李鄭淼，馬 強(qiáng)

（1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津300222；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

洱海彌苴河河口濕地整治是洱海保護(hù)治理與流域生態(tài)建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。 該河口濕地為人工濕地， 適合于面源污染控制、可儲(chǔ)蓄洪水和暴雨等地表徑流、為野生動(dòng)物提供棲息地，且具有一定的景觀功能。 目前因該濕地內(nèi)水動(dòng)力條件較差，影響了處理后的水質(zhì)效果，濕地系統(tǒng)運(yùn)行狀況未能達(dá)到預(yù)期，亟待進(jìn)行改造治理。 由于彌苴河河口濕地面積較大，地形復(fù)雜多變，傳統(tǒng)方法難以判斷濕地內(nèi)部流場(chǎng)狀態(tài)及“死水”區(qū)情況，故采用了MIKE21二維模型，全面系統(tǒng)地對(duì)彌苴河河口濕地整治前后流場(chǎng)變化進(jìn)行了模擬分析，客觀科學(xué)地提出了相應(yīng)治理措施，為后續(xù)工程設(shè)計(jì)及實(shí)施提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 洱海彌苴河河口濕地整治的必要性

洱海流域位于瀾滄江、 金沙江和元江三大水系分水嶺地帶， 屬瀾滄江湄公河水系， 流域面積2565km2。 洱海地處云南省大理白族自治州境內(nèi)，是云南省第二大高原淡水湖。多年來(lái)，由于區(qū)域經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)和人口的增加，加之過(guò)度開(kāi)發(fā)利用，洱海生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重影響，環(huán)境質(zhì)量和功能不斷下降。雖經(jīng)多方治理，取得了一定成效，但洱海水質(zhì)污染趨勢(shì)尚未得到根本遏制，生態(tài)環(huán)境仍面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。

在洱海匯入水量中，來(lái)自洱海北邊河流的入湖水量約占洱海年補(bǔ)給水量的70 %，主要由彌苴河、羅時(shí)江、永安江和西閘河等組成，其中彌苴河是最大的匯入河流。另外，洱海北部湖區(qū)為自然保護(hù)核心區(qū)，生態(tài)敏感性極高，是洱海鳥(niǎo)類遷徙棲息的重要區(qū)域。因此，彌苴河口濕地對(duì)洱海水體凈化具有十分重要的作用。

彌苴河河口濕地主要針對(duì)彌苴河及有關(guān)農(nóng)灌溝渠匯入洱海的水體進(jìn)行處理，進(jìn)而保護(hù)洱海水質(zhì)。 目前，由于其大部分濕地塘體與農(nóng)灌溝渠連接，而農(nóng)灌溝渠在非汛期水量較少，加之濕地塘體規(guī)模過(guò)大，導(dǎo)致非汛期水量不足，濕地內(nèi)水動(dòng)力條件較差，影響了處理后的水質(zhì)效果，也使?jié)竦叵到y(tǒng)運(yùn)行未能達(dá)到預(yù)期狀況。 因此，盡快實(shí)施彌苴河口濕地治理改造十分必要。

2 彌苴河河口濕地流場(chǎng)模擬方法

由于彌苴河河口濕地面積較大，地形復(fù)雜多變，傳統(tǒng)分析方法難以判斷濕地內(nèi)部流場(chǎng)狀態(tài)及死水區(qū)情況。 本次采用MIKE21二維模型對(duì)彌苴河河口濕地流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析， 基于模型可全面分析濕地建設(shè)前后流場(chǎng)中水位、水深、流速、流量等水力要素值的變化。

MIKE21模型是丹麥水力學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的系列水動(dòng)力學(xué)模擬軟件之一，可用來(lái)模擬河流、湖泊、水庫(kù)、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境。其在對(duì)二維非恒定流進(jìn)行模擬的同時(shí)，也兼顧水下地形、密度變化的影響。 MIKE21模型包含水動(dòng)力、 對(duì)流擴(kuò)散、水質(zhì)等模塊，其中水動(dòng)力學(xué)模塊（HD模塊） 是其最核心的基礎(chǔ)模塊， 可模擬因各種作用力而產(chǎn)生的水位和水流變化及任何忽略分層的二維自由表面流。水動(dòng)力模型的主要控制方程基于三向不可壓縮和Reynolds 值 均 布 的Navier-Stokes 方 程， 并 服 從 于Boussinesq 假定和靜水壓力的假定。

二維非恒定流數(shù)學(xué)模型主要依據(jù)動(dòng)量守恒和能量守恒原理，其基本方法是求解圣維南方程組。

描述二維非恒定流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的圣維南偏微分方程組形式為：

動(dòng)量方程中：（a）為加速度項(xiàng)；（b）為X方向慣性項(xiàng)；（c）為Y方向慣性項(xiàng)；（d）為水面坡降項(xiàng)；（e）為阻力項(xiàng)。

該模型對(duì)上述方程求解采用的是顯格式有限差分方法。當(dāng)確定了初始條件及邊界條件，將計(jì)算域細(xì)劃為一系列網(wǎng)格，即可逐單元逐時(shí)段（時(shí)段長(zhǎng)度與劃定的網(wǎng)格長(zhǎng)度有關(guān)）求解方程組，求得每一網(wǎng)格的水位、水深、流速、流量等水力要素值。

在流場(chǎng)模擬計(jì)算過(guò)程中， 彌苴河河口濕地模擬區(qū)范圍為上起環(huán)海路，下至濕地入洱海口，總面積約0.9108 hm2。 計(jì)算采用正方形網(wǎng)格，網(wǎng)格為1m2，網(wǎng)格總數(shù)為7220個(gè)；糙率值按地形、地貌條件和地面特點(diǎn)，并參照以往模擬計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)選取。計(jì)算單元為濕地內(nèi)部過(guò)水通道時(shí)，綜合糙率為32m1/3/s （謝才系數(shù)Strickler coefficient）。 主要邊界條件有：（1）閉邊界為河口濕地與環(huán)海西路及彌苴河河道相聯(lián)接的邊界面；（2）開(kāi)邊界為進(jìn)水口處其相應(yīng)的流量為Q=1m3/s；（3）濕地地形根據(jù)現(xiàn)有測(cè)量資料的實(shí)際地形高程差值設(shè)定；（4）初始條件為整體模型的初始速度取0，初始水位設(shè)定為0.002m。

實(shí)際計(jì)算中， 先利用GIS軟件對(duì)野外測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化處理，再輸入MIKE21模型計(jì)算。 GIS軟件處理主要基于測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用Inverse Distance Weight（IDW）方法進(jìn)行差值得到模擬目標(biāo)的基本地形條件，在得到現(xiàn)狀地形條件數(shù)據(jù)后，運(yùn)用模型先對(duì)濕地現(xiàn)狀流場(chǎng)進(jìn)行模擬，然后根據(jù)模擬結(jié)果，經(jīng)分析提出改造治理措施，如添加擋水壩等，最后再利用模型進(jìn)行改造后的流場(chǎng)模擬。 通過(guò)對(duì)濕地改造前后情況對(duì)比，驗(yàn)證改造方案的可行性，及時(shí)調(diào)整改造治理方案。

3 彌苴河河口濕地主要治理措施

根據(jù)模型模擬結(jié)果，彌苴河河口濕地主要存在進(jìn)出水不暢，各個(gè)塘連接處高程過(guò)高，影響水體連通；水力停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，局部存在死水區(qū)，易發(fā)生水體黑臭等問(wèn)題。 針對(duì)這些問(wèn)題，主要采取以下治理措施：

（1）擬在彌苴河河口建設(shè)擋水壩并配有節(jié)制閘，同時(shí)對(duì)濕地原有地形進(jìn)行整治，疏通塘體連通路徑。這樣，非汛期可將河道水位抬高2m，汛期不攔蓄，自流入湖。 改造后人工濕地入口水位將抬高1～2m，濕地進(jìn)水條件大大改善，塘體內(nèi)將形成主要水流通道，促進(jìn)水體流動(dòng)，縮短水力停留時(shí)間。模型模擬結(jié)果顯示，改造后的濕地消除了大部分原來(lái)的“死水”區(qū)域，流速分布較為均勻。增加擋水壩后，進(jìn)入濕地水量增加，避免水流通過(guò)河道直接流入洱海。水體入濕地后由西向北擴(kuò)散， 大部分區(qū)域水體能夠進(jìn)行良好的循環(huán)，增大水體復(fù)氧能力，對(duì)水質(zhì)改善效果明顯。

（2）對(duì)改造后濕地塘體內(nèi)依然存在的少部分“死水”區(qū)域，采取設(shè)置曝氣復(fù)氧裝置來(lái)增大水層、水域之間的交換循環(huán)與自凈能力， 提高水體中溶解氧的水平。曝氣復(fù)氧裝置可降低死水區(qū)中的污染物濃度，有效改善水質(zhì)，進(jìn)一步提升濕地生態(tài)修復(fù)效率。

（3）在濕地沿岸充分利用現(xiàn)狀地形、保留現(xiàn)狀樹(shù)木，營(yíng)造動(dòng)植物生境。與周邊生態(tài)工程建設(shè)和周邊地形相結(jié)合，種植各種功能不同的植物，包括不同水深補(bǔ)種抗污、納污、轉(zhuǎn)化污染物質(zhì)的水生植物，在岸坡種植根系發(fā)達(dá)的植物，以達(dá)到濕地凈化水質(zhì)、生物保護(hù)、固岸護(hù)坡的功能。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）利用MIKE21模型對(duì)濕地建設(shè)各個(gè)階段進(jìn)行多次模擬， 能同時(shí)從時(shí)間和空間角度得到濕地流場(chǎng)演進(jìn)過(guò)程， 不僅解決了傳統(tǒng)方法難以判斷濕地內(nèi)部流場(chǎng)狀態(tài)及“死水”區(qū)情況等問(wèn)題，而且可以更精確、合理地指導(dǎo)濕地高程和規(guī)模調(diào)整， 進(jìn)而為濕地工程設(shè)計(jì)與建設(shè)提供決策依據(jù)。

（2）由于水深變化對(duì)濕地植物的地上形態(tài)、根系生長(zhǎng)和繁殖等都會(huì)產(chǎn)生影響，因此，模型模擬結(jié)果還可為植物種植提供不同位置的水深數(shù)據(jù)， 有效指導(dǎo)濕地植物的種植和選種。