泊整體排水，致使湖泊水系混亂。因此，水體流動堵塞，農藥、化肥、除草劑、大量的飼料等投放于湖泊，湖泊受到氮、磷等營養物質的污染，富營養化程度嚴重，污染加劇，湖水水質已下降到Ⅳ類以下。此外，湖泊受到過度人工干預與開發利用，許多生物種群已經消失，水生植物種類與數量不斷減少。

1.2 退圩還湖工程概況

由于退圩還湖前滯澇圩區內存在大面積居民點，而擬置換區內存在大面積魚塘，因此，對待置換區與擬置換區進行置換有利于擴大湖區的自由水面。對平旺湖圩區內的圩埂進行拆除，并對圩區內的魚塘塘底進行清淤。退圩還湖工程實施后，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。退圩還湖工程對湖底地形進行了重塑，根據平旺湖水生植物的有關調查，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，防止挺水植物蔓延。

根據減少占用陸域基本農田、減輕對環境不利影響的原則，退圩還湖工程在平旺湖規劃范圍內布置了16個排泥場，總面積0.79 km2。排泥場將用作退圩還湖工程的棄土區，不再作為平旺湖湖區的一部分，同時，相應調整平旺湖的保護范圍線和蓄水范圍線。根據《退圩還湖工程實施方案》對規劃中排泥場的位置和形態進行了調整，取消原規劃中PWH-1、PWH-2、PWH-3、PWH-6四塊排泥場;沿湖四周建設環湖堤防，堤防面積占用排泥場指標;增大PWH-4（現為 PWH-5）排泥場面積，主要用于滿足地方旅游開發、 經濟發展需求;在湖中增加兩座島嶼（PWH-2、PWH-3），用于生態環境建設;排泥場布置如圖2所示。

退圩還湖前，平旺湖無明顯湖泊岸線，退圩還湖工程實施后，在平旺湖環湖一周布設環湖堤防，形成較平滑的湖泊岸線，并且對平旺湖的保護范圍線、蓄水范圍線、堤線全部做出相應調整?？紤]到退圩還湖后湖泊生態系統的重建，采取生態修復措施，在清淤區、棄土區沿湖堤岸布置濱水植物，成湖后的湖區近岸帶內種植浮葉植物和挺水植物，在清淤區種植沉水植物，并投放適量的底棲生物和魚類，加快了湖區的生態恢復和改善。

1.3 研究數據與方法

將平旺湖實施退圩還湖前、后的地形數據轉換成.xyz的格式，將高程數據和水深數據導入到MIKE模型中的網格生成器中，退圩還湖前網格數1 483個，網格節點數869個;退圩還湖后網格數1 708個，節點數992個;生成地形后對地形文件進行平滑和插值。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一遇洪水過程線，下邊界為20 a一遇水位過程線。

水動力模塊遵循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中，忽略壓強變化的因素，只考慮了溫度對密度的影響因素[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為時間;x，y分別為在笛卡爾坐標系下所代表的坐標;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;g為重力加速度;[ρ0]為水的密度;Pa為壓強;S為源項;[Us]，[Vs]分別為源項的水流速度;[Sxx]，[Sxy]，[Syy]為輻射應力分量;[τbx]，[τsx]，[τby]，[τsy]分別為不同方向的剪應力;[Txx]，[Txy]，[Tyy]分別為不同的水平黏應力項。

1.4 MIKE21 FM模型率定與驗證

模型糙率是根據研究區域的地形高程選取，根據天然河道糙率取值范圍，選取率定糙率為0.030～0.035之間，經率定后糙率n取0.035。渦黏系數采用Smagorinsky公式計算，采用默認參數0.28。模型的模擬時段為2003年6月29日11：00：00至7月15日16：00：00，模擬的時間步長為1 800 s，模擬步數為778步。本次研究中，不考慮風、浪、溫度、潮汐、支流入匯等因素的影響。

以平旺湖區下游的河道出口斷面，即下官河1-1斷面作為模型驗證斷面。退圩還湖前后平旺湖的地形網格及河道的斷面位置分別如圖3和圖4所示，計算10 a一遇和20 a一遇來水條件下驗證斷面模擬得到的斷面平均水位與斷面平均流速，將率定與驗證的模擬結果與《興化市退圩還湖項目報告》中提供的下官河出口斷面的平均水位與平均水流流速進行對比，結果如表1所示。

由率定驗證可知：10 a一遇和20 a一遇洪水等級下的斷面平均水位誤差控制在0.1%以內。當河道糙率n=0.035時，10 a一遇的斷面平均流速誤差在8%以內，20 a一遇的斷面平均流速誤差在7%以內。因此，n=0.035時斷面平均水位以及斷面平均流速的模擬值與實測值的吻合較好。由此可以認為，MIKE 21 FM 模型能較好地模擬研究區域湖泊的水體流態情況。

2 平旺湖退圩還湖工程效果分析

2.1 對河道下泄流量的影響

為了研究退圩還湖工程實施對湖區湖泊調蓄功能產生的影響，以下官河河道發生20 a一遇洪水為例，以河道中游2-2斷面與河道下游1-1斷面為監測斷面，如圖1與圖2所示。監測斷面洪峰流量如表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 對湖泊水體流速的影響

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

退圩還湖工程實施后，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。當行洪至370 h時，還湖后河道斷面的最大水體流速相比還湖前增長率達到最大，流速增大了0.046 m/s。由此可見，退圩還湖工程的實施可以加快河道斷面水體流速。

2.3 對湖泊洪水特征的影響

為了研究退圩還湖工程的實施為湖區帶來的防洪效益，比較并分析在20 a一遇來水條件下退圩還湖前后平旺湖區域的最大淹沒水深以及湖泊蓄洪量的變化過程，由表2可知，退圩還湖后湖區的最大淹沒水深有所減小，減小約0.02 m。由圖6可知，湖區的蓄洪量在退圩還湖工程實施后有所減小，當行洪至280 h時，湖區蓄洪量減小最大，減小1.19×106? m3。因此可以認為，退圩還湖工程使得湖泊的淹沒水深及蓄洪量都相應地減小，從而減少了湖區洪澇災害的發生。

2.4 退圩還湖工程綜合效益

退圩還湖工程實施后，湖泊的防洪排澇能力、水生態環境、當地社會經濟條件等均得到了提升與改善。具體包括：①防洪排澇效益。退圩還湖工程報告顯示，退圩還湖工程的實施使平旺湖泊自由水面積增大，其供水調蓄庫容恢復近262.7萬m3，還湖后的湖泊將更有效發揮“中滯”作用，減輕下游排洪壓力，減小洪澇災害的損失。②水環境效益。退圩還湖工程實施后，消減了圍墾區與入湖河道的污染，湖泊的水環境容量與環境承載能力均得到了提高，湖泊水體流動加快，水體自凈能力得到了增強，湖泊的水質逐漸從還湖前的Ⅳ類水變為Ⅲ類水。③社會效益。退圩還湖工程的實施可以減少因暴雨造成的洪澇災害給當地居民帶來的危害，改善湖區的水體景觀與生態功能，提高居民的環境質量，促進沿湖地區經濟社會和諧發展。

3 結 論

本文以里下河平旺湖為研究區域，使用了MIKE21 FM水動力模型，研究了退圩還湖前后湖泊的水生態環境、水動力條件、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蓄能力以及防洪排澇能力的變化，結論如下。

（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。

（2）退圩還湖工程實施后，湖區整體水體流速增大，還湖后的湖區不易產生淤積，從而使湖區與周邊水系更加連通。退圩還湖工程的實施更有利于湖區水生態環境的改善。

（3）退圩還湖工程的實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。平旺湖區洪水的淹沒水深以及蓄洪量相應地減小，由此可見，退圩還湖工程的實施對湖區的防洪排澇能力產生了積極的影響。

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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