洪泽湖退圩还湖规划设计研究

袁秀伟，车 力，吴银杰

(淮安市洪泽区水利局,江苏 淮安 223100)

洪泽湖为我国第四大淡水湖泊，受历史政策因素和水产养殖、土地开发等经济利益驱动影响，挡洪堤、圈圩等蓄洪垦殖工程大量修建，湖水与物质流动受阻；泥沙淤积，水域面积逐年缩小，湖泊调蓄能力下降；水质恶化、生态退化，湖泊健康受到较大影响。为全面落实习近平生态文明思想，牢固树立“两山”发展理念，贯彻落实“十六字”治水思路，高质量推动淮河生态经济带建设，江苏省水利厅于2018年启动《江苏省洪泽湖退圩还湖规划》编制工作，主要内容是按照洪泽湖的功能需求，全面调查现状圈圩，明确退圩还湖布局方案，提出迎湖堤防加固、生态修复与功能提升任务，分析综合效益，研究制定相关政策。在此背景下，开展洪泽区洪泽湖退圩还湖规划研究。

1 流域概况

洪泽湖位于淮河中下游结合部，保护范围3704km2，蓄水保护范围1780km2，是淮河上中游来水和南水北调东线工程重要的调蓄湖泊，入湖河流主要在湖西部和北部，有淮河、怀洪新河、濉河、汴河和徐洪河、安东河等，其中淮河入量占流入总量的70%以上。洪泽湖接纳淮河上中游15.82万km2来水后，经调蓄利用，由淮河入江水道、入海水道、苏北灌溉总渠、黄河故道及分淮入沂水道分别入江入海。

洪泽湖周边分布着江苏中北部新兴产业基地、长三角地区湖滨旅游度假城市群等优质资源，作为历史上的洪水淹没和调蓄场所，长期以来洪泽湖修建了大量水利工程，但实施时间和标准参差不齐，当前仍存在着以下问题：非法围占现象严重、部分圩堤标准不足、防洪调蓄能力减弱、供水能力减弱、水域面积萎缩、生态修复压力大、水环境问题凸显等。

2 退圩还湖规划内容

退圩还湖是加强洪泽湖保护、规范开发利用行为、维护湖泊健康生命的重大举措。根据《江苏省洪泽湖保护规划》，洪泽湖蓄水范围线为蓄水位13.5m与滞洪区迎湖挡洪堤圈共同确定，无挡洪堤段以13.5m等高线确定，蓄水范围线即退圩还湖清退范围线。具体目标是清退圈围317.92km2，其中堤圩58.85km2、埂圩259.07km2；加固加高迎湖挡洪堤297.7km，塑造生态岸滩125.7km；弃土综合利用，聚泥成岛面积11.29km2。实施完成后，洪泽湖恢复自由水面317.92km2，防洪、水资源和生态效益显著，洪泽湖生态健康和综合功能得到明显提升，区域生态经济发展得到有力支撑。

洪泽区洪泽湖退圩还湖项目分为西顺河、老子山2个片区，西顺河蓄水保护范围线内圈圩部分清退，清退土方沿七七圩向湖区填筑堤防，剩余弃土通过1#、2#聚泥成岛(排泥场)消化；老子山片位于洪泽湖蓄水保护范围线内圈圩全部进行清退还湖，清退土方通过3#、4#聚泥成岛(排泥场)消化。聚泥成岛项目结合渔民安置、生态恢复等要求布置。洪泽区洪泽湖退圩还湖主要建设内容见表1。

表1 洪泽区洪泽湖退圩还湖主要建设内容表

3 退圩还湖设计方案

3.1 圈圩清退

3.1.1清退标准

清退标准为退至现状滩面、塘底高程，按照深水区(12.0m)、浅水区(12.5m～13.0m)、堤前生态修复区(13.0m～13.5m)分区分标准清退。

西顺河片实测塘底高程11.4～12.9m，围埂高程12.7～13.7m，1#、3#清退区按照塘底标高清退围埂，清退标高11.4～11.5m；2#、4#清退区分别按照标高12.0、13.0m对围埂就地平毁还湖。

老子山片实测塘底高程12.2～13.4m，围埂高程14.2～15.0m，耕地、基本农田外围土埂高程14.2～14.5m，田间土埂高程11.5～13.6m，田面高程11.3～12.7m。老子山片区各清退区距离较远、片区分散，排泥场相对集中。在满足规划要求前提下，行洪主通道区域的1#、2#、3#清退区按照较高标准清退，根据排泥场容量确定清退标高12.2m；其余清退区域按照浅水区上限标高13.0m对围埂平毁还湖。

3.1.2土方计算

土方计算采用三角网法。根据实测原始数据及三维坐标，以每3个点不重复不交叉无间隔连成一系列面的方式展点在CASS界面上，形成表平面文件后建立三维实体，由数字地面模型(DTM)建立数字高程模型(DEM)。按设定高程确定0平面后，对DEM进行放坡、切割、拉伸、设置挖填方参数等，计算相应挖、填方量。三角网法计算土方如图1所示。

图1 三角网法计算土方示意图

3.2 堤防工程

堤防工程合计10.00km，其中西顺河片新建堤防长度3.9km，加固于圩大沟东堤1.7km；老子山片东大圩堤防加固1.35km，刘咀圩堤防加固3.05km，特征水位见表2。

表2 堤防工程特征水位表

堤防安全超高按下式计算:

h=e+R+A

(1)

式中，h—堤顶超高，m;e—设计风壅水面高，m;R—设计波浪爬高，m；A—堤顶安全加高，m，根据GB 50285—2013《堤防工程设计规范》取0.7m。

风浪要素按下式计算：

(2)

(3)

(4)

波长按下式计算：

(5)

式中，H—平均波高，m；T—平均波周期，s；V—计算风速，m/s；F—风区长度，m；d—水域平均水深，m；g—重力加速度，9.81m/s2；tmin—风浪达到稳定状态的最小风时间，s。

风壅水面高度按下式计算：

(6)

式中，K—综合摩阻系数，取3.6·10-6；V—设计风速，m/s；F—有计算点逆风向量到对岸的距离，m；β—风向垂直于堤轴线的法线夹角，(°)。

风浪爬高按下式计算：

(7)

式中，Rp—累积频率为P的波浪爬高，m；KΔ—斜坡的糙率及渗透性系数；Kv—经验系数；Kp—爬高累积频率换算系数，取0.2%；m—斜坡斜率；H—堤前波浪平均波高，m；L—堤前波浪波长，m。

以西顺河新建堤防为例，安全超高计算成果见表3。西顺河堤防顶高程计算值为16.90m，设计高程取值为17.00m，考虑3%～5%的预留沉降量，实际施工时堤顶填筑至17.20m。因清退土方充裕，结合湖区生态旅游开发，对堤防加宽。规划西顺河片堤顶宽度10m；迎水坡设置消浪平台，高程14.0m，宽度10m；平台以上坡比1∶3，平台以下坡比1∶10，背水侧坡比1∶3；受湖水冲刷堤段迎水侧▽12.5～▽16.0m坡面采用格宾防护；考虑退圩还湖后湖泊生态系统重建，迎水侧▽11.5～▽14.0m坡面种植水生植物。堤防工程共4个典型断面，如图2所示。

表3 堤防安全超高计算成果表

图2 堤防工程典型断面图(单位:m)

3.3 聚泥成岛(排泥场)

聚泥成岛(排泥场)主要设计指标见表4。

表4 聚泥成岛(排泥场)主要设计指标表

3.3.1沉降计算

对聚泥成岛(排泥场)进行沉降计算，根据沉降量和设计标高确定土方超填量，沉降计算分为堆岛区自身沉降量和持力层压缩沉降量。聚泥成岛区自身沉降量按以下公式计算:

(8)

式中，Δp—自重应力；Es—压缩模量，取2.7MPa；H—分层土厚度；m—系数，取1.5。

持力层压缩沉降量根据以下公式计算：

(9)

式中，n—压缩层范围的土层数；e1i—第i土层在平均自重应力作用下的孔隙比；e2i—第i土层在平均自重应力和平均附加应力共同作用下的孔隙比；hi—第i层土厚度，mm；m—修正系数，软土地基取1.3～1.6。最终沉降量为两者之和。

西顺河片1#、2#聚泥成岛区沉降计算，假设以11.40m高程为平均基底，堆土至17.0m高程，13.5m以上土体采用自然重度，13.5m以下土体采用浮重度，计算最终沉降量0.5876m，超填高度取0.6m。老子山片3#排泥场位于洪泽湖湖区，持力层均为淤泥质土，基底以下分层土厚度1.5～3.5m，根据实测地质资料的e-p曲线求得各分层土压缩量，其余计算方法相同，计算最终沉降量1.956m，超填高度取2m。4#排泥场地质条件较好，最终沉降量计算成果为0.5445m，超填高度取0.55m。

3.3.2老子山聚泥成岛流态影响分析

3#聚泥成岛(排泥场)位于淮干入湖口位置，为分析聚泥成岛后对行洪的影响，采用MIKE21二维水动力模型进行流态分析。

(1)控制方程

二维水动力控制方程为笛卡尔坐标系(Cartesian Coordinates)下的纳维—斯托克斯方程组(Navier-Stokes equations)，该方程组由水流连续性方程、沿水流方向(x方向)的动量方程和垂直水流方向(y方向)的动量方程组成。

(10)

(11)

(12)

式中，η—水面高程，m；h—总水深，m；g—重力加速度，m2/s；ρ—水的密度；ρ0—淡水参考密度；f=2Ωsinφ—科氏力系数；Pa—大气压强；Sxy—辐射应力张量；S—点源排放量，g；us，vs—点源排放速度分量。

(2)离散方法

采用有限体积法对水动力和物质输运方程进行空间离散。在水动力方程和污染物传输(扩散)方程的时间积分使用显式差分法，为维持模型稳定，模拟时间间隔的选定Courant-Friedrich Levy(CFL)值小于0.8。对于笛卡尔坐标下的浅水方程式：

(13)

对笛卡尔坐标下的污染物运移方程式：

(14)

式中，Δx、Δy—x、y方向上的特征长度；Δt—时间间隔。

数值模拟区域中常有部分单元网格处在干湿交替区，设定湿水深度为0.1m，淹没深度为0.05m，干水深度为0.005m。设定模型上下游边界水位，确定区域内各单元的水位值，以此为初始条件运行模型直至流场稳定，提取该稳定流场作为模拟初始流场。模型计算网格如图5所示，现状和聚泥成岛后地形插值如图3—5所示。

图3 模型计算网格

图4 现状地形插值

图5 聚泥成岛后地形插值

(3)工况计算

分别对现状和退圩后的设计洪水位、非汛期正常蓄水位工况下，3#排泥场周边流态进行计算。计算工况见表5。

表5 3#排泥场周边流速流态计算工况表

现状设计洪水工况计算结果如图6—8所示，可见入湖口河道主槽流速明显大于湖区流速，淮仁滩上游河道分汊处水流流态较为平顺，主流归于河道主槽，主槽最大流速约0.64m/s；随着水流进入湖区，过流断面扩大，流速减小；淮仁滩区域由于圈围养殖流速很小，约0.08～0.12m/s。

图6 现状地形设计洪水位水深分布

图7 现状地形设计洪水位工况流速分布

图8 现状地形设计洪水位工况流态分布

现状正常蓄水工况计算结果如图9—11所示。可见计算区域流速及流态分布与上一工况类似，入湖口河道主槽流速较大，淮仁滩上游河道分汊处水流流态较平顺，主槽最大流速约为0.48m/s；淮仁滩区域由于圈围养殖流速很小，约0.06～0.12m/s。空白区域为水流未淹没区域。

图9 现状地形正常蓄水位工况水深分布

图10 现状地形正常蓄水位工况流速分布

图11 现状地形正常蓄水位工况流态分布

退圩后设计洪水、正常蓄水工况计算结果如图12—17所示。可见计算区域流速及流态分布与现状工况类似，入湖口河道主槽流速较大，湖区流速较小。主要区别在于，清退圩梗后对清退区进行整平处理，计算区域内河道、湖区流速分布更为均匀；由于淮仁滩的清退，上游河道主槽进入湖区的水流扩散角变大，水流直冲作用减少，利于保持3#排泥场的稳定。设计洪水工况，3#排泥场周边最大流速约0.45m/s，位于排泥场南侧的洪泽湖南线航道处；其他周边流速较小，约0.12～0.15m/s。正常蓄水工况，3#排泥场周边流速分布与工况3类似，最大流速约0.36m/s，位置与工况3相同，其他周边流速约0.08～0.12m/s。

图12 退圩后聚泥成岛地形设计洪水位工况水深分布

图13 退圩后聚泥成岛地形设计洪水位工况流速分布

图14 退圩后聚泥成岛地形设计洪水位工况流态分布

图15 退圩后聚泥成岛地形正常蓄水位工况水深分布

图16 退圩后聚泥成岛地形正常蓄水位工况流速分布

图17 退圩后聚泥成岛地形正常蓄水位工况流态分布

(4)流速流态影响分析结论

退圩实施后，由于下游湖区围埂清退恢复为水面，上游主槽流态较实施前改善明显，但主槽流速前后变化不大，设计洪水工况最大流速约0.64m/s，正常蓄水工况最大流速约0.48m/s，排泥场布置满足行洪排涝安全要求；下游区域水流扩散角变大，水流流速分布更为均匀，设计洪水工况3#排泥场近主槽最大流速0.45m/s，周边流速0.12～0.15m/s，正常蓄水工况3#排泥场近主槽最大流速0.36m/s，周边流速0.08～0.12m/s；下游区域整体流速较现状有所变大，但受区域大水面、浅滩影响，仍然可能发生局部淤积现象。

4 结语

通过实施退圩还湖，采用迎湖挡洪堤防提标达标，结合生态修复等措施，使湖泊调蓄能力有效恢复、水生态环境明显改善；通过采用淤泥原位固化技术，有效解决区域范围内洪泽湖历史圩区问题，营造自然景观生态。在江苏省洪泽湖综合治理中，结合退圩还湖，陆续实施周边滞洪区改造建设、实施洪泽湖环境生态综合治理，从恢复湖泊防洪减灾、优化配置水资源、维护湖泊的健康生态、提升湖泊沿岸自然环境各方面，改善区域环境，对保障洪泽湖地区经济社会与水生态环境可持续发展具有重要意义。本研究尚有一定不足之处，受历史人文资金等综合因素影响，圩区居民未能全面迁移，进行了逃避险规划，此项工作有待进一步解决。