基于MIKE21 FM模型的退圩还湖工程湖区洪水特征分析

黄婷婷 荣艳淑 王冬梅

摘要：退圩还湖工程的实施对湖泊水动力特征以及湖泊的水生态环境有极大的改善，并在多地得到很好的实行。以江苏省平旺湖为研究对象，通过MIKE21 FM模型构建了平旺湖二维水动力模型，对比分析了20 a一遇洪水条件下退圩还湖工程实施前后湖区河道的槽蓄能力以及湖区洪水特征值的变化。结果表明：退圩还湖工程对湖底的地形进行了重塑，湖泊的调蓄能力得到增强;退圩还湖后湖区的水体在周边闸泵的控制调度下呈南北往复流动，水体流动更加迅速，湖泊的水动力条件得到改善;退圩还湖后湖泊的淹没水深、蓄洪量都有所减小，退圩还湖工程带来的防洪效益明显。

关键词：退圩还湖工程;水动力条件;MIKE21 FM模型;调蓄能力;淹没水深;平旺湖;江苏省

中图法分类号：TV213.3文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.005

文章编号：1006 - 0081（2021）10 - 0027 - 05

0 引 言

江苏省里下河腹部地区的湖泊湖荡因过度开发、围垦湖泊，导致湖泊河流的水体流动不畅、自由水面与调蓄库容减少，引起湖区的水动力条件恶化以及防洪排涝能力下降。由于里下河湖区地势低洼，河道比降小，水流流速缓慢，河网水动力条件较差，湖泊的水动力特征将直接影响湖泊的水质与水生态环境[1]。退圩还湖工程的实施可有效地解决上述水环境问题[2]。

退圩还湖工程的研究主要集中于湖泊河流水动力条件的变化、河道防洪排涝能力的改变、湖区水环境与水生态等方面。王冬梅等[3]综合考虑了湖区水生态、水质条件等因素，研究分析了固城湖退圩还湖实施方案的长效机制体系。常虹等[4]通过对比分析多个白马湖退圩还湖实施方案下的水位-库容关系曲线，以及入湖与出湖流量过程线，对白马湖进行了调洪演算，最终筛选出了防洪排涝效果最为显著的实施方案。陈立冬等[5]针对洪泽湖存在的种植养殖、水质及水生态恶化等问题，分析对策，提出了相关的治理建议。

一维水动力模型可对地形比较简单的河道、河网的洪水影响因素进行分析，但无法对水动力条件较复杂的湖泊进行模拟分析[6]。而二维水动力模型应用较为广泛，MIKE 21 FM模型可以从湖区的下泄流量[7]、湖泊水体流速与流场[8-9]、洪水淹没分布[10-12]等方面，模拟出研究区域在退圩还湖后洪水要素变化[13]。秦伯强等[14]对太湖梅梁湾进行了水动力模拟，发现污染物浓度受到湖流和风速的影响较大，对研究污染物的变化规律和下一阶段太湖的三维水动力模型的构建提供依据。张大茹等[15]以红螺谷小流域的主要河流沟道为研究对象，应用MIKE二维模型研究分析了红螺谷河道中河流蓄洪作用的改变以及实施涉水工程导致的阻水作用变化的过程。刘丽红等[16]对新汴河及灵璧船闸进行了模拟分析，运用MIKE21 模型模拟出不同等级的洪水频率下，研究区域内船闸工程的建设对新汴河河流主河道行洪产生的影响。

本文利用了MIKE21 FM软件构建了兴化市平旺湖二维水动力模型，对比分析了实施退圩还湖方案前后湖泊的水动力特征的变化，并对退圩还湖前后的洪水特征值及河道槽蓄作用变化进行了对比分析。此外，还模拟了20 a一遇洪水条件下湖泊河道槽蓄能力的改变以及湖区洪水特征值的变化。研究成果可为其他地区的退圩还湖工程提供理论参考。

1 MIKE 21 FM模型构建

1.1 研究区概况

平旺湖位于江苏省兴化市西北部，里下河腹部地区，地理位置为东经119°47′15″、北纬33°01′38″，平旺湖地理位置如图1所示。平旺湖总保护面积为5.169 km2，由6个圩区组成，其中第一批滞涝圩2个，分别为Ⅱ103、Ⅱ104，保护面积为0.789 km2;第二批滞涝圩2个，分别为Ⅱ102、Ⅱ104，保护面积为1.365 km2;保留水面积分别为S22、W83，保护面积为3.006 km2。平旺湖主要是以滞涝圩形式存在，圩区分为副业圩和农业圩。平旺湖附近的河道主要有下官河、塘沟河、中引河、边沟河、土桥河、黄邳河、顾赵河、漏税河等。其中，下官河为里下河腹部地区一级行水通道，中引河为二级行水通道。退圩还湖前湖区由于存在大面积种植圩与养殖圩，湖泊自由水面基本消失，丧失了防洪排涝的调蓄能力与调蓄库容，导致湖区旱涝灾害频繁发生。因湖泊被过度围垦，湖泊河道的过水断面缩小，影响了湖泊整体排水，致使湖泊水系混乱。因此，水体流动堵塞，农药、化肥、除草剂、大量的饲料等投放于湖泊，湖泊受到氮、磷等营养物质的污染，富营养化程度严重，污染加剧，湖水水质已下降到Ⅳ类以下。此外，湖泊受到过度人工干预与开发利用，许多生物种群已经消失，水生植物种类与数量不断减少。

1.2 退圩还湖工程概况

由于退圩还湖前滞涝圩区内存在大面积居民点，而拟置换区内存在大面积鱼塘，因此，对待置换区与拟置换区进行置换有利于扩大湖区的自由水面。对平旺湖圩区内的圩埂进行拆除，并对圩区内的鱼塘塘底进行清淤。退圩还湖工程实施后，平旺湖整体与下官河整体相连接，更有利于湖泊周边水系的连通。退圩还湖工程对湖底地形进行了重塑，根据平旺湖水生植物的有关调查，还湖后湖底平均高程约为-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。

根据减少占用陆域基本农田、减轻对环境不利影响的原则，退圩还湖工程在平旺湖规划范围内布置了16个排泥场，总面积0.79 km2。排泥场将用作退圩还湖工程的弃土区，不再作为平旺湖湖区的一部分，同时，相应调整平旺湖的保护范围线和蓄水范围线。根据《退圩还湖工程实施方案》对规划中排泥场的位置和形态进行了调整，取消原规划中PWH-1、PWH-2、PWH-3、PWH-6四块排泥场;沿湖四周建设环湖堤防，堤防面积占用排泥场指标;增大PWH-4（现为 PWH-5）排泥场面积，主要用于满足地方旅游开发、 经济发展需求;在湖中增加两座岛屿（PWH-2、PWH-3），用于生态环境建设;排泥场布置如图2所示。

退圩还湖前，平旺湖无明显湖泊岸线，退圩还湖工程实施后，在平旺湖环湖一周布设环湖堤防，形成较平滑的湖泊岸线，并且对平旺湖的保护范围线、蓄水范围线、堤线全部做出相应调整。考虑到退圩还湖后湖泊生态系统的重建，采取生态修复措施，在清淤区、弃土区沿湖堤岸布置滨水植物，成湖后的湖区近岸带内种植浮叶植物和挺水植物，在清淤区种植沉水植物，并投放适量的底栖生物和鱼类，加快了湖区的生态恢复和改善。

1.3 研究数据与方法

将平旺湖实施退圩还湖前、后的地形数据转换成.xyz的格式，将高程数据和水深数据导入到MIKE模型中的网格生成器中，退圩还湖前网格数1 483个，网格节点数869个;退圩还湖后网格数1 708个，节点数992个;生成地形后对地形文件进行平滑和插值。模型给定的恒定初始水位为1.08 m，初始水体流速为0。模型的开边界中，上边界选取的是下官河的入口断面，下边界选取的是下官河的出口断面。上边界为20 a一遇洪水过程线，下边界为20 a一遇水位过程线。

水动力模块遵循Navier-Stokes公式，且服从Boussinesq和静水压力的假定，也就是流体低速流动中，忽略压强变化的因素，只考虑了温度对密度的影响因素[17]。二维非恒定平面浅水流的方程组为

[?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为时间;x，y分别为在笛卡尔坐标系下所代表的坐标;η为水位;h为总水深;u和v分别为x和y方向上的速度分量;Ω为科氏力系数;g为重力加速度;[ρ0]为水的密度;Pa为压强;S为源项;[Us]，[Vs]分别为源项的水流速度;[Sxx]，[Sxy]，[Syy]为辐射应力分量;[τbx]，[τsx]，[τby]，[τsy]分别为不同方向的剪应力;[Txx]，[Txy]，[Tyy]分别为不同的水平黏应力项。

1.4 MIKE21 FM模型率定与验证

模型糙率是根据研究区域的地形高程选取，根据天然河道糙率取值范围，选取率定糙率为0.030～0.035之间，经率定后糙率n取0.035。涡黏系数采用Smagorinsky公式计算，采用默认参数0.28。模型的模拟时段为2003年6月29日11：00：00至7月15日16：00：00，模拟的时间步长为1 800 s，模拟步数为778步。本次研究中，不考虑风、浪、温度、潮汐、支流入汇等因素的影响。

以平旺湖区下游的河道出口断面，即下官河1-1断面作为模型验证断面。退圩还湖前后平旺湖的地形网格及河道的断面位置分别如图3和图4所示，计算10 a一遇和20 a一遇來水条件下验证断面模拟得到的断面平均水位与断面平均流速，将率定与验证的模拟结果与《兴化市退圩还湖项目报告》中提供的下官河出口断面的平均水位与平均水流流速进行对比，结果如表1所示。

由率定验证可知：10 a一遇和20 a一遇洪水等级下的断面平均水位误差控制在0.1%以内。当河道糙率n=0.035时，10 a一遇的断面平均流速误差在8%以内，20 a一遇的断面平均流速误差在7%以内。因此，n=0.035时断面平均水位以及断面平均流速的模拟值与实测值的吻合较好。由此可以认为，MIKE 21 FM 模型能较好地模拟研究区域湖泊的水体流态情况。

2 平旺湖退圩还湖工程效果分析

2.1 对河道下泄流量的影响

为了研究退圩还湖工程实施对湖区湖泊调蓄功能产生的影响，以下官河河道发生20 a一遇洪水为例，以河道中游2-2断面与河道下游1-1断面为监测断面，如图1与图2所示。监测断面洪峰流量如表1所列。

由表1可以看出：退圩还湖工程实施后，下官河河道的下游断面下泄流量减小了0.96 m3/s，槽蓄量增加了2.1 m3/s。

2.2 对湖泊水体流速的影响

平旺湖在20 a一遇来水条件下，分别比较退圩还湖工程实施前后河道的断面最大流速，如图5所示。

退圩还湖工程实施后，平旺湖整体水体流速有所上升，退圩还湖前河道断面最大水体流速为0.057 m/s，退圩还湖后河道断面最大水体流速为0.085 m/s。当行洪至370 h时，还湖后河道断面的最大水体流速相比还湖前增长率达到最大，流速增大了0.046 m/s。由此可见，退圩还湖工程的实施可以加快河道断面水体流速。

2.3 对湖泊洪水特征的影响

为了研究退圩还湖工程的实施为湖区带来的防洪效益，比较并分析在20 a一遇来水条件下退圩还湖前后平旺湖区域的最大淹没水深以及湖泊蓄洪量的变化过程，由表2可知，退圩还湖后湖区的最大淹没水深有所减小，减小约0.02 m。由图6可知，湖区的蓄洪量在退圩还湖工程实施后有所减小，当行洪至280 h时，湖区蓄洪量减小最大，减小1.19×106  m3。因此可以认为，退圩还湖工程使得湖泊的淹没水深及蓄洪量都相应地减小，从而减少了湖区洪涝灾害的发生。

2.4 退圩还湖工程综合效益

退圩还湖工程实施后，湖泊的防洪排涝能力、水生态环境、当地社会经济条件等均得到了提升与改善。具体包括：①防洪排涝效益。退圩还湖工程报告显示，退圩还湖工程的实施使平旺湖泊自由水面积增大，其供水调蓄库容恢复近262.7万m3，还湖后的湖泊将更有效发挥“中滞”作用，减轻下游排洪压力，减小洪涝灾害的损失。②水环境效益。退圩还湖工程实施后，消减了围垦区与入湖河道的污染，湖泊的水环境容量与环境承载能力均得到了提高，湖泊水体流动加快，水体自净能力得到了增强，湖泊的水质逐渐从还湖前的Ⅳ类水变为Ⅲ类水。③社会效益。退圩还湖工程的实施可以减少因暴雨造成的洪涝灾害给当地居民带来的危害，改善湖区的水体景观与生态功能，提高居民的环境质量，促进沿湖地区经济社会和谐发展。

3 结 论

本文以里下河平旺湖为研究区域，使用了MIKE21 FM水动力模型，研究了退圩还湖前后湖泊的水生态环境、水动力条件、洪水特征等要素的变化情况。模拟20 a一遇情况下湖泊的调蓄能力以及防洪排涝能力的变化，结论如下。

（1）由退圩还湖前后河道断面下游与中游的洪峰流量值及其流量差可知，退圩还湖工程的实施使河道下游的下泄流量减小，减轻了下游的防洪压力。退圩还湖后河道的槽蓄作用相比退圩还湖前得到了增强。

（2）退圩还湖工程实施后，湖区整体水体流速增大，还湖后的湖区不易产生淤积，从而使湖区与周边水系更加连通。退圩还湖工程的实施更有利于湖区水生态环境的改善。

（3）退圩还湖工程的实施增加了湖泊的蓄水容积，还原了湖泊被侵占前的自由水面。平旺湖区洪水的淹没水深以及蓄洪量相应地减小，由此可见，退圩还湖工程的实施对湖区的防洪排涝能力产生了积极的影响。

参考文献：

[1] 王俊，王轶虹，高士佩，等. 退圩还湖工程实施方案及其对湖泊环境影响分析[J]. 人民长江，2020，51（1）：44-49.

[2] 毛媛媛，兰林，张颖，等. 里下河地区河湖水生态保护与修复措施研究[J]. 江苏水利，2015（3）：1-2，5.

[3] 王冬梅，刘劲松，戴小琳，等. 退圩（田）还湖（湿）长效机制研究——以江苏省固城湖为例[J]. 人民长江，2017，48（18）：23-26.

[4] 常虹，杨万红，王玉，等. 白马湖退圩还湖方案及效果浅析[J]. 中国水利，2014（8）：23-25.

[5] 陈立冬，何孝光，王阳，等. 江苏省洪泽湖退圩还湖的思考[J]. 江苏科技信息，2019，36（12）：75-77.

[6] 张防修，韩龙喜，王明，等. 主槽一维和滩地二维侧向耦合洪水演进模型[J]. 水科学进展，2014，25（4）：560-566.

[7] 孙晓英，张建涛，张彤，等. MIKE 21二维非恒定流模型在北京市延芳淀湿地洪水影响分析中的应用[J]. 水利水电技术，2018，49（1）：52-59.

[8] 刘丽红，王雨蒙. 基于MIKE21模型的灵璧船闸对新汴河洪水影响分析[J]. 水利水电技术，2019，50（3）：103-109.

[9] 陈璇，管桂玲，杨博，等. 基于MIKE21模型的滁河切滩工程防洪效益研究[J]. 江苏水利，2019（5）：59-63.

[10] 任杰，董增川，徐偉，等. 基于MIKE21 FM模型的河道防浪林行洪影响分析[J]. 河海大学学报（自然科学版），2019，47（5）：420-424.

[11] 郭凤清，屈寒飞，曾辉，等. 基于MIKE21 FM模型的蓄洪区洪水演进数值模拟[J]. 水电能源科学，2013，31（5）：34-37.

[12] 孙依，王洁，丁曼，等. 基于MIKE模型的中小河流洪水风险分析[J]. 中国农村水利水电，2020（6）：40-45.

[13] 熊继斌，刘明明，马兆会，等. 蓄滞洪区内洪水演进数学模型的应用[J]. 水利规划与设计，2016（12）：131-134.

[14] 秦伯强，胡维平，陈伟民，等. 太湖梅梁湾水动力及相关过程的研究[J]. 湖泊科学，2000（4）：327-334，385.

[15] 张大茹，王向东，朱毕生. 山区河道跨河工程的防洪影响研究[J]. 泥沙研究，2015（2）：17-23.

[16] 刘丽红，王雨蒙. 基于MIKE21模型的灵璧船闸对新汴河洪水影响分析[J]. 水利水电技术，2019，50（3）：103-109.

[17] 班美娜，武永新. 基于MIKE21 FM的南渡江河口段行洪能力分析[J]. 南水北调与水利科技，2018，16（2）：151-157.

（编辑：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