李鄭淼，馬 強

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222；2.中國水利水電科學研究院，北京100038）

洱海彌苴河河口濕地整治是洱海保護治理與流域生態(tài)建設的一項重要內容。 該河口濕地為人工濕地， 適合于面源污染控制、可儲蓄洪水和暴雨等地表徑流、為野生動物提供棲息地，且具有一定的景觀功能。 目前因該濕地內水動力條件較差，影響了處理后的水質效果，濕地系統(tǒng)運行狀況未能達到預期，亟待進行改造治理。 由于彌苴河河口濕地面積較大，地形復雜多變，傳統(tǒng)方法難以判斷濕地內部流場狀態(tài)及“死水”區(qū)情況，故采用了MIKE21二維模型，全面系統(tǒng)地對彌苴河河口濕地整治前后流場變化進行了模擬分析，客觀科學地提出了相應治理措施，為后續(xù)工程設計及實施提供了可靠的數(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，是云南省第二大高原淡水湖。多年來，由于區(qū)域經(jīng)濟實力的增強和人口的增加，加之過度開發(fā)利用，洱海生態(tài)環(huán)境受到嚴重影響，環(huán)境質量和功能不斷下降。雖經(jīng)多方治理，取得了一定成效，但洱海水質污染趨勢尚未得到根本遏制，生態(tài)環(huán)境仍面臨嚴峻考驗。

在洱海匯入水量中，來自洱海北邊河流的入湖水量約占洱海年補給水量的70 %，主要由彌苴河、羅時江、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)為自然保護核心區(qū)，生態(tài)敏感性極高，是洱海鳥類遷徙棲息的重要區(qū)域。因此，彌苴河口濕地對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彌苴河及有關農(nóng)灌溝渠匯入洱海的水體進行處理，進而保護洱海水質。 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)模過大，導致非汛期水量不足，濕地內水動力條件較差，影響了處理后的水質效果，也使?jié)竦叵到y(tǒng)運行未能達到預期狀況。 因此，盡快實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模擬方法

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

MIKE21模型是丹麥水力學研究所開發(fā)的系列水動力學模擬軟件之一，可用來模擬河流、湖泊、水庫、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境。其在對二維非恒定流進行模擬的同時，也兼顧水下地形、密度變化的影響。 MIKE21模型包含水動力、 對流擴散、水質等模塊，其中水動力學模塊（HD模塊） 是其最核心的基礎模塊， 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)學模型主要依據(jù)動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動規(guī)律的圣維南偏微分方程組形式為：

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

該模型對上述方程求解采用的是顯格式有限差分方法。當確定了初始條件及邊界條件，將計算域細劃為一系列網(wǎng)格，即可逐單元逐時段（時段長度與劃定的網(wǎng)格長度有關）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。

在流場模擬計算過程中， 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?？?，總面積約0.9108 hm2。 計算采用正方形網(wǎng)格，網(wǎng)格為1m2，網(wǎng)格總數(shù)為7220個；糙率值按地形、地貌條件和地面特點，并參照以往模擬計算的經(jīng)驗選取。計算單元為濕地內部過水通道時，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）開邊界為進水口處其相應的流量為Q=1m3/s；（3）濕地地形根據(jù)現(xiàn)有測量資料的實際地形高程差值設定；（4）初始條件為整體模型的初始速度取0，初始水位設定為0.002m。

實際計算中， 先利用GIS軟件對野外測量數(shù)據(jù)進行矢量化處理，再輸入MIKE21模型計算。 GIS軟件處理主要基于測量點數(shù)據(jù)，利用Inverse Distance Weight（IDW）方法進行差值得到模擬目標的基本地形條件，在得到現(xiàn)狀地形條件數(shù)據(jù)后，運用模型先對濕地現(xiàn)狀流場進行模擬，然后根據(jù)模擬結果，經(jīng)分析提出改造治理措施，如添加擋水壩等，最后再利用模型進行改造后的流場模擬。 通過對濕地改造前后情況對比，驗證改造方案的可行性，及時調整改造治理方案。

3 彌苴河河口濕地主要治理措施

根據(jù)模型模擬結果，彌苴河河口濕地主要存在進出水不暢，各個塘連接處高程過高，影響水體連通；水力停留時間過長，局部存在死水區(qū)，易發(fā)生水體黑臭等問題。 針對這些問題，主要采取以下治理措施：

（1）擬在彌苴河河口建設擋水壩并配有節(jié)制閘，同時對濕地原有地形進行整治，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，濕地進水條件大大改善，塘體內將形成主要水流通道，促進水體流動，縮短水力停留時間。模型模擬結果顯示，改造后的濕地消除了大部分原來的“死水”區(qū)域，流速分布較為均勻。增加擋水壩后，進入濕地水量增加，避免水流通過河道直接流入洱海。水體入濕地后由西向北擴散， 大部分區(qū)域水體能夠進行良好的循環(huán)，增大水體復氧能力，對水質改善效果明顯。

（2）對改造后濕地塘體內依然存在的少部分“死水”區(qū)域，采取設置曝氣復氧裝置來增大水層、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。曝氣復氧裝置可降低死水區(qū)中的污染物濃度，有效改善水質，進一步提升濕地生態(tài)修復效率。

（3）在濕地沿岸充分利用現(xiàn)狀地形、保留現(xiàn)狀樹木，營造動植物生境。與周邊生態(tài)工程建設和周邊地形相結合，種植各種功能不同的植物，包括不同水深補種抗污、納污、轉化污染物質的水生植物，在岸坡種植根系發(fā)達的植物，以達到濕地凈化水質、生物保護、固岸護坡的功能。

4 結語

（1）利用MIKE21模型對濕地建設各個階段進行多次模擬， 能同時從時間和空間角度得到濕地流場演進過程， 不僅解決了傳統(tǒng)方法難以判斷濕地內部流場狀態(tài)及“死水”區(qū)情況等問題，而且可以更精確、合理地指導濕地高程和規(guī)模調整， 進而為濕地工程設計與建設提供決策依據(jù)。

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