北麻漾湖泊形态调整与水流数值模拟分析

张荣贵，覃春乔，钟晓凤

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

湖泊地底和岸线形态特征是表征湖泊自身特征重要的因素，决定湖泊功能、生态系统以及周边用地布局，从而影响着湖泊的健康发展［1］。依据健康湖泊的内涵，湖泊应具备合理的岸线形态。湖泊岸线形态应自然流畅［2］，死水区、环流区较少；湖体内水流联系强，河湖保持良好的连通性和完整性。然而受社会经济发展的影响，湖泊面临着环境污染和生态破坏的双重危机。这种危机表现在湖泊保护与开发利用方面存在重开发、轻保护，重经济、轻生态的倾向，忽视了湖泊开发的整体性，影响了湖泊保护的效果，导致湖泊空间及其生态环境受人类活动影响日趋严重。目前国内湖泊研究课题集中在湖泊水质［3］、周边环境［4］和景观空间建设［5］的研究，对湖泊形态的研究内容较少。鉴于此，本文通过对吴江市北麻漾形态调整和相关水流数值分析，科学合理地对北麻漾形态进行规划设计，使之满足城市的发展和景观建设的要求。

1 研究区概况

北麻漾位于吴江市浦南地区中心，地处震泽、平望、盛泽三镇交汇处，具有十分重要的地理位置，影响着三镇甚至浦南地区的社会经济发展。北麻漾面积约9.88 km2，平均湖底高程0.8 m。北麻漾属杭嘉湖水系片区，雨量充沛，年平均温度为14.9～15.7℃，平均降水量为1 016 mm，平均水深2.5 m，最深处5 m左右，属吞吐型、雨源型湖泊。北麻漾主要通过寺港、双阳港、直港、总善桥港、南塘港、川桥港、上下荡等河流湖荡与周边水系沟通联系（见图1）。

图1 北麻澜水系

北麻漾位于吴江市浦南地区的中心地带，区域城市化发展速度较快，特别是北麻漾西侧将是震泽镇未来城镇发展的核心区域。一方面城镇发展对滨水区空间有着较大的需求，另一方面城镇发展也会对湖泊保护产生一定的压力，某些湖区现状岸线的过度曲折极大地增加了陆域与湖泊水体的接触范围，使之成为入湖污染源增加的重要因素。北麻漾湖底底泥面积见表1。

2 现状水流数值模拟

本次研究运用 EFDC（The Environmental Fluid Dynamics Code）模型，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等人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学和水质模拟，是一个多参数有限差分模型。该模型系统包括水动力、泥沙、有毒物质、水质、底质、风浪等模块，模拟计算过程中首先完成流场计算，获得三维流速场的时空分布特征，在此基础上计算泥沙迁移、冲淤作用，进而模拟受黏性泥沙吸附影响的各水质变量动态变化过程。本文主要利用模型中的水动力、风浪模块［6］。

由于吴江四季分明，属北亚热带季风海洋性气候，年平均风速3.2 m／s，常年夏季主导风向为东南风，冬季主导风向为西北风，故在设置预测方案时考虑了东南风、西北风和无风三种风向，风速考虑了常年平均风速3.2 m／s、5m／s、无风三种情况。

具体预测方案共分为四种。方案一：东南风，风速3.2 m／s，现状出入湖流量；方案二：西北风，风速3.2 m／s，现状出入湖流量；方案三：东南风，风速5m／s，现状出入湖流量；方案四：西北风，风速5m／s，现状出入湖流量。

现状主要出入湖河道流量主要为寺港，20 m3／s；双阳港，35 m3／s；总善桥港，38 m3／s；直港，38 m3／s；出湖河道中南塘港，23 m3／s；川桥港，108m3／s。

通过对不同计算结果的分析比较可知，模型在8 d后能够计算稳定。为了了解不同条件下北麻漾流场的模拟过程，现对四种预测方案10 d的流场图进行分析比较（见图2）。

表1 北麻漾湖区不同深度底泥面积及蓄积量统计

图2 各方案水流数值模拟

通过模拟计算的流场图可以看出，北麻漾现状水流流场整体较稳定，在湖泊西北角局部有微弱的滞留循环，西南角有较强的环流。而由于寺港相对于其他河流的流量较小，对北麻漾流场的影响较小，使得北麻漾西北部区域流速较缓慢。北麻漾作为北排通道的节点，排水通畅是其重要的保障，而现状淤积情况严重影响了其排洪蓄水的功能，因此北麻漾进行湖泊形态的调整十分必要。对北麻漾现状水流数值模拟进行分析，明确湖泊内部水流方向、流场强弱，以及影响湖泊流场的相关因素，为湖泊形态调整、岸线整治以及生态景观布局提供理论基础和科学支撑。

3 规划水流数值分析

为了使北麻漾更好地发挥其调蓄功能，同时提供更加有利于湖泊水生动植物生长的水体环境，本次规划对北麻漾湖区进行全面清淤。

岸线形态调整和用地布局势必会对湖泊流态造成影响。为了使用地布局对湖泊流场的影响减小到最低、布置合理，用地调整布置应遵循以下原则：尽量少占水面、避开行水通道、形态合理、改善区域水流循环。为了验证北麻漾湖泊形态调整方案的科学合理性，对北麻漾在规划岸线及规划湖底地形条件下，以及不同风速风向影响下的流场进行了数值模拟（见图3）。规划后北麻漾出入湖流量为：寺港20 m3／s；双阳港 35 m3／s；总善桥港 38 m3／s；直港38 m3／s；新开河道 40 m3／s。出湖河道为：南塘港86 m3／s；川桥港 85 m3／s。规划后的水流模拟预测条件与现状模拟时基本保持一致，具体预测方案共分为五种。方案一：东南风，风速3.2 m／s，无出入湖流量；方案二：西北风，风速3.2 m／s，无出入湖流量；方案三：东南风，风速5 m／s，规划出入湖流量；方案四：西北风，风速5 m／s，规划出入湖流量；方案五：无风条件，规划出入湖流量。

通过对不同计算结果的分析比较可知，模型在8 d后能够计算稳定。现给出不同方案下模型计算10 d的流场图（见图4）。

通过模拟计算的流场图可以看出，北麻漾通过岸线形态调整，岸线的调整使得北麻漾规划后整个湖泊水体流动性较规划前明显加快，湖泊与外界进行水体交换的周期缩短，且行洪蓄水的能力加强，使北排通道的畅流得到保障。

图3 北麻漾网格湖底高程规划

图4 各规划方案数值模拟

将北麻漾面积网格化，对每个单元格进行编号计算，用于分析北麻漾的现状与规划流速变化情况。本文将方案一的情况作为对比分析结果，见表2。

4 规划措施及效果评价

湖底的生态清淤、岸线的调整使得北麻漾规划后整个湖泊水体流动性较规划前明显加快，湖泊与外界进行水体交换的周期缩短，且行洪蓄水的能力加强，使北排通道的畅流得到保证。在入湖河口并靠近现状岛屿位置的流速有所增加，如表2中节点30、31、32处。而湖中岛屿的构建从一定程度上改变了北麻漾的流场，使得寺港对北麻漾流场的影响加大，由表2和图4可以看出北麻漾西北部水流流动加强，如表2节点40、41处，且北麻漾主流线的流速，如节点8、9、44等处，水流速度也加快。而靠近北麻漾岸边的流速有所减小，使得水流对护岸的冲刷减小。

虽然水流流速减小，但其对护岸和岛屿仍有一定的冲刷，需对岛屿周边进行护岸建设以稳定岛屿，同时对近水岸排泥场、出入湖处的岸线在兼顾生态效应的前提下，进行岸线加固与保护，以防止水流对其冲刷。

由于北麻漾水面宽广，缺乏视觉层次，湖中排泥岛利用不同的水生植物，既从生态上改善北麻漾水环境，又从景观上丰富了单一的水面。而近水岸排泥场也因其“滩涂湿地”的效果，有助于减缓水流对岸边的冲刷，有利于污染物和杂物的沉淀稀释，净化湖泊水质，排泥场湿地景观性水生植物的种植也使北麻漾的景观更加丰富，为今后将湿地作为教育、科研、景观、游憩等场所的发展做好准备。

规划之后的岸线发育系数［7］虽然较之前有所降低，但岸线调整并没有减少湖面面积，只是在区域范围内达到土地整合，规划之后的岸线更加适宜周边土地的开发利用和景观的建设。

表2 流场模拟3.2 m／s东南风作用下规划前后流速变化

5 结论与展望

本文运用EFDC三维模拟在湖泊前期规划设计中针对水量、水质、泥沙、水温等的模拟，起到了前瞻性研究作用，所需要的参数获取较为容易，成果与实际过程较为匹配，具有一定参考性。

湖泊前期规划设计中，流场分析能够反映湖泊换水能力、泥沙携带能力与水质保障能力，本文运用EFDC三维模拟，针对湖泊的自身形态做了平面和立面的优化调整，量化了形态调整的重要作用和效果，为后期设计做了重要支撑。

湖泊水环境改善除了关注洪涝问题和水质问题以外，湖泊自身生态环境的可持续发展与维持也越来越重要。在能预测湖泊未来的发展演变趋势的基础上开展前期规划设计，逐渐形成湖泊自身生态系统稳定，削弱人为干扰的影响，借助和运用模型这种重要的支撑手段，通过实际案例的验证，逐渐推进科学化开展水环境规划设计的重要路径。