李晉，喬會婷，徐天平，張洪興，張明亮，姜恒志

(1.盤錦鴛鴦溝國家級海洋公園管理辦公室，遼寧 盤錦 124010；2.大連海洋大學(xué) 海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023；3.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 大連 116023)

濕地被稱為“地球之腎”，是水生生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)間的過渡區(qū)域，能為人類提供大量的食物、原材料及水資源，其在維持生態(tài)平衡和生物多樣性等方面起著重要的作用。中國河口濕地主要分布在沿海區(qū)域，是海洋與河流的過渡地帶。由于在河口處存在潮汐、河流徑流、波浪等因素相互作用，該水域流態(tài)復(fù)雜多變。當(dāng)含有一定鹽分的海水隨著上漲的潮水上溯到河口內(nèi)一定距離，便會產(chǎn)生鹽楔，即鹽水入侵現(xiàn)象[1]。

為掌握河口濕地水域的水動力特性，了解影響濕地植被生長的鹽度因子的時空分布情況，國內(nèi)外學(xué)者做了許多相關(guān)的研究[2-11]。Feng等[2]針對坡度較緩的濕地建立了一個二維的非線性水流動力學(xué)模型(WETFLOW模型)，并用室內(nèi)模型和野外池塘濕地對其一維和二維形式進(jìn)行了驗(yàn)證；Abu-Bakar等[3]將TMS (Telemac Modelling System)模型系統(tǒng)應(yīng)用于英國的塞文河口和布里斯托海峽，研究植被與濕地沉積物間的相互作用對河口環(huán)境的影響；Hu等[4]將Delft-3D模型應(yīng)用于半封閉布列塔尼海灣，探討了植被對濕地水流的影響；Stark等[5]采用經(jīng)過校準(zhǔn)和驗(yàn)證的Telemac-2D模型，在不同水深和不同植被覆蓋度下，對荷蘭斯海爾德河口的水動力特征進(jìn)行模擬；Boumal等[6]收集荷蘭西南部的西斯海爾德河口灘涂和沼澤長期的高分辨率水文數(shù)據(jù)，通過分析發(fā)現(xiàn)，無論是在灘涂還是在沼澤植被區(qū)，其潮汐幅度與最大流速間存在明顯的線性關(guān)系，植被區(qū)的流速要比灘涂低；Sabokrouhiyeh等[7]利用濕地形狀和植被密度的函數(shù)關(guān)系研究了濕地對廢水處理的效率問題；Coletti等[8]采用水-植被-鹽度生態(tài)水文模型，對澳大利亞西南部一個鹽沼濕地進(jìn)行了模擬，研究發(fā)現(xiàn)，水文條件變化與濕地植被保護(hù)息息相關(guān)。目前，國內(nèi)在這方面也進(jìn)行了一系列研究，張明亮等[9]從植被對水流流動特性影響入手，建立了植被作用下的平面二維k-ε雙方程數(shù)學(xué)模型，通過采用拖曳力法和等效阻力系數(shù)法處理植被對水流的影響，模擬了剛性植被覆蓋的彎曲水槽的水動力特征，得到植被對水位和速度的影響規(guī)律；顧峰峰等[10]利用二維數(shù)值模型對扎龍濕地進(jìn)行了模擬，分析了蘆葦在濕地蓄、滯洪過程中的作用；Zhang等[11]通過構(gòu)建植被河道漸變流水動力試驗(yàn)，基于理論分析及試驗(yàn)研究了不同植被參數(shù)對植被河道漸變流流場結(jié)構(gòu)、能量耗散、曼寧系數(shù)和湍流結(jié)構(gòu)的影響。

遼河是中國七大河流之一，河長約1400 km，流域總面積約22.9萬km2，流經(jīng)內(nèi)蒙古、河北、吉林、遼寧4個省區(qū)，其在遼寧省境內(nèi)流域面積約6.92萬km2。遼河口國家級自然保護(hù)區(qū)地處遼東灣遼河入?？谔?，是由攜帶大量營養(yǎng)物質(zhì)和泥沙的淡水與海水互相浸淹混合而形成的適宜多種生物繁衍的河口濕地，其濕地面積總量位于世界第二。濕地植物以蘆葦、堿蓬植物群落為主，其中，翅堿蓬是河口濕地常見的鹽堿地指示植物，具有耐鹽、耐旱、適應(yīng)性廣等特征[12]，形成了壯麗的“紅海灘”奇景。水分和鹽度的消長變化直接影響著翅堿蓬的正常生長。研究發(fā)現(xiàn)，翅堿蓬在低鹽濃度下生長最好，當(dāng)鹽度含量達(dá)到約10時，堿蓬草由綠色變?yōu)榧t色，當(dāng)鹽度大于16時，將會導(dǎo)致翅堿蓬生長受到嚴(yán)重抑制，甚至死亡[13]。對于蘆葦來說，主要的影響因素也是鹽度和水分，蘆葦適合在低鹽度的土壤中存活，土壤鹽分過高將會抑其生長。近年來，隨著濕地污染、海平面上升、海岸侵蝕、濕地資源開發(fā)，以及修建攔海大堤、圍海造田和建設(shè)采油平臺等，使得河口水體環(huán)境發(fā)生改變，并導(dǎo)致翅堿蓬賴以生存的生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化，濕地中翅堿蓬大面積死亡，河口濕地部分生態(tài)服務(wù)功能逐漸喪失，因此，亟須開展遼河口濕地水動力和鹽度作用過程的研究，掌握翅堿蓬正常生長所需條件，為遼河口區(qū)水資源優(yōu)化配置及濕地生態(tài)功能的恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。本研究中，基于Mike 21水動力模型，對遼河口紅海灘濕地水深、潮流和鹽度進(jìn)行模擬，并采用遼河口濕地區(qū)域的水深、速度、鹽度實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。在驗(yàn)證模型的基礎(chǔ)上，從數(shù)值上分析濕地植被對潮灘區(qū)域水動力的影響，并就徑流量對濕地水域鹽度濃度的影響及鹽度的縱向分布規(guī)律進(jìn)行了解析。

1 二維數(shù)學(xué)模型

Mike 21 是丹麥水利研究所(DHI)開發(fā)的一款廣泛應(yīng)用于水動力研究的模型系統(tǒng)，Mike 21 作為一種可以模擬自由表面二維流動問題的模型，可以勝任涉及海洋、河流、河口及內(nèi)陸湖泊等水體的模擬研究工作[12]。

連續(xù)性方程為

(1)

動量方程分別為

(2)

(3)

2 模型的建立與率定

2.1 計(jì)算區(qū)域岸線及網(wǎng)格劃分

模型計(jì)算范圍為40°18′12″～40°42′38″N、121°01′46″～122°01′53″E的海域，即西至葫蘆島，東至鲅魚圈連線以北的遼東灣海域，其北端位于灣頂?shù)倪|河河口(圖1)。模型采用非結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格通過SMS(Surface Water Model System)軟件生成，水平方向分辨率靈活可變，對沿岸、河道等地形復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行針對性的加密。模型計(jì)算區(qū)域包含9599個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，18 108個三角形單元，模型為顯格式，采用的最大時間步長為1800 s，模型在計(jì)算過程中根據(jù)CFL條件自動調(diào)整時間步長。計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格設(shè)置如圖2所示，網(wǎng)格可較好地?cái)M合研究區(qū)域內(nèi)復(fù)雜的岸線和海底地形。

2.2 邊界條件設(shè)置

計(jì)算域的外海開邊界給定潮位，主要考慮了通過TMD(Tide Model Driver)獲取的潮位過程線(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q1分潮)。由于研究區(qū)域存在潮灘，因此，模型中引入干濕單元判斷技術(shù)。模型采用冷啟動方式，初始水位和速度均設(shè)置為0。根據(jù)遼寧省水文信息網(wǎng)所提供的歷年觀測站的徑流數(shù)據(jù)，以及海灣志中遼河口的多年平均徑流量，制作流量的時間序列文件作為遼河上游開邊界。

圖1 研究區(qū)域示意圖Fig.1 Sketch map of computation domain

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格水深及鲅魚圈觀測站位分布Fig.2 Mesh, water depth and the measured gauges at computed domain

2.3 模型驗(yàn)證

本研究中，根據(jù)錦州港龍棲灣港區(qū)起步區(qū)填海工程全潮水文觀測分析報(bào)告中的實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行率定，2個潮位站位H1、H2，4個潮流站位V1、V2、V3和V4的站位位置如表1所示。模型的計(jì)算起止時間為2014年5月1日—6月30日。

從圖3可知，模型模擬的潮位較實(shí)測值來說稍微偏低一些，一方面可能是潮位站位于邊界的原因，另一方面可能是TMD提取的開邊界潮位過程線不夠精確。但無論是振幅還是相位，吻合都是比較好的，誤差在允許范圍之內(nèi)。

表1潮位、潮流觀測站點(diǎn)坐標(biāo)

Tab.1Coordinatesoftidallevelandtidalcurrentmonitoringstations

站位station北緯North latitude東經(jīng)East longitudeH140°47′36.96″121°04′49.98″H240°50′09.06″121°23′41.76″V140°49′13.56″121°08′28.26″V240°48′39.60″121°15′16.68″V340°48′24.00″121°24′20.94″V440°43′50.34″121°23′31.32″

圖3 H1和H2站位水位模擬與實(shí)測對比圖 Fig.3 Validation of the tidal level at stations H1 and H2

遼河口的潮汐類型為非正規(guī)半日潮，一天之內(nèi)有兩高兩低不等現(xiàn)象，觀測海域平均潮差為2.57 m，潮汐強(qiáng)度屬中等；兩個驗(yàn)潮站平均潮差相差不大，為0.08 m；實(shí)測漲潮歷時小于落潮歷時，漲、落潮平均歷時分別為6 h 5 min和6 h 18 min，歷時差13 min?？梢?，模型較準(zhǔn)確地模擬了漲落潮過程，以及高(低)潮發(fā)生的時刻和潮高。

圖4、圖5分別為小潮期和大潮期4個潮流站位點(diǎn)流速、流向模擬值與實(shí)測值的對比圖。由圖4、圖5可見，大小潮時的流速均有較小的偏差，流向的模擬值與實(shí)測值吻合較好。小潮、大潮期間以東部海域V4站位平均流速最大，為0.225 m/s，西部海域V1站位平均流速最小，為0.15 m/s。V1、V2、V3、V4站位平均流速分別為0.147、0.161、0.181、0.225 m/s，總體來講，觀測海域的水流強(qiáng)度為離岸水域(V3、V4站位)強(qiáng)于近岸水域(V1、V2站位)。

圖6為遼河口大小潮期間的漲落潮流場矢量圖，遼東灣漲潮流的總體流向是東北向。漲潮時，蓋州灘東南部和東部潮流的主流路徑是從蓋州灘東南以東北及北部方向上溯；到達(dá)蓋州灘尾以東、大遼河河口西側(cè)正對面時，水流方向轉(zhuǎn)為近北向；當(dāng)繼續(xù)前進(jìn)到達(dá)蓋州灘的東部和東北部時，水流轉(zhuǎn)向北向西北方向上溯，一直到口門形成了從口外至口內(nèi)的漲潮流。漲潮時，在蓋州灘西側(cè)流的方向主要是北向和東北向，由于三角洲地形的影響，外部邊坡的流勢較弱，產(chǎn)生了大范圍的緩流區(qū)。大潮期間，蓋州灘被兩岸潮流所淹沒。落潮期間，由于河心灘的發(fā)育原因，使落潮流被分為多級分叉水流。其中，遼河口的水流在蓋州灘處被分為兩股流向海外。偏向蓋州淺灘東側(cè)的分叉流為主叉水流，水流流路從河口的南偏東到蓋州灘頭東側(cè)微轉(zhuǎn)東南向，至蓋州灘下部東側(cè)轉(zhuǎn)向南，與大遼河口出口水匯合之后以西南方向泄出外海。靠西側(cè)的分叉流，出流方向是從南向轉(zhuǎn)西南和偏西向，與大凌河口落潮水流交匯。在落潮的初期，雖然蓋州淺灘高灘灘面被水淹沒，但由于水深較淺，海床對水流的阻力較大，流勢弱，從而形成大面積的緩流區(qū)。到落潮后期，大范圍的蓋州灘露出水面，使灘面潮水流入灘兩邊的沖刷槽，從而加大了槽內(nèi)的落潮水流動力。

圖4 小潮期4個潮流站位(V1～V4)的流速和流向?qū)Ρ葓DFig.4 Validation of current speed and flow direction at four measured stations (V1-V4) during neap season

圖5 大潮期4個潮流站位(V1～V4)的流速和流向?qū)Ρ葓DFig.5 Validation of current speed and flow direction at four measured stations (V1-V4) during spring season

3 紅海灘濕地的水動力特征和鹽度變化模擬

3.1 數(shù)據(jù)來源及濕地植被信息的獲取

紅海灘濕地植被信息的提取是通過遙感技術(shù)方法來完成。采用Landsat 8/OLI衛(wèi)星于2017年6月3日獲取的數(shù)據(jù)作為衛(wèi)星數(shù)據(jù)，軌道號為120/32，空間分辨率30 m。通過輻射定標(biāo)和大氣校正對信息進(jìn)行預(yù)處理后，采用遙感常用指數(shù)如歸一化植被指數(shù)、改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)，對典型地物的光譜特征進(jìn)行分析，構(gòu)建出用于研究區(qū)域地物提取與分類的決策樹(圖7)，并提取2017年6月遼河口的水生植被信息，提取的植被主要分為蘆葦和翅堿蓬兩類(圖8)。

河口濕地中植被對水體動力的影響由床底摩擦項(xiàng)系數(shù)——曼寧系數(shù)的變化來表示，曼寧系數(shù)取80 m1/3/s，代表整個研究區(qū)域的摩擦力。植被區(qū)阻力系數(shù)取決于水深、植被密度和植被直徑，植物作用的曼寧系數(shù)nv(與Mike 21中曼寧系數(shù)呈倒數(shù)關(guān)系)計(jì)算公式為

(4)

其中：m為植被密度(株/m2)；CD為拖曳力系數(shù)；hv為植株的高度(m)；D為植株的直徑(m)。

3.2 濕地水動力特征及鹽度變化模擬

在驗(yàn)證遼河口水動力模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用曼寧系數(shù)nv公式模擬濕地植被作用下盤錦紅海灘海域的水流特征及鹽度變化規(guī)律。蘆葦和翅堿蓬兩種植被的直徑分別為0.6、0.2 cm；植物高度分別為1.5、0.15 m；植物拖曳力系數(shù)分別取1.0、0.3；植被密度分別為65、200株/m2。圖9為G1和G2兩個站位模擬水深與實(shí)測結(jié)果的對比圖，圖10為G1站位在有植被情況下的速度實(shí)測值與模擬值對比，植物區(qū)內(nèi)速度在漲落潮過程中呈現(xiàn)雙峰現(xiàn)象。從圖11可以看出，由于濕地植被的存在，消耗了流經(jīng)植被水流的能量，增加了水流的阻力，導(dǎo)致植被區(qū)內(nèi)的流速明顯降低。圖12給出了植物區(qū)內(nèi)G1、G2兩個站位鹽度的變化規(guī)律，計(jì)算值和實(shí)測值較吻合，誤差均控制在5%以內(nèi)。

圖6 大小潮期間漲落潮流場矢量圖Fig.6 Flow field pattern for ebb and flow tides during spring and neap periods

圖7 基于決策樹的植被分類圖Fig.7 Vegetated classification based on decision tree

3.3 徑流量對鹽度分布的影響

河流徑流量是影響河口處鹽度變化的重要因素之一。本研究中通過計(jì)算遼河口紅海灘濕地區(qū)G1、G2兩個站位不同徑流條件下的鹽度大小，分析了徑流量變化對濕地鹽度分布的影響。選取條件分別為0、30、101、285、450、600 m3/s 的6種徑流，具體計(jì)算結(jié)果見圖13。由于G1和G2站位位于潮灘上，當(dāng)潮位較高時潮水漫灘，潮位較低時處于干灘狀態(tài)，該時間段圖中未有鹽度濃度顯示。當(dāng)徑流量為0 m3/s時，G1、G2站位鹽度值均為32；當(dāng)徑流量為30 m3/s時，G1站位鹽度值降為19.96，G2站位鹽度值為26.6；當(dāng)徑流量為450 m3/s徑流時，G1站位鹽度值僅為2，G2站位鹽度值為5.7。由此可以看出，不同徑流量條件下，鹽度的變化規(guī)律有明顯的不同，鹽度的變化隨著徑流量的增大逐漸減小，徑流量越大，平均鹽度越小。遼河口紅海灘海域上游徑流量主要由遼河控制，徑流量呈現(xiàn)豐水、枯水、平水狀態(tài)并呈季節(jié)性變化，枯水徑流時，上游淡水徑流沖淡鹽度的作用較弱，鹽水入侵距離較大，豐水徑流時則正好相反。通過研究徑流與鹽度變化的關(guān)系可知，為保證濕地植被正常生長的鹽度需求，防止高鹽海水進(jìn)入翅堿蓬濕地區(qū)，在枯水徑流時，可采用增加上游下泄流量來控制紅海灘濕地的鹽水入侵。

圖8 植被分布及觀察站位分布Fig.8 Distribution of aquatic vegetation and the measured stations

圖9 G1和G2站位水深的模擬與實(shí)測對比圖Fig.9 Comparison of the observed and calculated water depth at locations G1 and G2

圖10 G1站位植被作用下的水流速度比較Fig.10 Comparison of current speed at locations G1 with a vegetation

圖11 有無植被作用的流場矢量圖Fig.11 Flow field pattern in the absence and presence of vegetation

圖12 G1和G2站位鹽度計(jì)算值和實(shí)測值的對比Fig.12 Comparison of the simulated and measured salinity values at locations G1 and G2

圖13 不同徑流條件下G2、G2站位的鹽度變化過程線Fig.13 Simulated salinity values at locations G1 and G2 in different runoff conditions

4 結(jié)論

本研究中通過利用Mike 21 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格水動力(HD)模塊及其附屬的鹽度輸移模塊建立了遼河口海域二維水流、鹽度數(shù)學(xué)模型，對西至葫蘆島、東至鲅魚圈連線以北的遼東灣海域進(jìn)行了模擬計(jì)算，利用外海實(shí)測所得潮位和流速資料對建立的二維水流鹽度模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果較好，表明模型具有一定的模擬能力，且能較為準(zhǔn)確地模擬被研究區(qū)域的水動力條件。在此基礎(chǔ)上，對遼河口紅海灘濕地植被區(qū)水深、流速、鹽度進(jìn)行模擬驗(yàn)證，并且比較了有無植被分布的流速大小。結(jié)果表明，植被的存在能減小濕地水流流速。通過模擬不同徑流條件下鹽度值的變化發(fā)現(xiàn)，隨著徑流量的不斷增加，遼河口海灘濕地海域鹽度總體上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，可見上游河流徑流量的變化能夠引起翅堿蓬植被區(qū)鹽度的變化，即徑流量的變化會直接影響翅堿蓬植被生長。