大通湖生态补水周期及流场分布特征分析

赵伟明，刘 启 ，盛 东，谭 军*，黄 草

(1.湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙 410007；2.长沙理工大学水利工程学院，湖南 长沙 410114)

1 研究背景

平原浅水湖泊是湿地生态系统的重要组成部分，为人类和众多生物群提供了生存与发展的环境条件和物质条件，但长期的“掠夺式”开发导致多数平原湖泊存在面积萎缩、水质恶化、物种消亡等环境和生态问题，破坏了平原湖泊的生态平衡与功能健康。生态补水是修复平原浅水湖泊生态与功能的重要技术之一，受到了国内外的重视，并付诸实践。在复杂的水动力条件下，湖泊的换水周期与流场形态对湖区污染物迁移和转化、水生态系统修复的影响显著，是评价平原浅水湖泊生态补水效应的重要因子[1-2]。

中国生态补水研究与实践发展迅速，尤其是平原河湖地区。如为解决太湖流域水污染问题，中国实施了“引江济太”生态调水工程，2013—2017年共计调水13次，在提升太湖流域水资源和水环境承载能力方面发挥了重要作用[3]。2002年12月，从长江应急向南四湖生态补水1.1亿m3，以基本满足南四湖湖区鱼类、水生植物、浮游生物和鸟类等生态链的最低用水需求[4]。此外，昆明滇池、杭州西湖、武汉东湖、南京玄武湖、雄安新区白洋淀等众多湖泊先后开展了生态补水研究与实践，在湖泊的水环境治理和水生态修复中发挥了重要作用。

大通湖原为洞庭湖的湖域，1954年后经堵支、并流、并垸等形成大通湖垸，大通湖遂成为洞庭湖区最大的内湖。近几十年来，特别是三峡水库正式运行以来，(长)江(洞庭)湖关系深度演变，虎渡、松滋和藕池三口分流水量显著减少[5]，原三口分流入大通湖进水通道均被淤堵，打破了大通湖“西—北进，东—南出”的水动力格局。现状除湖泊北面的明山泵站、东南面的大东口泵站用于汛期排涝外，仅塞阳运河可沟通大通湖与洞庭湖，非汛期湖区水动力条件差，水资源与水环境均面临严重问题[6]。2018年汛后，湖南省益阳市实施了大通湖生态补水工程，通过新建的五七闸引草尾河水至大通湖，再经大东口泵闸排入东洞庭湖，改善了大通湖非汛期的水动力条件和湖区水质，获得了较好的生态环境效益。

为了深入研究大通湖生态补水工程的水动力和水环境效应，优化和完善生态补水方案，本研究采用MIKE 21构建了大通湖水动力模拟模型，研究分析了不同补水方案的换水周期和流场形态，分析其影响因素以及最优补水方案，可为大通湖的水生态保护提供技术支持以及类似湖泊的水动力模拟和水生态修复提供技术参考。

2 研究区及方法

2.1 研究区概况

大通湖位于益阳市大通湖区西北侧，东临东洞庭湖，西至沱江，南临草尾河，北濒藕池河东支，是洞庭湖区最大的内湖，地理范围为东经112°17′～112°42′，北纬29°4′～29°22′。大通湖现状东西长15.8 km，南北宽13.7 km，呈三角形，水面面积为85.3 km2，湖底高程22～24 m，平均水深2.5 m，常年蓄水量2.32 亿m3。大通湖垸内外水系复杂，河流和人工沟渠总长度达546 km，河网密度为0.82 km/km2。大通湖垸内的河湖主要有莲湖、瓦岗湖、五七运河、老三运河、塞阳运河、金盆河以及大新河等，见图1。作为保证南洞庭湖地区生态安全的重点水域，该区域是候鸟的重要栖息地，其中包括骨顶鸡、小天鹅、鸳鸯等17种国家保护名录鸟类[7-8]。

受围湖造田以及江湖关系深度调整影响，大通湖垸内河湖连通性降低，各水体交换受限，区域内湖泊、河流和沟渠直接承纳工业废水、生活污水以及农业农村面源污染物等。目前大通湖水质为劣Ⅴ类，营养状态评价为富营养，超出目标水质III类标准。

大通湖现状常水位为25.88～26.08 m，汛期当内湖水位达到26.88 m，考虑开启明山和大东口电力泵站，降低内湖水位；非汛期内湖水位低于25.28 m时，开启五七闸引水入大通湖，调活内湖水体，再经塞阳河和大东口闸排入东洞庭湖。

2.2 水动力模型构建

大通湖水动力模拟模型采用MIKE 21 FM构建而成，属于平面二维水流数学模型，在国内外有诸多应用，是水利和环境领域经过大量实际工程检验的优秀水动力模拟软件之一。MIKE 21 FM的模型原理及建模过程可参考文献[9-10]，本文不再重复。

根据大通湖的实测湖底地形建立模型的三角形网格，见图2，三角形边长为10～200 m。河底综合曼宁系数M为32～50 m1/3/s；涡黏系数采用Smagorinsky公式计算，Cs取值为0.28；为防止模型在干涸地区溢出，水陆边界采用水深干湿动态边界判断技术，干水深0.01 m，湿水深0.1 m。

a)引水路径1

2.3 补水周期计算

补水周期是衡量湖泊生态补水效应的重要因子，影响着水体中污染物与营养物的停留时间和浓度，以及水体中发生的生物与化学反应过程时间长短[11]。传统的补水周期被认为是湖泊蓄水总量与日均出湖水量的比值[12-13]，但该定义无法体现湖泊由于自身形状的不规则性导致不同位置湖体补水周期的空间差异性。研究中补水周期采用基于浓度变化的指数衰减函数来表示：

Ct=C0e-t/Tf

(1)

式中t——时间；Tf——补水周期；C0——示踪剂的初始浓度值；Ct——t时刻示踪剂的剩余浓度值。

由式(1)可知，当t=Tf时，示踪剂的浓度已经衰减至初始浓度的1/e倍或37%。因此，换水周期定义为示踪剂剩余浓度降低至初始浓度的37%时所需要的时间。

2.4 模拟方案与模型设置

依据大通湖生态补水工程规划，五七闸的非汛期(10月至次年3月)设计引水流量为20.48 m3/s，汛期(4—9月)设计引水流量为28.92 m3/s。明山电排站设计排水流量为21 m3/s[14]。为了深入探讨不同引水方式对大通湖水动力的影响，设计2种引水路径及6种调度工况，见图2、表1。

表1 调水工况 单位：m3/s

为了详细研究大通湖生态补水周期及流场形态的空间异质性，研究将大通湖水体染成单位浓度为1.0 的保守型示踪剂，通过监测水动力模型每个网格单元的剩余浓度与流速，分析大通湖换水周期和流场形态的空间分布。模拟过程中，生态补水的示踪剂浓度以及出口边界示踪剂的初始浓度均为0。

3 结果分析

3.1 补水周期

大通湖不同工况下的剩余浓度低于37%的湖面面积占比随时间变化曲线见图3。从工况001—006，若湖泊生态补水时间较短时，完成换水的湖泊面积占湖面总面积的比例随时间增长缓慢；而湖泊生态补水时间持续一段时间后，完成换水的湖泊面积占湖面总面积比例迅速增加。将完成换水的湖泊面积占湖面总面积的比例随时间的增长速度的转换处称为补水效率临界点，当补水持续时间超过补水临界时间后，生态补水的效益才能有效发挥。大通湖不同补水工况下，补水效率临界点约为生态补水周期的1/2～2/3，见表2。对比示踪剂法计算的湖泊生态补水周期和传统水体置换法计算的补水周期，示踪剂法考虑了水体置换过程中的扩散和紊动，补水周期明显小于同条件下水体置换法计算的补水周期。

图3 不同工况下大通湖示踪剂浓度低于37%的湖面面积占比随时间变化曲线

表2 不同工况下补水周期

成对比较工况001和004、工况002和005、工况003和006，可以看出引水流量越大，湖泊的生态补水效率更高，补水周期越短。如工况004的补水周期比工况001缩短了约40 d，补水效率临界点缩短了30 d；工况006的补水周期比工况003缩短了10 d，补水效率临界点也缩短了10 d。

从生态补水进出口分布来看，工况003和006的补水周期显著低于工况001和003，如工况003比工况001的换水周期短70 d左右，比工况002短20 d左右。可知大通湖“单进单出”的生态补水方式，南部换水较快，但北部的水源运动缓慢，补水效率低，补水周期较长；考虑“单进两出”模式后，增加了明山电排站(北端)的出水口，生态补水的进出水口分布更加均匀和合理，补水效率提高，补水周期缩短，但通过明山电排站排水需要消耗一定的电能，仍需从经济可行性的角度讨论明山电排站的开始时间和运行方式。

3.2 流场形态

图4所示为6种生态补水工况的湖区流场形态比较，P1—P4为湖区中心、西南、东南和北侧的点流速监测点，其中工况001和工况004的湖区北部区域，工况003的湖区东南部区域，存在较大的极小流速区，流速空间分布不均匀，如稳定状态下，工况001的P4、工况003的P3、工况004的P4点流速很小，分别为0.18、0.06、0.24 mm/s(表3)。这种空间分布不均匀的流速场都是在大通湖采用引水路径1进行生态补水的时候形成的，可见这种“单进单出”模式的补水方案会降低大通湖的水体交换效率。相较于工况001、003、004，工况002、005、006的极小流速区域面积更小，流场形态良好，因此这种“单进两出”的补水模式更有利于提高湖区水体交换以及水质净化的效率。如稳定状态下，工况002、005、006中P1—P4的最小流速分别为0.75、1.00、1.11 mm/s。

a)工况001

从湖区流速分布的特征来看(图5)，工况001—006中湖区流速大多为0.1～10.0 mm/s，流速在此区间的面积占湖区总面积的比例分别为96.32%、96.74%、94.85%、96.61%、97.08%和96.88%；从湖区流速分布的均匀性来看，工况002、005流速分布的均匀程度最高(图5中，流速分布累计面积比曲线越接近x=1.0 mm/s的竖直线，则表示流速的空间分布越均匀)；工况002中流速为0.5～5.0 mm/s的湖区面积为总面积的79.96%，高于工况001、003的78.27%和75.30%，故在非汛期的3种调水工况中，相比 “单进单出”的模式，大通湖采用“单进两出”的补水模式时，其流速分布均匀程度更加高；工况005中流速为0.5～5.0 mm/s的湖区面积占总面积87.82%，高于工况004、006的83.87%、83.48%(表3)，说明在汛期，大通湖采用“单进两出”的补水模式且明山渠强排流量只为10.5 m3/s时，该湖泊具有更高的流速分布均匀程度。

图5 不同工况下大通湖流速分布特征曲线

表3 不同工况的流速及流场比较

此外，工况006中明山电排站的排涝泵全部工作，需要消耗更多的电能，生态补水的运行成本较大，因此非汛期建议采用工况002的闸泵调度方式，汛期建议采用工况005的闸泵调度方式。

4 结论

采用MIKE 21FM构建了大通湖区水动力模拟模型，研究了6种工况下大通湖的补水周期、流场形态及流速分布情况。

a)大通湖生态补水工程能有效改善湖区的水动力，但现状生态补水的进出口分别位于湖泊的西南角和东南角，不利于湖泊北部区域水流改善；通过开启明山泵站，采用“单进两出”的闸泵调控方案可改善湖泊北部的流场。

b)提出了大通湖生态补水效率临界点，临界点的时间为补水周期的1/2～2/3，单次补水持续时间宜超过生态补水效率临界点。

c)比较分析了大通湖多种生态补水方式的差异与优劣，建议大通湖非汛期采用工况002的闸泵调度方式，汛期建议采用工况005的闸泵调度方式。

尚未讨论大通湖生态补水工程对湖区水质的影响以及间歇式引水的影响，下阶段将进一步开展相关研究。