大风对洪泽湖泗阳生态岛湖流影响数值模拟研究

李凯 赵泽亚 岳宇 喻桂成 徐华 王永平

摘要：为研究大风对洪泽湖泗阳生态岛工程湖流影响，采用MIKE 3建立了洪泽湖三维水动力数学模型。通过实测资料对模型参数率定，验证结果良好，进而研究了不同工况条件下洪泽湖水动力特性及泗阳生态岛工程对其附近湖流动力影响特性。结果表明：洪泽湖湖区流场变化主要受大风影响，风向及水位的变化均能对湖区壅水及湖流结构产生影响。生态岛的填筑将导致湖区出现局部迎流侧流速增大、背流侧流速减小的现象，但对整个湖区湖流及环流结构基本无影响。研究成果可为洪泽湖泗阳生态岛工程安全运行提供技术支撑。

关键词：水动力学； MIKE 3； 湖流； 数值模拟； 生态岛工程； 洪泽湖

中图法分类号：TV143

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.014

文章编号：1006-0081（2023）07-0083-08

0 引 言

洪泽湖属浅水湖泊，是中国第四大淡水湖，是江苏省内陆湿地类型最为丰富、湿地保存最为完好、物种丰富度最高的区域之一［1］。洪泽湖近年来一度出现大规模的圈圩（围网）养殖活动，无序渔业养殖活动造成洪泽湖蓄水面积由1 780 km2减少到约1 300 km2［2］（图1）。大面积圈围致使湖区水域面积严重缩小，兴利库容减少，也降低了洪泽湖调蓄的能力，恶化了洪泽湖水质［3］。针对洪泽湖圈围存在的问题，退圩还湖已迫在眉睫［4］。洪泽湖退圩还湖将扩大湖区自由水面面积，恢复湖区水体自净能力，提升湖区水质条件，且有利于湖区供水、防洪、水生态修复等能力的提高［4］。同时，《江苏省洪泽湖退圩还湖规划》［5］明确提出：结合堤防加固，剩余的退圩还湖弃土“聚泥成岛”，不仅解决了弃土去留问题，也减少了滞洪区占地。退圩还湖工程在洪泽湖成子湖区形成鹭居岛、鹭飞岛和报墩岛3个生态岛［6］。

洪泽湖成子湖区鹭居岛、鹭飞岛和报墩岛3个生态岛工程建设势必引起湖区局部湖流水动力条件变化，对生态岛自身稳定造成不利影响。众所周知，风场决定着湖泊的湖流形态、环流结构及湖流流速［7-8］。洪泽湖湖流流场整体呈风生流和吞吐流双重特点［9］，其南部湖区是受其吞吐流影响最大的湖区，而生态岛工程所在区域成子湖区主要受风生流作用控制［10］。目前，洪泽湖生态岛对湖区水动力影响特性尚不清晰，也未见相关研究。

本文基于MIKE 3建立洪泽湖三维水动力模型，对模型进行了参数率定与验证，对不同工况下的湖流水动力特性进行分析，进而对比分析生态岛建设对湖区局部水动力影响，为后续生态岛建设及岸坡稳定整治处理提供技术支撑。

1 洪泽湖湖流三维水动力数值模型

MIKE 3是丹麦水力研究所开发的系列水动力学软件之一，可模拟具有自由表面的三维流动系统，主要应用于湖泊、河口、海湾及海洋的水流及水環境模拟［11］。

MIKE 3能够模拟垂向密度不同的非恒定流，并考虑外部作用力，如气象、潮汐、流场和其他水力条件的影响。MIKE 3图形界面友好、灵活和快速，以三维方式模拟非恒定流，是从简单河、湖到大型水库、外海区域理性的分析、设计、管理和操作工具［12］。

1.1 模型计算原理

1.1.1 水动力模型

MIKE 3水动力模型的基本方程是连续方程和x、y及z共3个方向的动量守恒方程，其中，z方向采用垂向σ转换方程，且x=x′，y=y′，σ=z－zb/h，转换后的三维非恒定流浅水方程形式如下：

1.2 水动力模型建立及验证

1.2.1 水动力模型建立

本研究采用洪泽湖2018年地形资料建立水动力模型，湖区水深基本为8.0～13.0 m，湖心存在部分浅水凸起地形，主要集中在成子湖区向东南湖心出口区域。利用MIKE 3模型中Mesh Generator工具将湖区划分约为290 000个非结构三角形网格，共计约140 000个节点，最大网格单位120 m，最小网格单元10 m，局部网格加密主要集中在生态岛附近，以增加模拟精度。为满足模型稳定性和计算精度的要求，同时受限于柯朗条件，该模型计算时间步长选取30 s。

1.2.2 模型验证

水动力模型分别采用2019年5月19日、8月14日及9月10日3次洪泽湖常水位典型风场下的流场观测资料进行验证［13］。其中，5月19日湖区水位12.47 m，监测期平均风速1.93 m/s，监测期平均风向西北向（NW）；8月14日湖区水位12.09 m，监测期平均风速1.55 m/s，监测期平均风向北向（NNW）；9月10日湖区水位12.38 m，监测期平均风速1.31 m/s，监测期平均风向东向（ENE）（以上风速均已换算至水面上10 m处）。同时，验证点位或断面位置以文献［13］为准（图2），主要以洪泽湖成子湖区LC9（YZD-1）点位、FS-9（YZDM-1）断面及FS-5（YZDM-2）断面实测资料为验证对象。模型参数设置参考相关研究成果［9］，设定干水深为0.006 m，湿水深为0.100 m，淹没水深为0.050 m。主要参数设置为：曼宁系数45 m1/3/s、CFL数0.8、涡黏系数0.28。验证结果见图3。

图3分析列举了洪泽湖湖流3组典型风场下的流场矢量分布，由FS-9（YZDM-1）断面及FS-5（YZDM-2）断面实测资料可知：当风速为1.93 m/s，风向为NW时，在西风作用下，洪泽湖表层湖流湖水在成子湖湾口存在自成河流向成子湖湾口左岸的东北向水流，该区域湖流环流呈顺时针；当风速为1.55 m/s，风向为NNW时，湖流在成子湖徐洪河河口至报墩岛一线湖水向西北流动，而在湾口存在东偏北向入洪泽湖主体北部水域水流，成子湖区域湖流环流呈逆时针；当风速为1.31 m/s，风向为ENE时，在成子湖徐洪河河口至报墩岛一线湖水向东南流动，而在成子湖湾口存在靠近右岸东南向入洪泽湖主体南部水域水流。考虑到大范围湖流模拟难度较大，且验证组次风力较小，湖区流速响应不敏感，本次验证未能做到与实测完全相近，但湖流规律与实测资料分析基本相似。同时，如表2所示，3个验证工况相应验证点位或断面流速相近，模型验证良好，说明建立的三维洪泽湖水动力模型可以进行相关水动力研究。

2 模拟工况设置

风取自洪泽湖湖区附近盱眙气象站和泗洪气象站实测资料。盱眙气象站和泗洪气象站均属于国家基本气象站，区站编号分别为58138和58135。根据盱眙气象站16个方位的风向频率统计资料（2012～2019年，缺2015年），绘制风向频率玫瑰图（图4）。由图4可知，盱眙气象站常风向为ESE向，出现频率为12.1%，次常风向为E向，出现频率为11.5%。两个方向的出现频率基本相当，明显高于其他方向的出现频率。同时，根据泗洪气象站2020年逐时风向观测资料统计分析，绘制風向频率玫瑰图（图5）。由图5可知，泗洪气象站常风向为E向和ESE向，两方向的出现频率均为12.2%。其次，ENE向的出现频率也较高，为11.6%。除上述3个方向外，其他方向的出现频率均在10%以内。本文通过对收集的气象站实测风速资料进行整理，对风速的高度修正和陆水修正得到了洪泽湖区汛期设计风速（表3）［14］。

本次数学模型计算采用的水位如下：汛限水位为12.5 m；正常蓄水位为13.5 m；设计洪水位为16.0 m（采用废黄河基面）。因此，本次模拟设置6组工况研究大风对洪泽湖及生态岛填筑局部湖流特性的影响，具体见表4。

3 成果分析

本文以常风向SSW，风速20.4 m/s及水位12.5，13.5 m和16.0 m与重点风向W，风速20.4 m/s及水位13.5 m为例，重点分析洪泽湖湖区表层水流运动特性及生态岛存在与否对湖区局部流场的影响。其中，组次1与组次4重点分析不同水位情况下洪泽湖湖区水位及流场变化特性，组次2与组次3重点分析不同风向下洪泽湖湖区水位及流场变化特性，而组次4与组次5重点分析成子湖区生态岛填筑对湖区局部流场影响特性，组次6分析波浪与湖流可能对生态岛产生的双重影响，加深对洪泽湖成子湖区生态岛附近波浪场特性的认识。

3.1 大风对洪泽湖湖流动力特性分析

如图6所示，当常风向SSW，风速20.4 m/s及水位12.5 m时，在大风驱动下，湖区水位呈现从上风区到下风区增加的趋势，且靠近成子湖区水位基本大于12.75 m，发生较为明显的壅水现象，尤其成子湖区上半部分，壅水达到0.5 m及以上。同时，湖区流速分布较为杂乱，基本保持中心湖区流速在0.1 m/s左右，沿岸流多在0.4 m/s以上，甚至最大达到1.0 m/s以上。与组次4相比（图7），当常风向SSW，风速20.4 m/s及水位16.0 m时，在大风驱动下，湖区水位也呈现从上风区到下风区增加的趋势，但壅水变化程度要更加平缓，仅在成子湖区上部小部分壅水达0.25 m及以上，相应的湖区流速分布虽与组次1相似，但湖区中心及沿岸流流速均较小。这说明当湖区水位减小时，风对水流的拖曳能力增大，湖流的流速增大，尤其沿岸流变化较为明显。

如图8所示，当常风向SSW，风速20.4 m/s及水位13.5 m时，在大风驱动下，湖区水位呈现从上风区到下风区增加的趋势，且靠近成子湖区水位基本大于13.75 m，发生较为明显的壅水现象，尤其成子湖区上半部分，壅水达到0.5 m及以上。同时，湖区流速分布较为杂乱，基本保持中心湖区流速基本在0.1 m/s左右，位于成子湖区入水口，流速达到0.3 m/s，说明此处水流条件较差，可能引起不同程度冲刷或泥沙输移。

与组次4相比，对于组次3（图9），当常风向W，风速20.4 m/s及水位13.5 m时，在大风驱动下，湖区水位也呈现从上风区到下风区增加的趋势，

但此时壅水主要存在中心湖区东部，壅水达到0.5 m以上，而成子湖区基本没有形成壅水，相应的湖区流速分布虽与组次4相似，但在成子湖区进口形成更大流速区域。这说明受不同风向作用影响，湖泊下风区一端水位有所壅高，上风区一端水位有所降低，同时，流场及水流结构将发生一定变化，这与风速大小、风向及初始水位等密切相关。

3.2 生态岛对湖流动力影响特性分析

为了分析生态岛存在对成子湖区局部湖流影响，本文在鹭居岛周边设置LJ-1～ LJ-8及SY-12～ SY-14共11个点进行对比分析，在鹭飞岛周边设置LF-1～ LF-8共8个点进行对比分析，在报墩岛周边设置BD-1～ BD-6及SY-1共7个点进行对比分析。具体点位位置见图10。

如图11与图12所示，生态岛筑填对湖区流速或环流结构基本没有影响，主要原因是洪泽湖本身范围较大，而生态岛面积相对较小，因此对整个湖流流速及环流结构影响基本可以忽略。但生态岛筑填将可能对局部水流产生一定影响，大范围模拟难以可视地捕捉细微变化。因此，本文对3个生态岛附近典型点位数据进行提取，以分析生态岛填筑对局部湖流或生态岛的影响。如图13～15所示，3个生态岛的筑填对局部流速均有一定影响，主要表现为远离岸侧流速出现一定增大，增大幅度有限（约30%），而近岸侧流速由于岛屿遮掩作用，岛后水流流速将存在减小情况。从周边其他点位流速数据可知，远离生态岛一定距离后，水流基本不受生态岛影响。同时，本文通过对工程存在情况与组次5相同模拟条件的波浪场进行分析（图16），发现洪泽湖成子湖区生态岛附近有效波高达1.2 m以上，尤其鹭居岛附近达到1.6 m以上。可以预见的是，在波浪作用下，生态岛附近及其沿岸泥沙将受到波浪扰动形成悬沙，在湖流近岸或生态岛附近高流速水流作用下，极易形成悬沙输移，可能造成生态岛自身岸坡泥沙及周边泥沙冲刷和不稳定情况发生［8，15］。因此，在该特征风况及水位情况下，需要关注生态岛稳定性，且必要时需进行相应护坡措施以加强生态岛自身岸坡稳定。

4 结 论

洪泽湖湖区水动力条件较为复杂，“聚泥成岛”工程实施后，将可能改变原有的水动力条件，造成了

局部岸段和岛屿水流存在不稳定的情况。本文通过MIKE 3建立三维洪泽湖水动力模型模拟典型水位

和风向风力的条件下洪泽湖流特性及生态岛影响研究，主要形成如下结论。

（1） 洪泽湖作为典型的浅水型湖泊，水深较浅，湖流特性主要受大风影响，在大风作用下扰动较明显，湖区水位呈现从上风区到下风区增加的趋势，湖流流速较大区域主要集中在沿岸流。当湖区水位减小时，风对水流的拖曳能力增大，湖流的流速继而增大，尤其沿岸流变化较为明显。同时，风向改变也将明显影响湖区流场，使水流结构发生一定变化。

（2） 通过对比分析发现，生态岛的筑填对整个湖流流速及环流结构影响不明显，但生态岛筑填将可能对局部水流产生一定影响，主要表现为为远离岸侧流速出现一定增大，增大幅度在30%左右，近岸侧由于岛屿遮掩作用，岛后水流流速将存在减小现象。

（3） 通过研究认为，湖流大流速区域主要为沿岸流，加之生态岛的筑填将形成类似阻水建筑的冲刷情况，将导致其远离岸侧的迎流侧出现一定冲刷，而靠近岸侧由于沿岸流作用，虽然有一定遮掩，其后流速出现一定减小情况，但是仍可能受到沿岸流影响，也出现一定冲刷。同时，洪泽湖成子湖区生态岛附近有效波高达到1.2 m以上，尤其鹭居岛附近达到1.6 m以上，可以预见的是在波浪作用下，生态岛附近及其沿岸泥沙将受到波浪扰动形成悬沙，在湖流近岸或生态岛附近高流速水流作用下，极易产生悬沙输移而形成一定局部或整体冲刷。因此，需要关注生态岛在复杂水流环境下的自身岸坡稳定，建议后期加强岸坡防护措施现场观测分析。

参考文献：

［1］ 李成之.洪泽湖生态补偿多元化探索［J］.湿地科学与管理，2022，18（1）：57-59，63.

［2］ 陈星辰，李欣，何洋.洪泽湖管理现状与对策思考［J］.水利发展研究，2021，21（3）：50-53.

［3］ 叶新霞，翟高勇，张炜.洪泽湖湖泊保护规划研究［J］.水利科技与经济，2012，18（7）：25-27，29.

［4］ 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.

［5］ 江苏省水利厅.江苏省洪泽湖退圩还湖规划［R］.南京：江蘇省水利厅，2019.

［6］ 江苏省水利勘测设计研究院有限公司.洪泽湖（泗阳县）退圩还湖工程实施方案［R］.扬州：江苏省水利勘测设计研究院有限公司，2020.

［7］ 李一平，唐春燕，余钟波，等.大型浅水湖泊水动力模型不确定性和敏感性分析［J］.水科学进展，2012，23（2）：271-277.

［8］ 徐华，薛伟，闫杰超，等.巢湖风浪特征及泥沙运动对口门航道淤积的影响［J］.水运工程，2021（6）：115-120.

［9］ 薛联青，沈海岑，张敏，等.洪泽湖换水能力的时空分布特征［J］.水资源保护，2022，38（4）：13-20.

［10］ 姜加虎，黄群.洪泽湖混合流数值模拟［J］.水动力学研究与进展（A辑），1998（2）：147-151.

［11］ 马腾，刘文洪，宋策，等.基于MIKE3的水库水温结构模拟研究［J］.电网与清洁能源，2009，25（2）：68-71.

［12］ 刘江，胡云玲，姜亮亮，等.利用MIKE3软件研究风场对赛里木湖水动力场的影响［J］.新疆环境保护，2015，37（4）：29-33.

［13］ 张怡辉，胡维平，彭兆亮，等.洪泽湖湖流空间特征的实测研究［J］.水动力学研究与进展（A辑），2020，35（4）：541-549.

［14］ 孙天霆，夏伟，刘清君，等.引江济淮工程巢湖水域风浪特性研究［J］.水运工程，2018（12）：57-61，98.

［15］ 喻中文，司武卫，关兴中.鄱阳湖湖流监测与分析［J］.水利水电快报，2014，35（11）：20-23.

（编辑：李 慧）