基于MIKE21 的保靖竹子坪生態(tài)水利工程水動(dòng)力數(shù)值模擬研究

段小蘭，韓 帥，羅純軍，王曉燕

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

引 言

湖南省保靖酉水國(guó)家濕地公園位于保靖縣北部，范圍包括碗米坡水庫(kù)、碗米坡水庫(kù)大壩至竹子坪的酉水河段、酉水支流花垣河、朦瞳溪及周邊部分山地，為典型的“河流-庫(kù)塘”復(fù)合型濕地生態(tài)系統(tǒng)[1]。該濕地公園大部分區(qū)域處于鳳灘水庫(kù)庫(kù)區(qū)，鳳灘水庫(kù)正常蓄水位205 m，死水位173 m，根據(jù)多年運(yùn)行資料統(tǒng)計(jì)，多年平均壩上水位193.9 m，庫(kù)區(qū)消落帶高達(dá)10～20 m，這種頻繁、巨大的水位變化將影響濕地植被覆蓋度及物種組成[2]。為保障保靖酉水國(guó)家濕地公園所需生境水深、流速及流量脈沖要求，擬新建竹子坪生態(tài)水利樞紐工程（以下簡(jiǎn)稱“竹子坪水利工程”）。

擬建的保靖縣竹子坪水利工程位于酉水上，控制流域面積13 477 km2，距保靖縣城約8 km，上距碗米坡水電站26.5 km，下距鳳灘水電站70.7 km，支流花垣河河口以上8.8 km 有雙溶灘水電站，朦瞳溪河口以上4.5 km 還有三岔河水電站[3]，這些已建水工建筑物與擬建的竹子坪水利工程相互影響制約，導(dǎo)致工程前后水利條件均較為復(fù)雜；同時(shí)，為更好地改善和修復(fù)濕地公園水環(huán)境，在規(guī)劃設(shè)計(jì)過程需預(yù)知竹子坪水利工程不同工程規(guī)模及調(diào)度方式所產(chǎn)生的水動(dòng)力條件改善效果，從中得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

針對(duì)竹子坪水利工程河段復(fù)雜的水利特性和工程設(shè)計(jì)要求，在傳統(tǒng)水文水利計(jì)算的基礎(chǔ)上，亟需先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)為后續(xù)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供支撐。為此，利用MIKE21 軟件[4]，構(gòu)建竹子坪生態(tài)水利工程河段的二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，分析研究工程前后水動(dòng)力條件，為工程設(shè)計(jì)提出合理化建議。

1 數(shù)值模擬

1.1 MIKE21 模型簡(jiǎn)介

MIKE21 軟件是丹麥水力研究所開發(fā)的平面二維非恒定流計(jì)算水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型。目前已廣泛應(yīng)用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及水環(huán)境，并在一些大型工程中得到快速應(yīng)用發(fā)展，可為水利工程、海岸規(guī)劃等提供完備、有效的設(shè)計(jì)參數(shù)[5-14]。其主要控制方程可由三維流動(dòng)基本方程沿水深積分，并沿水深取平均的方法獲得，包括連續(xù)方程和動(dòng)量方程[15]。

1.2 基礎(chǔ)資料

模型計(jì)算區(qū)域河段全長(zhǎng)41.1 km，包含：酉水干流碗米坡水電站下游至竹子坪壩址下游，長(zhǎng)27.8 km；朦瞳溪三岔河水電站下游至河口河段，長(zhǎng)4.5 km；花垣河雙溶灘水電站下游至河口河段，長(zhǎng)8.8 km。所需資料主要為：①計(jì)算區(qū)域41.1 km 長(zhǎng)河道及兩岸1∶2 000 的地形圖；②工程建筑物參數(shù)：竹子坪生態(tài)水利工程大壩及閘門尺寸，廠房等建筑物尺寸；③水文資料：碗米坡水電站、雙溶灘水電站和三岔河水電站1952～2016 年逐日徑流資料，工程河段歷史洪水調(diào)查資料等。

1.3 邊界輸入

1）網(wǎng)絡(luò)劃分。本次采用三角形網(wǎng)絡(luò)劃分，壩址及敏感區(qū)域網(wǎng)格按最大面積不超過100 m2生成，其他區(qū)域按最大面積不超過200 m2生成。最終生成了123 072 個(gè)計(jì)算網(wǎng)格，65 309 個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格最小面積為18.8 m2。

2）計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)。水利計(jì)算模型采用變時(shí)間步長(zhǎng)處理，經(jīng)多次嘗試，最小時(shí)間步長(zhǎng)取0.1 s，最大時(shí)間步長(zhǎng)取3 s。

3）糙率選取。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘及洪水調(diào)查成果，由一維模型進(jìn)行分段糙率試算，通過試算，酉水干流竹子坪壩址至朦瞳溪河口段糙率采用0.046 2，朦瞳溪河口至花垣河河口段糙率采用0.030 9，花垣河河口至押馬村河段糙率采用0.039 3，押馬村以上河段糙率采用0.036 8；支流糙率采用0.045；河岸以上糙率取值0.06～0.08。進(jìn)一步由網(wǎng)格生成器生成糙率的dfsu 格式文件，根據(jù)河段位置手動(dòng)將以上糙率值賦值給不同計(jì)算網(wǎng)格。

4）干濕邊界。一般情況下，干濕邊界可以選擇模型默認(rèn)值，但因本工程模擬河段長(zhǎng)且水流條件復(fù)雜，選取默認(rèn)值無法進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過多次嘗試，最終取值干水深hdry=0.05 m，淹沒水深hflood=0.1 m，濕水深hwet=0.15 m。

1.4 計(jì)算條件

模型有3 個(gè)上游入流邊界和一個(gè)下游水位邊界，為論證分析在正常運(yùn)行工況下，竹子坪工程規(guī)模與其他相關(guān)工程的相互影響關(guān)系，上游流量邊界采用多年平均流量，下游水位邊界采用不同正常蓄水位方案。即：干流碗米坡電站下游采用電站發(fā)電后多年平均下泄流量Q干=292 m3/s，支流花垣河雙溶灘水電站和朦瞳溪三岔河水電站均為徑流式電站，對(duì)徑流影響較小，直接采用天然多年平均徑流，Q花=73.7 m3/s，Q朦=3.03 m3/s；下游水位邊界分別采用三種正常蓄水位方案202 m、204 m、206 m 和工程前多年平均水位193.9 m 進(jìn)行對(duì)比分析。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 水域分布及水深變化分析

酉水濕地公園恢復(fù)重建區(qū)內(nèi)駝背和新碼頭等洲灘是水禽活動(dòng)相對(duì)集中地段，也是多種鳥類（尤其是水鳥和候鳥）的棲息地，其中新碼頭村恢復(fù)重建區(qū)河段河床高程為188.1～195.0 m，河岸高程為195.0～205.0 m，臺(tái)地高程為205.0～217.5 m；駝背村恢復(fù)重建區(qū)河段河床高程為198.8～199.7 m，河灘地高程為200.0～204.7 m，河岸高程為202.0～220.0 m。圖1 為酉水濕地公園功能分區(qū)圖。

圖1 酉水濕地公園功能分區(qū)圖

工程前多年平均水位工況下，模擬區(qū)域內(nèi)水域面積為5.2 km2，水塘、新碼村、押馬村及駝背村沿岸沙洲等生態(tài)敏感區(qū)域呈裸露狀；新建竹子坪工程后，隨著正常蓄水位的升高，水域面積逐步向河道左右岸增長(zhǎng)。不同正常蓄水位方案相對(duì)于工程前多年平均水位工況下新增水域的空間分布情況見圖2～4。

圖2 正常蓄水位202 m 方案新增水域分布圖

圖3 正常蓄水位204 m 方案新增水域分布圖

圖4 正常蓄水位206 m 方案新增水域分布圖

202 m 正常蓄水位方案水域面積增加了31.5%，可淹沒新碼頭村河段的河床，形成較穩(wěn)定的水面，但兩岸尚有2～3 m 左右的裸露岸坡，臺(tái)地與水面的高差為2～3 m，河段親水環(huán)境一般；駝背村河段的河床和部分河灘地得到淹沒，形成較穩(wěn)定的水面，河灘地地與水面的高差為0～2.7 m。

204 m 正常蓄水位方案水域面積增加了42.3%，可淹沒新碼頭村河段的河床和大部分裸露河岸，形成穩(wěn)定的水面，河段基本無裸露岸坡，臺(tái)地與水面的高差為0.5～1 m，河段親水環(huán)境比較好；可淹沒駝背村河段的河床和大部分河灘地，形成穩(wěn)定的水面，河灘地地與水面的高差為0～0.7 m。

206 m 正常蓄水位方案水域面積增加了53.5%?？裳蜎]新碼頭村河段的河床和河岸，形成穩(wěn)定的水面，但會(huì)淹沒部分臺(tái)地；可淹沒駝背村河段的河床和全河灘地，形成穩(wěn)定的水面。

不同正常蓄水位方案水域面積比較見表1。

對(duì)比三種方案，204 m 正常蓄水位方案和206 m 正常蓄水位方案均能形成較穩(wěn)定水面且親水環(huán)境友好，正常蓄水位204 m 方案較正常蓄水位202 m 方案，增加水域面積0.6 km2，移民占地投資僅增加26 萬元；正常蓄水位206 m 方案較正常蓄水位204 m 方案，增加水域面積0.6 km2，移民占地投資增加1 539 萬元。

表1 不同正常蓄水位方案水域面積比較

2.2 流速分布變化分析

2.2.1 主河槽流速變化

受鳳灘水庫(kù)及河底坡降影響，工程前多年平均水位工況下，下游河段（花垣河匯入口以下）流速較低，流速在0.2～0.4 m/s 左右，酉水干流新碼頭村以上河段及花垣河新莊村以上河段的流速比下游大，流速在1.2～1.7 m/s 間，其中生態(tài)敏感區(qū)域（水塘、新碼村、押馬村及駝背村等）無水流運(yùn)動(dòng)。圖5 為工程前多年平均水位工況下流速分布圖。

圖5 工程前多年平均水位工況下流速分布圖

興建竹子坪工程后，不同正常蓄水位方案下流速變化趨勢(shì)一致，主河槽內(nèi)流速降低且上游比下游降低幅度更大，兩岸流速略微增加。酉水干流新碼頭村以上河段呈現(xiàn)三個(gè)流速減小幅度高峰區(qū)，分別為押馬村靠近新橋村段、押馬村上江心洲段和駝背村段；支流花垣河上游也呈現(xiàn)流速減小幅度高峰區(qū)。其中206 m 正常蓄水位方案同量級(jí)流速減少范圍對(duì)應(yīng)的減速面積最大，204 m 正常蓄水位方案次之。

工程興建后典型區(qū)域流速變化統(tǒng)計(jì)見表2。

2.2.2 近岸區(qū)流速變化

在研究區(qū)域內(nèi)近岸區(qū)選取13 個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行流速變化分析。202 m 方案下，部分采樣點(diǎn)區(qū)域流速依然得不到改善；204 m 方案下和206 m 方案下新增水域內(nèi)均有水流流動(dòng)，流速在0.009～0.35 m/s 間，這種緩慢的流速，有利于岸坡穩(wěn)定和水生植物的繁殖。

近岸區(qū)采樣點(diǎn)流速統(tǒng)計(jì)見表3。

由以上分析可知，204 m 方案和206 m 方案均能改善近岸區(qū)內(nèi)水動(dòng)力條件；三種正常蓄水位方案下，酉水干流上游和花垣河上游河段主河槽流速降低，206 m 方案減速區(qū)范圍最大，204 m 次之，202 m 最小。因而，從河勢(shì)穩(wěn)定和濕地植被修復(fù)來說，204 m 方案更優(yōu)。

表2 工程新建后典型區(qū)域流速變化統(tǒng)計(jì)表

表3 近岸區(qū)采樣點(diǎn)流速統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié) 論

竹子坪生態(tài)工程所在河段水庫(kù)梯級(jí)較多且為濕地公園保護(hù)區(qū)，水動(dòng)力條件復(fù)雜?；贛IKE21 軟件構(gòu)建的二維水動(dòng)力模型，采用非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)絡(luò)劃分，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘及洪水調(diào)查成果，率定模型糙率，能較好的反映河段實(shí)際情況。

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，興建竹子坪生態(tài)水利工程后，能有效改善工程以上河段河床灘地裸露、沿程水位消落幅度大的問題；202 m、204 m 和206 m 不同正常蓄水位方案下，研究范圍內(nèi)水域面積增加31.5%～53.5%，生態(tài)敏感區(qū)域水動(dòng)力條件均得到改善，其中204 m 方案，新增水域流速0.009～0.35 m/s，上游主河槽減速區(qū)范圍處于202 m 和206 m 間，且移民占地投資最優(yōu)，從濕地公園水生態(tài)修復(fù)效果方面考慮，建議竹子坪生態(tài)工程正常蓄水位取204 m。

同時(shí)，工程興建后，主河槽內(nèi)流速的變化將引起河道內(nèi)輸沙規(guī)律的變化，酉水干流及花垣河上游流速降低，泥沙將逐步淤積在河段內(nèi)，進(jìn)一步引起河勢(shì)的調(diào)整變化；且竹子坪工程為鳳灘水庫(kù)的庫(kù)中庫(kù)，常年淤積將侵占興利或防洪庫(kù)容。建議在后續(xù)工程設(shè)計(jì)中，妥善考慮流速變化對(duì)河勢(shì)及庫(kù)容等方面造成的影響。