張明志，仇銀豪，何一飛，聶咸文，陳 燕，謝 娟 （東聯(lián)（上海）創(chuàng)意設(shè)計(jì)發(fā)展有限公司，上海 200233）

濱海濕地作為陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)過渡帶，目前正受到日益增強(qiáng)的圍墾、污染、生物資源過度利用等因素威脅，濕地面積正快速減少和逐步破碎化。如何保護(hù)濱海濕地，恢復(fù)健康的濕地生態(tài)系統(tǒng)，已成為解決濕地、海洋問題的關(guān)鍵所在。

紅島濕地（圖1）位于山東省青島市紅島經(jīng)濟(jì)區(qū)，西側(cè)為青島市“母親河”大沽河，南側(cè)為膠州灣，面積約25 km2，是目前膠州灣最大最重要的濱海濕地。受常年人類生產(chǎn)活動(dòng)的影響，鹽田、蝦池等人工濕地大量存在，場地已形成以大量埤塘型人工濕地為主，少量鹽沼濕地和河口濕地構(gòu)成的體系。紅島濕地的建設(shè)旨在解決以下四大主要問題:淡水嚴(yán)重不足;土壤鹽漬化程度加劇;埤塘濕地比重過大且污染嚴(yán)重;物種結(jié)構(gòu)單一，生物多樣性受到威脅。

1 MIKE21模型簡介

丹麥水力研究所（DHI）開發(fā)的平面二維數(shù)學(xué)模型MIKE21是一款應(yīng)用廣泛的商業(yè)模型。目前該軟件在國內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展很快，并在一些大型工程中廣泛應(yīng)用。MIKE21是DHI開發(fā)的系列水動(dòng)力學(xué)軟件之一，屬于平面二維自由表面流模型，可用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境場，為水利工程、海岸規(guī)劃等提供完備、有效的設(shè)計(jì)條件和參數(shù)［1］。

2 MIKE21HD及Transport計(jì)算原理

MIKE21軟件中的水動(dòng)力學(xué)模塊（HD模塊）是其最核心的基礎(chǔ)模塊，可以模擬水位和水流變化，以及任何忽略分層的二維自由表面流［1］?；贖D模塊的水動(dòng)力條件及運(yùn)行結(jié)果，應(yīng)用Transport模塊模擬物質(zhì)組分在時(shí)間和空間上的輸移特性。

2．1 控制方程組 對(duì)于水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度的情況，由于水深、流速等水力參數(shù)沿垂直方向的變化比沿水平方向的變化要小得多，因此，將三維流動(dòng)的控制方程沿水深積分，并取水深平均，可得到沿水深平均的二維淺水流動(dòng)質(zhì)量和動(dòng)量守恒控制方程組。其連續(xù)性方程、X和Y方向動(dòng)量方程可分別表示為［2］:

式中，H為水深，H=h+ζ，其中h、ζ分別為凈水深和水位;t為時(shí)間;p、q為X、Y方向上的流通通量;C為謝才系數(shù);g為重力加速度，f為科氏力系數(shù);ρ為水的密度;W、Wx、Wy為風(fēng)速及在 X、Y 方向上的分量;fw為風(fēng)阻力系數(shù);τxx、τxy、τyy為有效剪切力分量。

模型在二維X、Y方向求解的對(duì)流擴(kuò)散方程式為:

式中，c為組分質(zhì)量濃度;t為時(shí)間;p、q為X、Y方向上的流通通量;Dx、Dy為組分在X、Y方向上的分子擴(kuò)散系數(shù)。

2．2 定解條件

2．2．1 邊界條件。開邊界:按潮位過程和流速或流量過程計(jì)算;閉邊界:利用岸壁法，取法向不可入條件，即法向流速為零［1］。

2．2．2 初始條件。模型計(jì)算的初始條件有3種:①恒定初始值在全模擬區(qū)域從靜止?fàn)顟B(tài)開始，取流速和水位為定值;②對(duì)模擬區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格點(diǎn)或區(qū)域指定不同初始水位和流速;③“熱啟動(dòng)”（hot start）方式，即利用之前計(jì)算結(jié)果作為本次計(jì)算的初始條件［2］。

2．2．3 計(jì)算時(shí)間步長。根據(jù)Courant數(shù)（CR）選取時(shí)間步長:

式中，CR為Courant數(shù);h為凈水深;△t為時(shí)間步長;△x為空間步長;g為重力加速度。

3 MIKE21模型應(yīng)用

3．1 水文氣象 膠州灣潮汐屬規(guī)則半日潮類型，設(shè)計(jì)高潮位1．921 m，設(shè)計(jì)低潮位－2．049 m（以1985年國家高程基準(zhǔn)面起算）。膠州灣全年以風(fēng)生浪為主，灣內(nèi)常見波的波高不足0．5 m。秋、冬兩季全海域盛行偏北向浪，以NW向出現(xiàn)頻率最多（17% ～31%）;春、夏兩季盛行偏南向浪，以SE向出現(xiàn)頻率為最多（30% ～33%）。

3．2 參數(shù)設(shè)置 采用MIKE21 FM非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格構(gòu)建模型，網(wǎng)格數(shù)量約3萬個(gè)，數(shù)值模擬計(jì)算采用MIKE21模型的水動(dòng)力模塊（HD）及Transport模塊。

3．2．1 邊界條件。膠州灣開邊界采用天文潮實(shí)測潮位（圖2），大沽河入流邊界流量數(shù)據(jù)采用該河段的多年平均流量，內(nèi)陸其他入流量主要來自市政雨水排放，依據(jù)紅島經(jīng)濟(jì)區(qū)防洪排澇規(guī)劃取值。

3．2．2 初始條件。濕地底部高程及水位采用實(shí)測數(shù)據(jù)（圖2）。

3．2．3 參數(shù)處理。風(fēng)向采用不利風(fēng)向東南風(fēng)，風(fēng)速取模擬月份平均風(fēng)速;干濕邊界、阻力系數(shù)等參數(shù)取模型自定義經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。

3．2．4 鹽度設(shè)置。內(nèi)河入流初始鹽度取0．1 g/kg，膠州灣開邊界初始鹽度取35 g/kg。

3．3 模擬結(jié)果

3．3．1 流場模擬。根據(jù)膠州灣長系列潮汐表進(jìn)行分析，8月份膠州灣潮位偏高，因此模型計(jì)算膠州灣開邊界選取2014年8月上旬實(shí)測潮位值，計(jì)算時(shí)長取15 d。紅島濕地水動(dòng)力模擬結(jié)果（圖3）表明:低潮位及平均潮位時(shí)，紅島濕地受潮汐流影響較小，當(dāng)潮位高于1．05 m時(shí)，海水漫入紅島濕地，濕地受潮汐漫灘影響時(shí)間約占總模擬時(shí)長的1/3。

3．3．2 鹽度模擬。選取2014年8月15日低潮位（－2．02 m）及高潮位（2．03 m）時(shí)段。相應(yīng)潮位對(duì)應(yīng)水體鹽分布見圖4。

根據(jù)濱海地區(qū)海水入侵及土壤鹽漬化研究［3］、濱海鹽漬土水鹽運(yùn)動(dòng)模擬研究［4］等相關(guān)研究內(nèi)容以及濕地現(xiàn)狀用地分析，按《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021－2001）（2009年版）鹽漬土含鹽量分類標(biāo)準(zhǔn)［5］，將紅島濕地土壤鹽漬化程度分為以下4類（圖5）。

3．4 結(jié)果驗(yàn)證 根據(jù)膠州灣紅島濕地土樣含鹽量檢測報(bào)告，結(jié)合濕地現(xiàn)狀植被，復(fù)核MIKE21模擬預(yù)測結(jié)果。

3．4．1 土樣分析檢測。中國海洋大學(xué)土工試驗(yàn)室出具的紅島濕地中心區(qū)兩處土樣的檢測報(bào)告［6］（表1）。

由表可知，濕地中部取樣點(diǎn)（1#）不同深度的土壤含鹽量在0．78% ～2．04%，臨海區(qū)取樣點(diǎn)（2#）在1．6% ～3．77%，按《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021－2001），1#、2#點(diǎn)均為中鹽漬土，與模擬預(yù)測結(jié)果基本一致，誤差控制在合理范圍內(nèi)。

3．4．2 濕地現(xiàn)狀植被。通過現(xiàn)場勘察，遠(yuǎn)離海灣的濕地北部區(qū)域水生植物較為豐富，景觀性較好，且有少量耕地，以玉米種植為主。濕地中部以鹽田為主（東風(fēng)鹽場），地表裸露，植被稀少。濕地南側(cè)臨海，以蝦池、海參池為主，四周較高臺(tái)地生長有少量蘆葦及堿生植物（圖6）。

總體而言，紅島濕地現(xiàn)狀植被分布與MIKE21模擬得到的鹽度分布規(guī)律較為一致，部分區(qū)域植被分布有所出入，或與地形數(shù)據(jù)缺失及MIKE21模型網(wǎng)格劃分精度不足有關(guān)?？傮w而言，模擬預(yù)測結(jié)果對(duì)植物栽植選型具有參考價(jià)值。

表1 土樣腐蝕性分析成果

4 植物栽植設(shè)計(jì)

植物作為生產(chǎn)者，在濕地的恢復(fù)、重建過程中發(fā)揮著重大作用。在濱海濕地鹽漬化的背景下，為保障植物前期成活率及后期生長效果，科學(xué)分析濕地鹽分梯度分布對(duì)植栽具有重要的影響。通過MIKE21模型對(duì)濕地鹽分梯度的模擬、分析和預(yù)測，該研究將從陸生、水生植物兩個(gè)方面對(duì)濕地植物進(jìn)行合理優(yōu)化配置。

4．1 陸生植物 樹木的耐鹽能力是指造林后1～3年內(nèi)，幼樹對(duì)土壤鹽堿的適應(yīng)性，是鹽堿地上樹木忍受鹽漬化程度并產(chǎn)生產(chǎn)量的能力。把樹木生長受到鹽堿抑制，但不明顯降低樹木成活率及生長量時(shí)的土壤含鹽量作為該樹種的耐鹽能力。

不同物種具有不同的耐鹽能力，同時(shí)耐鹽能力也與樹齡大小、樹木強(qiáng)弱、土壤質(zhì)地、含水率及鹽分種類有關(guān)。一般將樹木的耐鹽能力劃分為強(qiáng)、中、弱 3 級(jí)［7］，并將相應(yīng)樹木［8－9］應(yīng)用到紅島濕地中（表2）。

表2 樹種耐鹽能力分級(jí)

4．2 水生植物 水生植物作為水生態(tài)系統(tǒng)的重要部分，可通過發(fā)達(dá)的枝葉和根系形成天然過濾層，吸附、分解和轉(zhuǎn)化水中污染物質(zhì)，促進(jìn)水域養(yǎng)分平衡，兼具生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、景觀、養(yǎng)殖及氣候效益等多種功能。

紅島濕地在陸域淡水及潮汐流的交匯下，形成多梯度鹽分的水體結(jié)構(gòu)。通過MIKE21模型的前期分析，并結(jié)合水生植物生長習(xí)性，在濕地水分鹽度低于0．2%的淡水及微咸區(qū)配置蘆葦、茭草、慈姑、菖蒲、美人蕉、芡實(shí)等挺、浮水植物，以及菹草、黑藻、苦草、眼子菜等沉水植物;濕地水分鹽度不高于1．0%的微咸水種植蘆葦、千屈菜、蓖齒眼子菜、金魚藻、水鱉等水生植物;高于1．0%的咸水種植堿蓬、鹽角草、川蔓藻等水生植物。

同時(shí)通過以植物蛋白（輪葉黑藻、苦草、伊樂藻等沉水植物莖葉）代替動(dòng)物蛋白作為餌料及多漁業(yè)品種混養(yǎng)、輪養(yǎng)、輪捕輪放的生態(tài)養(yǎng)殖模式等途徑，豐富埤塘種群結(jié)構(gòu)，減輕傳統(tǒng)人工埤塘的污染負(fù)荷。

5 結(jié)語

該研究通過MIKE21模型的水動(dòng)力模塊及Transport模塊，科學(xué)地模擬、分析和預(yù)測膠州灣紅島濕地水體及土壤的鹽分梯度分布，為紅島濕地植被恢復(fù)提供必要的理論依據(jù)。通過多層次、多品種的濕地植物，提高淡水利用率，削減污染負(fù)荷和豐富生物種群結(jié)構(gòu)，以期達(dá)到構(gòu)建健康、完整、自我持續(xù)的濕地生態(tài)系統(tǒng)的目的，為解決濱海濕地及海洋問題找到一條行之有效的途徑。

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