長蕩湖水生植被修復地形重塑方案研究

張怡輝，胡維平，魏慶菲，朱金格，彭兆亮

(1.中國科學院南京地理與湖泊研究所 湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，江蘇 南京 210008； 2.南京國環(huán)科技股份有限公司， 江蘇 南京 210008)

水生植物是湖泊生態(tài)系統的重要組成部分，在維持生態(tài)系統平衡、改善水環(huán)境方面具有重要作用[1]。研究發(fā)現，目前全世界33%以上的湖泊存在著湖泊富營養(yǎng)化和水生植被退化情況[2]。水生植物保護和修復作為湖泊富營養(yǎng)化控制和水質改善的重要手段，可以維持湖泊的清水狀態(tài)[3]，近年來在國內外得到廣泛實踐[4-6]。大型富營養(yǎng)化湖泊的水生植物恢復試驗或工程實踐顯示：風浪強度是植物恢復限制性因素之一，當遭遇強風浪過程時，人工修復后的植物群落往往會減少或消失[7]，自然狀態(tài)下的湖泊生態(tài)系統也常發(fā)生水生植物受強風浪損害現象[8-10]。研究發(fā)現，湖泊水生植被的分布與風浪強度存在著顯著的關系，水生植被往往在風浪強度弱的區(qū)域有較高的出現頻率和覆蓋度[11-12]。洱海調查發(fā)現3種不同風浪強度水域中的苦草生長率、葉片強度及韌性受風浪影響顯著[13]。由此可見，風浪過程對人工修復水生植物和湖泊水體中自然植被都會造成影響。

長蕩湖被列入國家水質較好湖泊保護名錄，既是環(huán)湖地區(qū)生活飲用水、工業(yè)用水、農業(yè)用水、漁業(yè)用水及出入湖河道生態(tài)用水的重要水源，還是鳥類繁殖地和越冬地。近些年受長蕩湖風浪持續(xù)作用影響，長蕩湖沉積物再懸浮現象嚴重，透明度降低，導致長蕩湖水生植被分布面積大幅度萎縮和消失，使得長蕩湖生態(tài)系統凈化能力下降。因此削弱長蕩湖開闊水域風浪強度，抑制底泥再懸浮，提高水體透明度，為水生植被修復營造良好的物理生境條件是長蕩湖水生植被修復的關鍵。本文開展長蕩湖地形重塑方案研究，基于風浪模型計算的削減效果，給出最優(yōu)的地形重塑方案，為長蕩湖水生植被修復創(chuàng)造有利生境條件。

1 研究區(qū)域概況

長蕩湖位于江蘇省常州市金壇區(qū)東南部9 km處，跨金壇、溧陽兩地，又名洮湖，系古太湖分化而成，是太湖流域三大湖泊之一，其南窄北寬，南北最長距離為13.6 km，東西最寬距離為9.3 km，湖周岸線長度約40 km，湖面面積81.9 km2，湖區(qū)平均水深0.8～1.2 m，蓄水量8 600萬m3(常水位)，地形如圖1所示。新建河、方洛港、新河港、大浦港、白石港、仁和港及莊陽港為主要入湖河流，湟里河、北干河及中干河則為主要出湖河流。長蕩湖在湖心存在著水質省考斷面，而在北部湖區(qū)則為飲用水源地，應為長蕩湖綜合治理時重點考慮區(qū)域，如圖1所示。

圖1 長蕩湖地形和考核點位置Fig.1 The topography of Changdang Lake and location of assessment points

2 風浪模型簡介

SWAN風浪模式(Simulating Waves Nearshore)是適用于海岸和內陸水體的第三代風浪模型，由荷蘭Delft大學土木工程系的Booij等[14]開發(fā)并由SWAN團隊發(fā)展和完善。除了包含其他三代風浪模式(如WAVEWATCH[15]、WAM[16])中的風生成項、白浪耗散項、四波相互以及底部耗散項外，還增加了三波相互作用和淺水區(qū)域水深變淺引起的風浪破碎耗散影響。

由于流存在時，波譜能量密度不守恒，而波作用量譜守恒，因此SWAN風浪模式跟其他三代風浪模式相似，采用波作用量密度譜對風浪進行描述。波譜作用量密度譜的變化率可以用作用量平衡方程來表示：

(1)

式(1)中：左邊第一項代表波作用量密度在時間上的局地變化；第二項代表在空間的傳播；第三項表示由于水深和流的變化引起的頻移；第四項表示水深和流引起的折射；方程右邊是源項，表示波能的產生、耗散和能量再分布等物理過程。

對于源項，通常包含以下幾項：

Stot=Sin+Snl3+Snl4+Sds,w+Sds,b+Sds,br

式中：Sin為風能輸入項，Snl3為三波相互作用，Snl4為四波相互作用，Sds,w為白浪耗散項，Sds,b為由于底部摩阻引起的耗散，Sds,br為水深變淺引起的破碎導致的耗散項。風能向風浪的轉換可以利用共振[17]和反饋[18]機制來闡述。其中共振機制主要作用在風浪生成的初始階段，隨時間線性增長；而反饋機制主要反應著波能隨時間呈指數增長。其他諸如白浪耗散、四波相互、三波相互、水深變淺破碎及底摩阻耗散等源項的計算可參考SWAN技術手冊[19]，這里不再贅述。目前SWAN風浪模型在巢湖、太湖得到了廣泛的應用，表明該模型可以正確模擬湖泊風浪分布情況[20-21]。

采用二維非恒定模型，建立東西長12.0 km，南北長14.0 km的長蕩湖模擬區(qū)域。模型的空間分辨率為100 m×100 m，計算時間步長取5 min，共開展48 h模擬以使計算達到穩(wěn)定。擬定頻率范圍為0.1～2.0 Hz，分成40個頻率段。方向沿整個圓周方向均分為36份，即方向分辨率為10°。底摩擦引起的消耗采用JONSWAP模型，系數取0.067。淺水風浪破碎系數在計算時取其均值 0.73。由于入湖河道對風浪影響不大，此處計算時不考慮入湖河流影響。模型中考慮了淺水中三波相互作用，其他采用默認值。風場采用全場均一風場。

3 結果與分析

3.1 現狀地形下長蕩湖風浪情況

與太湖流域相似，東南風為長蕩湖主導風向，為此利用SWAN風浪模型開展長蕩湖現狀地形東南向常風速5 m/s工況下的風浪分布情況，如圖 2所示。可以看出主導風下，長蕩湖西部入湖河口、取水口以及湖心重點區(qū)域風浪都處于較大值，在西部河口湖濱帶區(qū)域、取水口保護區(qū)域以及湖心區(qū)域產生的有效波高最大值為0.28，0.29，0.29 m，有效波高平均值為0.22，0.26，0.28 m，平均波長最大值為1.46，1.49，1.55 m，平均波長平均值為1.14，1.34，1.43 m，在現狀地形下，受風浪作用，一方面植被穩(wěn)定性無法保證；另一方面風浪攪混作用使得以上區(qū)域泥沙含量較大，透明度較低，不利于水生植被生長。

圖2 基于長蕩湖常水位現狀地形5 m/s東南風作用下的有效波高和平均波長分布情況Fig.2 The distribution of significant wave height and averaged wavelength of Lake Changdang under constant water level when the wind with 5 m/s was southeast

3.2 長蕩湖地形重塑方案設計

目前長蕩湖透明度低，不利于水生植物的修復與生長，為提高水體透明度，創(chuàng)造有利于水生植物生長的生境環(huán)境，需要對長蕩湖現狀地形進行重塑，削減風浪在長蕩湖的分布情況，減小重點區(qū)域風浪強度，減弱湖底底泥再懸浮情況。

長蕩湖主導風向為東南風，為此考慮在長蕩湖重點區(qū)域上風向布置生態(tài)潛堤，以此削減重點區(qū)域風浪強度，為水生植被修復創(chuàng)造良好的生境條件。西部湖濱帶為高污染河流匯入湖體區(qū)域，取水口為水源地重點保護區(qū)域，長蕩湖湖心為省考斷面。以上區(qū)域需要重點開展植被修復進行水體凈化，改善長蕩湖水質。為此針對入湖河口、水源保護區(qū)和湖心重點區(qū)域風浪強度大，不利于水生植被生長與修復的問題，選擇設計以下4種地形重塑方案如見圖3和表1所示。

圖3 生態(tài)潛堤布置方案Fig.3 The sketch of ecological dyke schemes

表1 生態(tài)潛堤布置方案概況Tab.1 The overview of different schemes of topographic reconstruction

3.3 風浪削減效果

為評估生態(tài)潛堤消浪效果，基于SWAN風浪模型，開展東南風5 m/s風場作用下風浪計算，不同方案地形下有效波高和平均波長削減程度分布情況如圖 4～7所示。

圖4 方案1地形下有效波高和平均波長削減程度Fig.4 The reduction ratio of significant wave height and average wave length under the topography of scheme 1

地形重塑后，潛堤區(qū)、潛堤掩護區(qū)如圖 8所示?？梢钥闯觯涸跐摰虆^(qū)域，由于高程增加、水深變淺、波浪破碎作用增強，導致波高和波長都明顯減?。欢跐摰萄谧o、臨近潛堤區(qū)域，由于潛堤掩護作用，風浪削減效果較為明顯；遠離潛堤區(qū)域，風的作用逐漸顯現，消浪效果逐漸減弱。不同方案地形下5 m/s風速時產生的平均有效波高和波長以及相較現狀地形下的風浪削減程度如表 2～5所示。

圖8 地形重塑后不同區(qū)域范圍Fig.8 The coverage range of different functional areas after

表2 方案1不同位置風浪強度統計Tab.2 The statistics of wind wave intensity at different locations for scheme 1

(1) 方案1。在潛堤區(qū)域風浪削減顯著，入湖河口潛堤區(qū)有效波高和波長削減比例都在16%以上，取水口外圍潛堤區(qū)削減程度更大，有效波高削減比例超過27%，波長削減比例超過22%。而在潛堤掩護區(qū)，風浪削減程度有所減弱，入湖河口掩護區(qū)有效波高削減約9%，波長削減約11%；取水口潛堤掩護區(qū)平均削減風浪約4%。其中西部入湖河口潛堤掩護區(qū)、取水口潛堤掩護區(qū)有效波高削減5%以上面積分別為4.75，3.32 km2，占整個掩護區(qū)的61.8%，18.6%；平均波長削減5%以上面積分別為6.29，4.63 km2，占整個掩護區(qū)的81.9%，25.9%。

圖6 方案3地形下有效波高和平均波長削減程度Fig.6 The reduction ratio of significant wave height and average wave length under the topography of scheme 3

圖7 方案4地形下有效波高和平均波長削減程度Fig.7 The reduction ratio of significant wave height and average wave length under the topography of scheme 4

表3 方案2不同位置風浪強度統計Tab.3 The statistics of wind wave intensity at different locations for scheme 2

表4 方案3不同位置風浪強度統計Tab.4 The statistics of wind wave intensity at different locations for scheme 3

表5 方案4不同位置風浪強度統計Tab.5 The statistics of wind wave intensity at different locations for scheme 4

(2) 方案2。與方案1相似，在潛堤區(qū)域風浪削減顯著，西部入湖河口潛堤區(qū)有效波高和波長削減比例與方案1相似都在16%以上；因取水口外圍潛堤高程增加，潛堤區(qū)風浪削減程度更大，有效波高削減比例超過44%，波長削減比例超過31%，相較方案1削減效果明顯增強。在潛堤掩護區(qū)，風浪削減程度有所減弱，入湖河口掩護區(qū)有效波高削減約9%，波長削減約12%，與方案1相似；取水口潛堤掩護區(qū)平均削減風浪約6%～8%，較方案1削減強度增加。其中西部入湖河口潛堤掩護區(qū)、取水口潛堤掩護區(qū)有效波高削減5%以上面積分別為4.91，6.29 km2，占整個掩護區(qū)的63.9%，35.2%；平均波長削減5%以上面積分別為6.29，7.00 km2，占整個掩護區(qū)的81.9%和39.2%，相較方案1，在取水口潛堤掩護區(qū)風浪削減面積顯著增加。

(3) 方案3。與方案1相比，主要在湖心保護區(qū)南側增加了生態(tài)潛堤，西部入湖河口生態(tài)潛堤和取水口生態(tài)潛堤與方案1一致，相應地對兩個潛堤區(qū)及掩護區(qū)的風浪削減效果也相似。在湖心潛堤區(qū)域有效波高和波長削減比例在19%以上，而在湖心生態(tài)潛堤掩護區(qū)風浪削減比例約為7%左右。其中湖心潛堤掩護區(qū)有效波高削減5%以上面積分別為4.57 km2，占整個掩護區(qū)的40.8%；平均波長削減5%以上面積分別為6.55 km2，占整個掩護區(qū)的58.5%。

(4) 方案4。與方案2相比，主要在湖心保護區(qū)南側增加了生態(tài)潛堤，西部入湖河口生態(tài)潛堤和取水口生態(tài)潛堤與方案2一致，與方案3相比，提高了取水口生態(tài)潛堤和湖心區(qū)生態(tài)潛堤高程。在湖心潛堤區(qū)域有效波高和波長削減比例超過30%以上，在湖心生態(tài)潛堤掩護區(qū)風浪削減比例約為10%，相較方案2和方案3消浪效果有所提升。其中湖心潛堤掩護區(qū)有效波高削減5%以上面積分別為7.96 km2，占整個掩護區(qū)的71.1%；平均波長削減5%以上面積分別為10.03 km2，占整個掩護區(qū)的89.6%。

4 討 論

由以上不同方案的計算及分析結果可以看出：潛堤削減波長效果較削減波高效果顯著些，隨著風速增加，潛堤掩護消浪效果逐漸減弱?？紤]波長是決定風浪是否能對湖底產生攪渾作用的重要因素之一，因此通過潛堤掩護作用，可減弱風浪作用，減弱風浪對湖體底部的動力擾動，進而降低底泥再懸浮，增加透明度，為水生植被修復營造良好的生境環(huán)境。

對比不同方案消浪效果，西部入湖河口外圍布置3.00 m高程生態(tài)潛堤可有效削減主導平均風場下風浪強度，為西部沿岸污染阻截凈化區(qū)內水生植被修復創(chuàng)造有利的生境條件。水源地保護區(qū)外圍布置3.26 m高程生態(tài)潛堤較3.00 m高程生態(tài)潛堤消浪效果更加明顯，工程量增加約10%，消浪強度提升60%以上，根據計算可在水源地南部沿生態(tài)潛堤形成一4.47 km2范圍的弱風浪區(qū)(削減風浪強度20%以上區(qū)域)，為該區(qū)域水生植被修復創(chuàng)造有利的生境條件。湖心南側布置生態(tài)潛堤雖可一定程度削減風浪，但削減風浪程度有限，且對湖心區(qū)考核斷面的有利效果較小，由于湖心區(qū)域風區(qū)較長，不同風向來風均可形成較大風浪，同時湖心水域水深較大，工程量巨大，工程作業(yè)難度相較近岸增加，通過布置生態(tài)潛堤方案來削減風浪不夠經濟，因此不考慮在湖心考核區(qū)域外圍布置生態(tài)潛堤，可通過諸如布置圍網、生態(tài)網等方式削減風浪，為水生植被修復創(chuàng)造有利生境條件。

此外在河口外側和水源地保護區(qū)南側布置生態(tài)潛堤所產生的阻流作用，可以減弱大浦港、白石港等入湖高污染水流沖向湖心和水源地區(qū)域，進一步降低長蕩湖湖體污染。

綜合以上分析，方案2可以作為長蕩湖水生植被修復的地形重塑方案。西部入湖河口外側生態(tài)潛堤水生植被修復過程中，可以根據圖 5不同位置風浪削減程度分布，配置不同類型植被，提高長蕩湖水生植被修復的成功率。

圖5 方案2地形下有效波高和平均波長削減程度Fig.5 The reduction ratio of significant wave height and average wave length under the topography of scheme 2

5 結 論

針對長蕩湖水淺、浪大、底泥易懸浮，不利于水生植被的生長與恢復的問題，本文開展了長蕩湖地形重塑方案研究，基于風浪削減效果設計最佳地形重塑方案，可以得出以下結論。

長蕩湖西部湖濱帶為高污染河流匯入湖體區(qū)域，在西部入湖河口外約1 km位置布置高程為3.00 m生態(tài)潛堤，可有效削減主導平均風場下風浪強度，潛堤區(qū)域有效波高和波長削減比例超過16%，潛堤掩護區(qū)有效波高削減約9%，波長削減約12%，降低西部湖濱帶底泥再懸浮和動力強度，為西部沿岸污染阻截凈化區(qū)內水生植被修復創(chuàng)造有利的生境條件。水源地保護區(qū)外圍布置3.26 m高程生態(tài)潛堤，潛堤區(qū)有效波高削減比例超過44%，波長削減比例超過31%，潛堤掩護區(qū)平均削減風浪約6%～8%，可在水源地南部沿生態(tài)潛堤形成一4.47 km2范圍的弱風浪區(qū)(削減風浪強度20%以上區(qū)域)，有利于該區(qū)域水生植被修復。

湖心區(qū)域風區(qū)較長，不同風向來風均可形成較大風浪，同時湖心水域水深較大，工程量巨大，工程作業(yè)難度相較近岸增加，可通過諸如布置圍網、生態(tài)網等方式削減風浪，為水生植被修復創(chuàng)造有利生境條件。