太湖西部湖區(qū)濱岸帶湖流沖刷特征研究

張中天，吳小靖，許 強，史傳萌，展永興，柳子豪

（江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215006）

湖泊濱岸帶是指位于湖泊等水體兩邊或周圍、介于陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的狹長植被帶，它不僅可以提供生物棲息地和保持生物多樣性，還具有固岸和降低侵蝕、涵養(yǎng)水源、維持區(qū)域生態(tài)環(huán)境功能［1］。20世紀(jì)90年代以前，太湖西部沿岸為自然形成的岸坡，一般為離湖邊30～80 m 為蘆葦帶，部分區(qū)段湖邊水域中有200～300 m 以上的蘆葦?shù)人参飵?，而向陸?00～300 m 為湖邊坡地，其坡面依次為池杉防護林、桑地、菜地或旱地，坡頂高程3～4 m，再向內(nèi)為桑園或耕地，高程在5.0 m 左右。20 世紀(jì)90年代后，隨著太湖一輪治太，原自然濱岸帶逐步轉(zhuǎn)化為堤岸型濱岸帶，太湖西部沿岸的大堤臨水側(cè)高程3.0～5.0 m 為直立式漿砌石擋墻，5.0～7.0 m為斜坡式混凝土護面，堤前拋石保護。此時的西部湖區(qū)由于岸邊完整的蘆葦帶的存在，起到了防止湖流沖刷、削峰減浪、凈化水質(zhì)的作用［2］。

太湖大堤列入太湖流域綜合治理骨干工程后，成為地區(qū)重要的防洪屏障［3］，是流域防洪調(diào)蓄和水資源調(diào)配的重要基礎(chǔ)，是統(tǒng)籌太湖蓄泄的關(guān)鍵［4-5］。盡管環(huán)湖大堤在防洪方面起到了重要作用，但是受硬質(zhì)大堤的影響，太湖湖流和波浪對大堤外的蘆葦灘地產(chǎn)生了明顯的沖刷作用，濱岸帶出現(xiàn)了嚴(yán)重的退化，至目前為止，已基本消失，不少堤段已經(jīng)無水生植物分布，而部分還存留有水生植物的地方，水生植物的長勢也是非常差，昔日蘆花搖蕩、環(huán)境優(yōu)美的景象不復(fù)存在［6-7］。

為了徹底掌握太湖西部湖區(qū)沖刷特征及其影響，本文采用太湖二維水動力模型進行精細(xì)化計算，分析了不同湖流條件下太湖西部湖區(qū)濱岸帶的參數(shù)程度，并提出了合理的解決方案。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

由于本文的研究對象是西部湖區(qū)，根據(jù)水利部太湖流域管理局對太湖的劃分，本文選取竺山湖和西部沿岸區(qū)的湖區(qū)作為研究對象，分析其水動力特征，并將它們的濱岸帶作為沖刷特征的研究區(qū)域。

1.2 水動力模型

本次采用太湖二維水動力數(shù)學(xué)模型［8-13］模擬太湖湖區(qū)流場?？紤]Boussinesq 近似［14］和淺水假定，以及風(fēng)應(yīng)力的影響，則垂向積分的二維水動力學(xué)方程組為

式中：h為靜止水深；t為時間；u，v分別為流速在x、y方向上的分量；-u、-v為沿水深平均的流速；S為源項；f為Coriolis 力參數(shù)；g為重力加速度；z為水位；ρ0為參考水密度；Pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮海沪褳樗拿芏?；Tsx、Tsy、Tbx、Tby為有效剪切力分量；sxx、sxx、syx、syy均為輻射應(yīng)力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy均為水平黏滯應(yīng)力項；us，vs為源匯項水流流速。

本文使用的水動力模型基本參數(shù)如下：采用曼寧糙率系數(shù)用于模型計算，湖區(qū)糙率系數(shù)采用0.030；橫向渦黏系數(shù)采用Smagorinsky［15］公式估算，相應(yīng)Smagorinsky 系數(shù)取值為0.28 m2/s，水平渦黏系數(shù)［16］則采用對數(shù)公式估算；根據(jù)模型網(wǎng)格大小、水深條件動態(tài)調(diào)整模型計算時間步長，使CFL 數(shù)小于0.8，滿足模型穩(wěn)定的要求，計算時步長在0.01～30 s之間；對計算區(qū)域內(nèi)灘地干濕過程，采用網(wǎng)格凍結(jié)方法處理，當(dāng)某點水深小于0.005 m 時，令該網(wǎng)格點為干點，灘地干出，不參與水動力計算，當(dāng)某點水深大于0.005 m 但小于0.05 m 時，令該處流速為零，該網(wǎng)格點僅參與水流連續(xù)方程的計算；當(dāng)該處水深大于0.1 m時，該網(wǎng)格點參與計算，潮水上灘；本次模型計算的太湖湖區(qū)水下地形采用2018年5月湖區(qū)實測的水下地形測量資料。

1.3 濱岸帶沖刷深度計算方法

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范（B50286—2013）》，太湖西側(cè)邊岸的沖刷深度可用：

式中：hs局部沖刷深度，m；H0沖刷處的水深，m；Ucp近岸垂線平均流速，m/s；n與防護岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4～1/6；Uc為起動流速，m/s；η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α來取值，見表1。

表1 不均勻系數(shù)取值

1.4 沖刷程度計算方法

為了計算濱岸帶不同區(qū)域遭受沖刷影響的程度，本文定義了一個無量綱數(shù)濱岸帶沖刷影響指數(shù)θ：

式中：hs局部沖刷深度，m；hs0最大沖刷深度，m；而局部沖刷深度（hs）的計算則是根據(jù)不同風(fēng)向?qū)е碌臎_刷深度，并以其出現(xiàn)頻率為加權(quán)因子做的加權(quán)平均。

式中：hsi為8 種不同風(fēng)向的局部沖刷深度，m；Pi為8 種不同風(fēng)向的出現(xiàn)頻率。

本文定義濱岸帶的沖刷影響指數(shù)θ＞0.8 表示重度影響；0.5＜θ≤0.8 表示中度影響；0.2＜θ≤0.5 表示輕度影響；θ≤0.2表示幾乎無影響。

2 計算結(jié)果

2.1 太湖地區(qū)風(fēng)場特征

本文利用太湖地區(qū)東山站的1966—2020年共55年的長序列氣象資料，分析了東、西、南、北、東南、西南、東北、西北8個風(fēng)向的出現(xiàn)頻率、特征風(fēng)速（圖1）。為給太湖二維水動力數(shù)學(xué)模型提供合適的邊界條件，本文定義選取10年一遇的風(fēng)速（頻率10%），來作為太湖二維水動力數(shù)學(xué)模型的邊界條件?？傮w來說，太湖的主風(fēng)向為東南風(fēng)和南風(fēng)，太湖不同風(fēng)向的風(fēng)速在10年一遇的風(fēng)速條件下，基本在7～12 m/s，而東南和南主風(fēng)向的風(fēng)速大約在7.5～8 m/s。

圖1 太湖風(fēng)速風(fēng)向特征

2.2 太湖西部湖區(qū)流場特征

本文利用太湖二維水動力數(shù)學(xué)模型，計算出太湖在東、西、南、北、東南、西南、東北、西北8 個風(fēng)向下的流場（圖2），所用邊界條件為特征風(fēng)速。利用此流場，做濱岸帶沖刷特征分析。根據(jù)式（4）和式（5），沖刷深度和濱岸帶的湖流流速和濱岸帶流速方向有關(guān)，當(dāng)流速越大的時候，濱岸帶堤防越容易被沖刷侵蝕；當(dāng)湖流正對濱岸帶沖刷且交角較大的時候，濱岸帶堤防也越容易被侵蝕。因此，從圖2 可以看出，在10年一遇的風(fēng)速下，太湖西部湖區(qū)的湖流流速基本在0.05 m/s 以內(nèi)。在東風(fēng)和東南風(fēng)的情況下，湖流與濱岸帶交角較大。南風(fēng)導(dǎo)致的湖流雖然與濱岸帶交角小，但是流速較大。因此這幾種情況容易導(dǎo)致濱岸帶受到湖流侵蝕。西南風(fēng)、東北風(fēng)、北風(fēng)3種工況雖然在濱岸帶的流速較大，但是由于其流速方向有遠離濱岸帶的趨勢，所以不會造成太大的沖刷影響。

圖2 西部湖區(qū)流場圖

3 分析討論

3.1 沖刷深度分布

利用公式（4），不同工況下的太湖西側(cè)邊岸的沖刷深度可以計算得出（圖3）。對比圖3 可以明顯看出，在竺山湖區(qū)域，由于處于湖灣處，岸線的分布比較復(fù)雜，所以無論什么風(fēng)向的風(fēng)生流，其沖刷嚴(yán)重的區(qū)域都分布比較零散。而西部沿岸區(qū)的岸線比較平直，因此沖刷分布比較規(guī)整。

圖3 西部湖區(qū)濱岸帶沖刷深度（單位：m）

沖刷最為嚴(yán)重的是在東風(fēng)、東南風(fēng)與南風(fēng)的情況下的風(fēng)生流，西部沿岸區(qū)的大部分區(qū)域沖刷深度有很大的區(qū)域是超過0.2 m的（亮黃色區(qū)域），而根據(jù)圖1（b）所示，東南風(fēng)與南風(fēng)正是太湖的盛行風(fēng)向，因此太湖的西部湖區(qū)有較大的風(fēng)生流沖刷風(fēng)險。

3.2 濱岸帶基底修復(fù)方案

為了修復(fù)西部湖區(qū)的濱岸帶基底，宜從基底工程修復(fù)和植被恢復(fù)兩個方面著手。由于植被恢復(fù)耗資大，見效慢，本研究討論采用基底工程修復(fù)方案來減小太湖湖區(qū)西部水流沖刷的影響。圖4是太湖西部湖區(qū)濱岸帶平均沖刷深度與水深的關(guān)系，當(dāng)水深小于1.2 m 時，水深越小則沖刷深度越??；當(dāng)水深大于1.2 m 時，沖刷深度會隨水深增大而減小。由于太湖水深較淺，平均為1.9 m，尤其在靠近濱岸帶的地區(qū)，一般來說水深不會超過1.2 m，因此基底修復(fù)可以在一定程度上減小濱岸帶的水深，來達到減小濱岸帶沖刷影響的目的。

圖4 西部湖區(qū)濱岸帶平均沖刷深度與水深關(guān)系

由于太湖的死水位在2.80 m，當(dāng)濱岸帶修復(fù)高程定在2.80 m 時，對興利庫容和防洪庫容沒有影響，當(dāng)濱岸帶修復(fù)高程定達到3.00 m 時，對太湖的防洪功能幾乎無影響。因此本研究設(shè)定方案A、方案B、方案C 分別表示濱岸帶修復(fù)高程為2.60 m、2.80 m 和3.00 m（圖5）。在20 世紀(jì)90年代以前，太湖西部沿岸為自然形成的岸坡，一般為自湖邊30～80 m 為蘆葦帶，部分區(qū)段湖邊水域中有200～300 m以上的蘆葦?shù)人参飵?。為了使得濱岸帶修復(fù)工程較為符合90年代前的情況，本研究設(shè)定方案1、方案2、方案3 分別表示濱岸帶修復(fù)寬度為100 m、200 m和300 m（圖5）。

圖5 西部湖區(qū)濱岸帶修復(fù)方案

根據(jù)以上濱岸帶修復(fù)的高程和寬度設(shè)計方法，本研究將各種設(shè)計參數(shù)進行組合，得到表2 的9 種設(shè)計方案。例如將方案A 和方案1 組合，得到方案A1，表示濱岸帶修復(fù)的高程為2.6 m 和修復(fù)寬度為100 m；將方案C和方案2組合，得到方案C2，表示濱岸帶修復(fù)的高程為3.0 m 和修復(fù)寬度為200 m。依此類推，得到以下9種組合方案（表2）。

表2 本研究所設(shè)計濱岸帶修復(fù)方案

3.3 不同方案的沖刷影響程度

圖6 為不同工況下沖刷影響指數(shù)分布，在無修復(fù)的工況下，比較嚴(yán)重的沖刷侵蝕影響區(qū)域在竺山湖的濱岸帶以及西部沿岸區(qū)較為靠南的區(qū)域。如果不對濱岸帶采取任何基底修復(fù)方案，其濱岸帶的侵蝕將非常嚴(yán)重；如果對濱岸帶進行修復(fù)，則方案C優(yōu)于方案B，方案B優(yōu)于方案A。

圖6 不同工況下沖刷影響指數(shù)分布

太湖西部湖區(qū)濱岸帶不同修復(fù)方案影響程度占比，計算結(jié)果見表3。

表3 不同方案下西部湖區(qū)濱岸帶影響程度占比

根據(jù)表3 可以看出，如果不對濱岸帶采取任何基底修復(fù)方案，將有約40%的區(qū)域表現(xiàn)為中度和重度影響。對比不同修復(fù)寬度方案（例如：方案A1、方案A2、方案A3）可以看出其差異并不明顯，這是因為太湖湖面非常開闊，濱岸帶的寬度對其附近的湖流影響較小。

對比不同修復(fù)高程方案，當(dāng)濱岸帶的基底修復(fù)建設(shè)高程為2.6 m 時（方案A），重度和中度影響區(qū)域明顯減小，約占15%，輕度影響的區(qū)域占比75%以上；當(dāng)使用方案B的時候，絕大多數(shù)區(qū)域為輕度影響和無影響區(qū)域，重度影響的區(qū)域變?yōu)榱?，而中度影響的區(qū)域僅占比2%～3%；當(dāng)使用方案C 的時候，幾乎無影響的區(qū)域變?yōu)?00%。

3.4 歷史水位特征分析

按照《太湖流域綜合規(guī)劃（2013—2030年）》明確的“填土高程原則上不超2.8m”要求，本文分析了太湖2011—2020年10年以來不同日均水位低于2.8 m 的頻率（表4），發(fā)現(xiàn)除2011年有13 d（3.56%）的日均水位低于2.8 m，其他年份均無低于2.8 m 的情況，因此2.8 m 作為太湖的最高填土高標(biāo)準(zhǔn)是合理的。

表4 太湖水位低于2.8 m頻率分布

由于太湖西部和東部水位的差異（5～10 cm），按照《太湖流域綜合規(guī)劃（2013—2030年）》明確的“填土高程原則上不超2.8 m”的要求，且考慮到灘面高程越高，越有利于水生植物生長，本文利用大浦口和洞庭西山（三）2 個太湖水位測站，分別代表太湖西部和東部水位，分析了太湖東部和西部填土構(gòu)筑湖濱帶的合理控制水位值（表5）。由表5可知，大浦口站在小于2.8 m的限制條件下，最大年內(nèi)僅有2 d水位低于限制；而在小于2.85 m的限制條件下，最大年內(nèi)有12 d低于限制。洞庭西山（三）站在小于2.8 m的限制條件下，最大年內(nèi)有72 d 水位低于限制；而在小于2.7 m 的限制條件下，最大年內(nèi)有10 d 低于限制。因此太湖在東部和西部填土構(gòu)筑湖濱帶的實際控制水位值可考慮為在太湖東部控制在2.7 m，而西部控制在2.85 m。

表5 太湖不同站點水位低于限制條件的天數(shù)

4 結(jié)論與建議

根據(jù)太湖二維水動力數(shù)學(xué)模型計算8個風(fēng)場下的流場并進行濱岸帶沖刷特征分析，結(jié)果表明湖流流速越大，湖流對濱岸帶正向沖擊的角度越大，則濱岸帶越容易遭受沖刷侵蝕。因此，對于太湖西部湖區(qū)而言，東風(fēng)和東南風(fēng)與濱岸帶交角較大，南風(fēng)的流速較大，這幾種情況下濱岸帶更易受到湖流侵蝕，西部沿岸區(qū)的大部分區(qū)域沖刷深度有很大的區(qū)域是超過0.2 m，東南風(fēng)與南風(fēng)正是太湖的盛行風(fēng)向，因此太湖的西部湖區(qū)有較大的風(fēng)生流沖刷風(fēng)險。在西南風(fēng)、東北風(fēng)、北風(fēng)3 種風(fēng)場下，雖然在濱岸帶的流速較大，但是由于其流動方向有遠離濱岸帶的趨勢，所以不會造成太大的沖刷影響。

濱岸帶基底修復(fù)能有效防止沖刷侵蝕，當(dāng)水深在一定范圍內(nèi)（小于1.2 m），隨著基底修復(fù)的高程的增加，湖流沖刷侵蝕作用變小，當(dāng)基底修復(fù)高程達到3.0 m 時，太湖西部湖區(qū)的濱岸帶幾乎不受湖流沖刷的影響區(qū)域達到100%，然而根據(jù)《太湖流域綜合規(guī)劃（2013—2030年）》提出“嚴(yán)格控制生態(tài)修復(fù)或景觀綠化項目填土高程，其中太湖內(nèi)建設(shè)項目填土高程原則上不得高于2.8 m”，對于修復(fù)高程為2.6 m來說，風(fēng)生流沖刷導(dǎo)致的中度和重度影響區(qū)占比仍舊很高，因此不予考慮?？紤]到太湖西部和東部水位的差異（5～10 cm），灘面高程高會有利于水生植物恢復(fù)，本文建議在太湖東部濱岸帶構(gòu)筑高程控制在2.7 m，而西部控制在2.85 m。