洱海彌苴河河口濕地流場模擬及治理措施

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，傳統方法難以判斷濕地內部流場狀態及“死水”區情況，故采用了MIKE21二維模型，全面系統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，為后續工程設計及實施提供了可靠的數據支撐。

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，由于區域經濟實力的增強和人口的增加，加之過度開發利用，洱海生態環境受到嚴重影響，環境質量和功能不斷下降。雖經多方治理，取得了一定成效，但洱海水質污染趨勢尚未得到根本遏制，生態環境仍面臨嚴峻考驗。

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，洱海北部湖區為自然保護核心區，生態敏感性極高，是洱海鳥類遷徙棲息的重要區域。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灌溝渠連接，而農灌溝渠在非汛期水量較少，加之濕地塘體規模過大，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，也使濕地系統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，傳統分析方法難以判斷濕地內部流場狀態及死水區情況。 本次采用MIKE21二維模型對彌苴河河口濕地流場進行數值模擬分析， 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。

二維非恒定流數學模型主要依據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格，即可逐單元逐時段（時段長度與劃定的網格長度有關）求解方程組，求得每一網格的水位、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范圍為上起環海路，下至濕地入洱海口，總面積約0.9108 hm2。 計算采用正方形網格，網格為1m2，網格總數為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Strickler coefficient）。 主要邊界條件有：（1）閉邊界為河口濕地與環海西路及彌苴河河道相聯接的邊界面；（2）開邊界為進水口處其相應的流量為Q=1m3/s；（3）濕地地形根據現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軟件對野外測量數據進行矢量化處理，再輸入MIKE21模型計算。 GIS軟件處理主要基于測量點數據，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，在得到現狀地形條件數據后，運用模型先對濕地現狀流場進行模擬，然后根據模擬結果，經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，易發生水體黑臭等問題。 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， 大部分區域水體能夠進行良好的循環，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中的污染物濃度，有效改善水質，進一步提升濕地生態修復效率。

（3）在濕地沿岸充分利用現狀地形、保留現狀樹木，營造動植物生境。與周邊生態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， 不僅解決了傳統方法難以判斷濕地內部流場狀態及“死水”區情況等問題，而且可以更精確、合理地指導濕地高程和規模調整， 進而為濕地工程設計與建設提供決策依據。

（2）由于水深變化對濕地植物的地上形態、根系生長和繁殖等都會產生影響，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據， 有效指導濕地植物的種植和選種。