基于MIKE21的河道生態(tài)修復(fù)數(shù)值模擬研究

隋保生

(聊城市水利局，山東 聊城 252000)

河流是我們生活中物質(zhì)循環(huán)的重要渠道，隨著城市化快速發(fā)展，河道的生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重的破壞，加速河道生態(tài)修復(fù)迫在眉睫。

對河流的研究從19世紀(jì)就開始開展[1]。對于河流的生態(tài)修復(fù)工作主要從水質(zhì)問題入手，然后進行河流的生態(tài)環(huán)境保護[2]。在小型河道進行“近自然方法治理”[3]的理念得到了大家的廣泛認(rèn)可。蔣曉輝等[4]對小浪底水庫運行后魚類的棲息環(huán)境進行了分析研究。蔡玉鵬等[5]認(rèn)為流量對于水中生物的棲息環(huán)境有很大影響，他使用棲息地模擬法對中華鱘進行了生態(tài)流量研究。鄧超杰[6]、張振興[7]等對河道生態(tài)修復(fù)技術(shù)及其應(yīng)用進行了研究和匯總。欽震杰等[8]將新型的生態(tài)砌塊應(yīng)用在生活中常見的河道整治中。張強[9]對城市內(nèi)河流的生態(tài)治理影響因素進行匯總，并針對不同情況提出了不同修復(fù)措施。劉強等[10]將MIKE11應(yīng)用于復(fù)雜河道并進行相關(guān)的計算研究。

本文將MIKE21水動力模型應(yīng)用于復(fù)雜河道中，對生態(tài)修復(fù)后的流速和魚類棲息環(huán)境進行分析研究。

1 模型建立

1.1 工程概況

本文選取的河道長121.6km，河道內(nèi)地勢比較平坦，縱向比降為0.79‰，河段高差為101.9m，河道內(nèi)含有砂壤土、砂石、卵石、壤土、砂卵石等。受周邊山勢的影響，該河道屬于季節(jié)性雨源型河流，受季節(jié)變化的影響較大，河道區(qū)域內(nèi)平均氣溫在12.5～14.9℃，多年平均降水量為945mm。汛期多出現(xiàn)在4月份、9月中旬結(jié)束。河道附近土壤結(jié)構(gòu)疏松，土體表層及內(nèi)部含有較多腐殖質(zhì)等污染物，人為過度采砂造成河道生態(tài)環(huán)境破壞，魚類的生存受到影響。

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文計算采用MIKE21軟件，計算模型控制方程見公式(1)、公式(2)、公式(3)。

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

x方向：

(2)

y方向：

(3)

式中，ζ(x，y，t)—水流表面波動函數(shù)，m；u—速度分量；p—壓力；q—流量；h—水深；f—風(fēng)阻力系數(shù)；c—謝才阻力系數(shù);E(x，y)—動量擴散系數(shù)，m2/s；vx，vy—在x，y方向上的風(fēng)速分量，m/s；Fx，F(xiàn)y—不同方向的破浪應(yīng)力分量；Six，Siy—在x，y方向的源匯項，m2/s2。

1.3 計算設(shè)置

將該河道地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIKE21，根據(jù)地形進行網(wǎng)格劃分，為了保證計算的時間和計算精度采用三角形網(wǎng)格，對三角形大小進行控制，盡量使得三角形相似，不會出現(xiàn)過大或者過小現(xiàn)象。全部模型劃分網(wǎng)格數(shù)為48967個，對應(yīng)的節(jié)點數(shù)為26583個。

將河道上、下游分別為上下邊界條件，在河道中間段設(shè)置一個匯入口，對水動力模型影響較大的黏性系數(shù)、河床粗糙度、河岸帶植被等影響進行合適的調(diào)整。模型計算工況選擇五種不同流量見表1。采砂前河道原始地形如圖1所示。

表1 流量工況

圖1 采砂前河道原始地形圖

2 結(jié)果分析

2.1 流速分析

對不同工況進行計算，修復(fù)前河道內(nèi)流速分布云如圖2所示，修復(fù)后河道內(nèi)流速分布云如圖3所示。

根據(jù)圖2、圖3可知，河道進行生態(tài)修復(fù)后，在枯水期最小流量29.1m3/s時，修復(fù)后河道內(nèi)過流斷面比較狹窄，僅能維持河道基本過流能力。但是隨著流量的增加，河道流速呈現(xiàn)多樣化的趨勢，在流量為104.5m3/s時上游河道流速呈現(xiàn)明顯多樣化，且流速分布相對較平均，沒有局部過大流速出現(xiàn)。

在進行河道生態(tài)修復(fù)前，大量采砂造成河道過水面積增大，流速減小，各流量平均流速下降60%，對河道的原始形態(tài)造成很大的影響。修復(fù)后在不同流量下均出現(xiàn)了流速增大現(xiàn)象，在流量為38.0m3/s時河道流速增加了68%。在匯流處，各流量平均流速增加51%，最小流量29.1m3/s時增加59%。

圖2 修復(fù)前河道流速分布云圖

圖3 修復(fù)后河道流速分布云圖

對河道區(qū)和河口處流速變化進行對比，如圖4所示。

圖4 修復(fù)前后流速變化對比

根據(jù)圖4可知，在進行生態(tài)修復(fù)后河道區(qū)和河口處流速均有增加，在河道區(qū)29.1m3/s、38.0m3/s、104.5m3/s三種流量下分別增加0.2m3/s、0.27m3/s、0.41m/s；在河口處三種流量下流速分別增加0.11m3/s、0.14m3/s、0.17m/s。隨著流量的增加，流速增加幅度越來越大。

2.2 魚類棲息環(huán)境分析

修復(fù)前河道內(nèi)魚類棲息環(huán)境面積分布如圖5所示，修復(fù)后河道內(nèi)魚類棲息環(huán)境面積分布如圖6所示。

由圖5、圖6可知，在進行河道生態(tài)修復(fù)后河道內(nèi)魚類的棲息環(huán)境面積整體有所減少，但是在高質(zhì)量棲息環(huán)境方面出現(xiàn)了明顯的增加。這是因為修復(fù)前河道過水?dāng)嗝婷娣e較大，河道面積較大，但是大部分環(huán)境不適宜魚類棲息或者說棲息環(huán)境質(zhì)量不好。修復(fù)后雖然整體棲息面積減小，但是適宜魚類生存的高質(zhì)量棲息環(huán)境明顯增加，更有利于魚類的生存繁殖。在流量為29.1m3/s時，河道的上下游高質(zhì)量棲息環(huán)境變化非常明顯。

對修復(fù)前后河道區(qū)內(nèi)魚類棲息環(huán)境面積進行對比，結(jié)果如圖7所示。

圖7 修復(fù)前后魚類棲息環(huán)境面積變化對比圖

根據(jù)圖7可知，修復(fù)后在29.1m3/s、38.0m3/s、104.5m3/s三種流量下河道內(nèi)適宜魚類棲息的高質(zhì)量環(huán)境面積分別增加76282m3/s、190669m3/s、318554m2。增加幅度分別為45.3%、75.1%、29.7%。生態(tài)修復(fù)后的河道功能恢復(fù)有利于魚類的長期發(fā)展。

圖5 修復(fù)前河道魚類棲息環(huán)境面積分布圖

圖6 修復(fù)后河道魚類棲息環(huán)境面積分布圖

3 結(jié)論

本文采用MIKE軟件以水流連續(xù)方程和動量方程為基礎(chǔ)，對河道內(nèi)進行生態(tài)修復(fù)后流速和魚類棲息環(huán)境面積變化進行分析研究，得出以下結(jié)論：

(1)河道生態(tài)修復(fù)后河道內(nèi)流速發(fā)生明顯變化。三種工況下河道流速分別增加0.2m/s、0.27m/s、0.41m/s。

(2)河道生態(tài)修復(fù)后雖然魚類棲息總面積減少，但是高質(zhì)量的棲息面積出現(xiàn)明顯增加。三種工況下河道內(nèi)魚類高質(zhì)量棲息環(huán)境面積分別增加45.3%、75.1%、29.7%。

(3)從河道內(nèi)流速分布以及魚類棲息環(huán)境的變化來綜合分析，進行河道生態(tài)修復(fù)有利于該河道的長久發(fā)展。