多水源補(bǔ)給對(duì)白洋淀濕地水動(dòng)力的影響

曾慶慧,胡 鵬,趙翠平,龔家國(guó),劉 歡,楊澤凡

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100038

白洋淀是華北平原最大、最典型的淡水淺湖型濕地,具有完備的沼澤和水域生態(tài)系統(tǒng),被譽(yù)為“華北之腎”。廣闊的水面和沼澤濕地對(duì)維護(hù)華北平原生態(tài)系統(tǒng)平衡、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、補(bǔ)充地下水源、調(diào)蓄洪水,以及保護(hù)生物多樣性和珍稀物種資源等方面發(fā)揮著重要作用。近年來(lái),白洋淀流域面臨著水資源衰減顯著、主要河流大面積斷流、地下水超采嚴(yán)重等水資源保障問(wèn)題[1]。20世紀(jì)70年代開始,白洋淀水面面積開始萎縮,并呈現(xiàn)破碎化趨勢(shì),特別是1984—1987年連續(xù)4年完全干淀,隨后淀區(qū)水位基本依靠外調(diào)水補(bǔ)給維持。1995—1996年連續(xù)兩年洪水補(bǔ)淀后,白洋淀幾乎年年逼近干淀警戒水位,進(jìn)入了頻繁補(bǔ)水以維持基本生態(tài)功能的階段。20世紀(jì)80年代以來(lái),先后實(shí)施了“引岳濟(jì)淀”、“引黃濟(jì)淀”等應(yīng)急補(bǔ)水措施,1998—2006年上游水庫(kù)連續(xù)9年向白洋淀補(bǔ)水,2006年以后則主要依靠每年調(diào)引黃河水補(bǔ)給白洋淀,勉強(qiáng)維持淀區(qū)生產(chǎn)和基本生態(tài)需求[2]。在京津冀協(xié)同發(fā)展和雄安新區(qū)建設(shè)的戰(zhàn)略背景下,白洋淀的生態(tài)地位和生態(tài)價(jià)值更加凸顯,加強(qiáng)流域水資源保障意義重大。雄安新區(qū)一大核心目標(biāo)是“打造優(yōu)美生態(tài)環(huán)境,構(gòu)建水城共融的生態(tài)城市”,白洋淀作為雄安新區(qū)賴以持續(xù)發(fā)展的重要生態(tài)屏障,維系淀區(qū)穩(wěn)定補(bǔ)水量、改善流域水環(huán)境狀況以及保證水生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展顯得尤為重要。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水動(dòng)力的研究主要采取數(shù)學(xué)模型和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法,大量的數(shù)值模擬軟件已得到廣泛推廣和應(yīng)用,如EFDC模型、MIKE系列模型、ROMS模型等[3- 6]。宮雪亮等[7]基于MIKE 21構(gòu)建了南四湖水動(dòng)力水質(zhì)模型,分析了多情景下南四湖上級(jí)湖內(nèi)水量水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系。賈瑞鵬等[8]建立萬(wàn)寶湖水動(dòng)力和水質(zhì)二維耦合模型,分析了萬(wàn)寶湖的水動(dòng)力條件變化特征及其對(duì)于水環(huán)境中各種污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制的影響。竇明等[9]應(yīng)用MIKE 21建立大慶市龍鳳濕地二維水動(dòng)力和水質(zhì)耦合模型,研究提出濕地水質(zhì)改善的優(yōu)化調(diào)控模型。龔然[10]基于EFDC模型分析了南京市天印湖水動(dòng)力條件對(duì)水質(zhì)變化的影響。郁片紅[11]基于MIKE 21水動(dòng)力模型,以湖泊典型污染物COD為指標(biāo),對(duì)琵琶湖水動(dòng)力增加的工程措施進(jìn)行方案比選。路洪濤等[12]研究了城市湖泊的人工水循環(huán)對(duì)水環(huán)境的改善效果,通過(guò)人為設(shè)定不同的進(jìn)、出水口位置以及組合,調(diào)節(jié)換水量和換水時(shí)間等方式,改善城市湖泊的水動(dòng)力條件。熊鴻斌等[13]基于MIKE 11模型建立了潁河一維河網(wǎng)水動(dòng)力和水質(zhì)模型,分析了補(bǔ)水流量、補(bǔ)水水質(zhì)、補(bǔ)水水位和補(bǔ)水方式等調(diào)整措施對(duì)河流水質(zhì)的影響。Li等[14]利用MIKE 21模型建立了東湖水動(dòng)力模型,對(duì)流域內(nèi)水動(dòng)力及水質(zhì)演變規(guī)律進(jìn)行了分析。Kafrawy等[15]對(duì)地中海區(qū)域部分沿海湖泊構(gòu)建了水動(dòng)力模型,探究了淡水流入和交換對(duì)海洋的相對(duì)重要性以及它們對(duì)鹽度、環(huán)流模式、營(yíng)養(yǎng)物來(lái)源和分布的影響。Li等[16]結(jié)合水動(dòng)力模型與統(tǒng)計(jì)方法研究了鄱陽(yáng)湖洪泛區(qū)9個(gè)季節(jié)性湖泊的水文連通性及其與水質(zhì)的關(guān)系,結(jié)果表明水文連通性可能是控制季節(jié)性湖泊間水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化的關(guān)鍵因素。以上研究都是以水動(dòng)力模擬為基礎(chǔ),旨在研究與水動(dòng)力過(guò)程相關(guān)的水質(zhì)演變趨勢(shì)或富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),因此方案設(shè)置及比選都是以改善水環(huán)境為重點(diǎn),而不是以改善研究區(qū)水動(dòng)力條件為目的,單純針對(duì)湖泊水庫(kù)水動(dòng)力改善的研究較為少見。

本文所采用的MIKE系列模型由于采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,能夠處理復(fù)雜的邊界條件等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于港口、河流、湖泊、河口及海岸的水動(dòng)力模擬研究。楊永森等[17]利用MIKE 21水動(dòng)力模型,模擬了上秦淮濕地水動(dòng)力過(guò)程,為制定南京上秦淮濕地生態(tài)補(bǔ)水量及補(bǔ)水的水循環(huán)方案提供了參考。胡廣鑫[18]等基于MIKE 21模型模擬和預(yù)測(cè)了不同補(bǔ)水和分配方案對(duì)東昌湖流速變化的影響,以確定較優(yōu)的生態(tài)補(bǔ)水方案。趙通陽(yáng)等[19]建立了象湖水動(dòng)力學(xué)模型,模擬了不同補(bǔ)水換水方式下的流場(chǎng)分析及對(duì)湖區(qū)水動(dòng)力條件的影響。Gurumoorthi等[20]通過(guò)MIKE 21水動(dòng)力模型模擬了在潮汐和風(fēng)力驅(qū)動(dòng)下Kanyakumari海岸的表面流場(chǎng),通過(guò)對(duì)東北和西南季風(fēng)的一系列情景分析,探究了該地區(qū)的環(huán)流情況。Acharyulu等[21]通過(guò)MIKE 21水動(dòng)力模型模擬研究了Upputeru海峽流場(chǎng)的重要影響因素,并揭示了近岸河口移動(dòng)的根本原因。Lopes等[22]利用MIKE 21模型對(duì)Ria de Aveiro湖進(jìn)行了研究,并證明了該模型可作為生態(tài)系統(tǒng)管理的有效工具。Ferdous Ahmed[23]通過(guò)建立MIKE 11水動(dòng)力學(xué)模型全面分析了加拿大里多運(yùn)河下游河段的水動(dòng)力情況。以上水動(dòng)力模擬相關(guān)研究主要探究了影響水動(dòng)力的主要因素及生態(tài)補(bǔ)水方案和補(bǔ)水效果,而對(duì)于生態(tài)需水量的確定以及如何通過(guò)大規(guī)模調(diào)水工程補(bǔ)水來(lái)改善水動(dòng)力條件的研究尚不多見。同時(shí),對(duì)于本文研究區(qū)白洋淀濕地的研究主要集中在白洋淀景觀動(dòng)態(tài)變化、生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)、水文過(guò)程及水質(zhì)演變、沼澤化驅(qū)動(dòng)機(jī)制等方面[24-28],還沒(méi)有針對(duì)多水源補(bǔ)給對(duì)白洋淀濕地水動(dòng)力影響的系統(tǒng)研究。

當(dāng)前,京津冀協(xié)同發(fā)展和雄安新區(qū)的開發(fā)建設(shè)為白洋淀的生態(tài)修復(fù)和保護(hù)帶來(lái)了重大歷史機(jī)遇。在《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》中明確指出白洋淀要實(shí)施生態(tài)修復(fù),恢復(fù)淀泊水面,建立多水源補(bǔ)水機(jī)制,統(tǒng)籌引黃入冀補(bǔ)淀、上游水庫(kù)及本地非常規(guī)水資源,合理調(diào)控淀泊生態(tài)水文過(guò)程。本文以白洋淀為研究對(duì)象,基于MIKE 21 FM構(gòu)建淀區(qū)二維水動(dòng)力模型,綜合考慮白洋淀濕地的剛性需水與彈性生態(tài)需水,探究引黃入冀補(bǔ)淀、南水北調(diào)中線、南水北調(diào)東線應(yīng)急調(diào)水以及上游水庫(kù)聯(lián)合補(bǔ)水等多水源補(bǔ)給情景下白洋淀水動(dòng)力條件的改善情況。研究結(jié)果為白洋淀濕地水資源保障和促進(jìn)淀區(qū)水體循環(huán)流動(dòng)提供了科學(xué)依據(jù),同時(shí)也為構(gòu)建雄安新區(qū)藍(lán)綠交織、清新明亮、水城共融的生態(tài)城市提供重要基礎(chǔ)支撐。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)地理位置及出入淀河流分布圖 Fig.1 Geographical location of the study area and the distribution of the inflow and outflow rivers

白洋淀(115°38′ E—116°07 ′E,38°43′ N—39°02′ N)主要位于保定市安新縣境內(nèi),地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,年降水量550 mm,主要集中在7—9月[26-27]。淀區(qū)總面積366 km2,南北長(zhǎng)39.5 km,東西長(zhǎng)28.5 km,為華北地區(qū)典型的草型淺水湖泊,也是大清河水系中重要的蓄水樞紐[24]。白洋淀2011—2015年平均水位6.4 m,平均水深2.3 m,多年平均水域面積約占淀區(qū)總面積的41%[25]。淀內(nèi)主要由小白洋淀、馬棚淀、燒車淀、藻雜淀等大小不等的143個(gè)淀泊和3700多條溝壕組成,構(gòu)成了淀中有淀,淀淀相通,溝壕相連,農(nóng)田和水面相間分布的特殊地貌。淀內(nèi)地勢(shì)平坦,總地勢(shì)自西向東略有傾斜,地面自然坡度1/200—1/2000。流域水系呈扇形分布,其中南支諸河直接匯入白洋淀,主要河流有潴龍河、孝義河、唐河、府河、漕河、瀑河、萍河等;北支為白溝引河,下游出口由棗林莊閘和趙北口溢流堰控制(圖1)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

白洋淀淀區(qū)范圍底部地形高程數(shù)據(jù)為項(xiàng)目組實(shí)測(cè)。水文數(shù)據(jù)來(lái)自河北省水利廳,主要包括2015年1—12月白洋淀入淀河流(潴龍河、孝義河、唐河、府河、漕河、瀑河、萍河、白溝引河)及下游出口棗林莊閘的逐日流量及逐日水位時(shí)間序列數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng),主要包括河北省保定站(區(qū)站號(hào)54602)2015年1—12月逐日平均降雨、蒸發(fā)、風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)。王快水庫(kù)、安各莊水庫(kù)和西大洋水庫(kù)歷年調(diào)水補(bǔ)淀數(shù)據(jù)參考《白洋淀沼澤化驅(qū)動(dòng)機(jī)制與調(diào)控模式》。

1.3 模型構(gòu)建

圖2 研究區(qū)底部高程圖及網(wǎng)格劃分結(jié)果 Fig.2 Bathymetry and meshing results at the bottom of the study area

本研究采用丹麥水利研究所(DHI)開發(fā)的MIKE 21軟件構(gòu)建二維水動(dòng)力模型,MIKE 21主要作為區(qū)域流場(chǎng)的水動(dòng)力數(shù)學(xué)模擬和其他模型模擬計(jì)算的基礎(chǔ),在平面二維自由表面流數(shù)值模擬方面具有強(qiáng)大的功能[29]。MIKE 21廣泛用于河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境等方面。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)淀區(qū)進(jìn)行劃分,共生成了2701網(wǎng)格和1582個(gè)節(jié)點(diǎn),研究區(qū)底部高程及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。模型采用動(dòng)態(tài)時(shí)間步長(zhǎng)120 s,結(jié)果表明該步長(zhǎng)可以保證模型的精度和穩(wěn)定性。

在所有可獲得的數(shù)據(jù)中,2015年是包含完整的建模所需時(shí)間序列數(shù)據(jù)年份最近的一年,因此選擇2015年的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證。此外,由于預(yù)測(cè)時(shí)輸入的邊界條件為情景設(shè)置的定值,通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)模型經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的熱啟動(dòng)后在短期內(nèi)即可趨于穩(wěn)定(不超過(guò)10天),因此選擇2015年1月至6月對(duì)模型進(jìn)行率定,2015年7月至12月對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,該時(shí)間跨度足以保證模型預(yù)測(cè)的精確性。初始條件水面高程設(shè)為6.58 m,水平速度和垂直速度均為0 m/s。邊界條件包括白洋淀濕地出入流的逐日平均流量時(shí)間序列和十方院逐日水位時(shí)間序列。反復(fù)運(yùn)行模型并調(diào)整水動(dòng)力參數(shù)直至模型誤差達(dá)到可接受范圍內(nèi)。為了衡量模型的模擬結(jié)果,本文采用平均絕對(duì)誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)：

(1)

(2)

式中,Xobs為實(shí)測(cè)值,Xsim為模擬值。MAE值和RMSE值的大小代表模擬值與實(shí)測(cè)值的吻合程度。

為了保證模型運(yùn)行的穩(wěn)定性將克朗值(CFL number)設(shè)置為0.8,干水深設(shè)置為0.005 m,淹沒(méi)水深設(shè)置為0.05 m,濕水深設(shè)置為0.1 m,以上參數(shù)均采用模型推薦值。干濕水深用來(lái)判斷單元網(wǎng)格是否參與到模型的計(jì)算中來(lái),MIKE 21可以根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格的水深情況調(diào)整計(jì)算條件,靈活調(diào)用公式參與計(jì)算[30]。渦黏系數(shù)(Eddy Viscosity)選用Smagorinsky公式,Smagorinsky系數(shù)取值0.28。底床摩擦力選用曼寧系數(shù)(Manning Number),取值16 m1/3/s。其他沒(méi)有設(shè)置的參數(shù)采用默認(rèn)值。

1.4 情景設(shè)置

根據(jù)《白洋淀水資源保障規(guī)劃(2017—2030年)》,白洋淀恢復(fù)到7 m的目標(biāo)生態(tài)水位時(shí),能夠滿足防洪、生態(tài)、景觀建設(shè)及水環(huán)境等多方面需求對(duì)應(yīng)的生態(tài)需水量為3.2—4億m3[31- 32]。其中,剛性需水量約為2億m3,剛性需水是為了維持淀區(qū)基本水位不下降,必須要保障的生態(tài)需水部分,主要是指淀區(qū)蒸發(fā)耗水量和下滲水量?jī)蓚€(gè)方面,其中蒸發(fā)又包括水面蒸發(fā)和陸面蒸發(fā)蒸騰。彈性需水指的是用于改善淀區(qū)水動(dòng)力條件和水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的生態(tài)需水部分,目的是為了改善和提高淀區(qū)水生態(tài)環(huán)境,具體由淀區(qū)水生態(tài)環(huán)境狀態(tài)確定,在一定范圍內(nèi)能保障的彈性生態(tài)水量越多對(duì)水動(dòng)力或水生態(tài)環(huán)境改善效果越好。白洋淀6.8 m汛限水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)容為3.2億m3,7 m水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)容為3.6億m3,考慮到未來(lái)的清淤措施,7 m目標(biāo)水位下的庫(kù)容可能進(jìn)一步增加到4億m3。按照每年換1次水的頻率估計(jì),則在剛性需水之外,至少還需要1.2億—2億m3的彈性生態(tài)需水[31]。為了保障2020年白洋淀達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo),近期在保障剛性需水基礎(chǔ)上,必須充分考慮彈性用水需求,建議2020年前保障生態(tài)需水4億m3,隨著流域和淀區(qū)污染治理任務(wù)逐步完成,彈性需水可逐步減少。

近期白洋淀2億m3剛性需水主要依靠引黃入冀補(bǔ)淀工程保障,彈性需水主要依靠上游王快水庫(kù)、西大洋水庫(kù)、安各莊水庫(kù)、南水北調(diào)中線、南水北調(diào)東線應(yīng)急調(diào)水等相機(jī)補(bǔ)水保障,維持白洋淀生態(tài)水量需求和良好的水動(dòng)力條件[31]。實(shí)際引水量視黃河水情、河北省引黃計(jì)劃等綜合情況確定。為了探究不同水源補(bǔ)給情況下對(duì)白洋淀濕地水動(dòng)力影響,共設(shè)置了8種情景,見表1。其中情景2和情景3是河道補(bǔ)水,按照2億m3的估算值設(shè)置。情景4和情景5中彈性需水的量是根據(jù)研究目的和實(shí)際情況設(shè)置的。情景4是為了探究各大水庫(kù)以最大潛力補(bǔ)水的情景下對(duì)白洋淀濕地水動(dòng)力的改善情況,根據(jù)安各莊、西大洋和王快水庫(kù)歷年最大補(bǔ)水潛力設(shè)置,共補(bǔ)水2.1億m3。情景5是根據(jù)《南水北調(diào)東線一期工程向北延伸應(yīng)急供水方案研究報(bào)告》設(shè)定的,其中指出南水北調(diào)東線應(yīng)急調(diào)水僅考慮重要濕地生態(tài)需水,應(yīng)急供水量為1.36億m3。

表1 白洋淀濕地補(bǔ)水情景設(shè)置

2 結(jié)果與討論

2.1 水動(dòng)力率定驗(yàn)證結(jié)果

圖3顯示了MIKE 21模型逐日水位率定和驗(yàn)證的結(jié)果。由圖中可以看出率定期水位模擬值與實(shí)測(cè)值吻合得非常好,絕對(duì)誤差在-0.03—0.15 m范圍內(nèi),平均絕對(duì)誤差為0.086 m,均方根誤差為0.095 m。為了驗(yàn)證水動(dòng)力模型的可靠性,在率定好的水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上,用2015年7月至12月逐日水位數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。如圖所示,驗(yàn)證期淀區(qū)實(shí)測(cè)水位與模擬水位吻合較好,絕對(duì)誤差在-0.19—0.03 m范圍內(nèi),平均絕對(duì)誤差為0.091 m,均方根誤差為0.101 m。結(jié)果顯示白洋淀濕地入流、出流、降雨和蒸發(fā)之間有很好的水量平衡關(guān)系,模擬誤差控制在模型計(jì)算要求范圍內(nèi),模型模擬效果較好,該模型適宜于白洋淀的水動(dòng)力模擬。

圖3 白洋淀濕地模擬水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比Fig.3 Comparison of simulated water level and measured water level in Baiyangdian wetland

2.2 引黃入冀補(bǔ)淀情景結(jié)果分析

引黃入冀補(bǔ)淀工程自河南省濮陽(yáng)市渠村引黃閘引水,利用濮陽(yáng)市濮清南干渠輸水,穿衛(wèi)河進(jìn)入河北省,經(jīng)東風(fēng)渠、老漳河、滏東排河至獻(xiàn)縣樞紐,穿滹沱河北大堤后,利用紫塔干渠、古洋河、小白河和任文干渠輸水,于千里堤大樹劉12孔閘進(jìn)入白洋淀。引水線路全長(zhǎng)482 km,在河北省境內(nèi)長(zhǎng)398 km,多年平均引水量6.2億m3,入冀引水流量60 m3/s,入白洋淀設(shè)計(jì)流量30 m3/s。引黃入冀補(bǔ)淀工程規(guī)劃冬四月(11月至來(lái)年2月)引水,年入淀水量1.1億m3,若引水增大到2億m3,需要在現(xiàn)有規(guī)劃基礎(chǔ)上進(jìn)一步延長(zhǎng)引黃入冀補(bǔ)淀時(shí)間35天,同時(shí)采取工程措施,提水入淀,增加入淀能力。

圖4(情景1)顯示了不補(bǔ)水時(shí)白洋淀濕地的水動(dòng)力情況,從圖中可以看出白洋淀濕地整體水動(dòng)力條件不佳,淀區(qū)平均流速僅0.003 m/s,尤其是西南角馬棚淀等區(qū)域水體幾乎不流動(dòng),易形成死水區(qū)。圖4(情景2—1)顯示了從小白河引黃入冀補(bǔ)淀后淀區(qū)的水動(dòng)力改善情況。結(jié)果表明補(bǔ)水后淀區(qū)東南角水動(dòng)力條件有所改善,小白河入口處改善最為明顯,但西北角、西南角和東北角水體流速幾乎沒(méi)有變化,整體改善效果不佳,影響范圍僅占淀區(qū)面積的15%左右。為了增強(qiáng)引黃補(bǔ)淀水量改善淀區(qū)水動(dòng)力條件的效果,情景2—2中考慮建設(shè)小白河—潴龍河連通工程,使得引黃水量從小白河、潴龍河雙徑入淀,以改善淀區(qū)西南角馬棚淀的水動(dòng)力條件,避免西南角淀區(qū)形成死水區(qū)。結(jié)果顯示小白河、潴龍河雙徑入淀后西南角淀區(qū)水動(dòng)力情況有所改善,但由于入淀流量較小,改善的效果并不佳,無(wú)法在淀區(qū)西南角和東南角區(qū)域形成水體連通流動(dòng)。

圖4 引黃入冀補(bǔ)淀對(duì)白洋淀濕地水動(dòng)力的改善情況Fig.4 Hydrodynamic improvement of Baiyangdian wetland under the water replenishment scenarios of the diversion of the Yellow River into the Baiyangdian wetland

2.3 南水北調(diào)中線相機(jī)補(bǔ)水情景結(jié)果分析

南水北調(diào)中線分配給河北省水量指標(biāo)為30.4億m3,在滿足全省城市用水需求和水源區(qū)水量充足的條件下可實(shí)施南水北調(diào)中線相機(jī)向白洋淀補(bǔ)水措施,通過(guò)瀑河水庫(kù)進(jìn)行調(diào)蓄后,沿瀑河和萍河入淀。情景3—1和情景3—2在引黃入冀補(bǔ)充淀區(qū)剛性需水的基礎(chǔ)上,增加了南水北調(diào)中線相機(jī)補(bǔ)水以補(bǔ)充淀區(qū)彈性需水。圖5(情景3—1)顯示了連續(xù)補(bǔ)水1個(gè)月后淀區(qū)水動(dòng)力的改善情況,和不補(bǔ)水時(shí)(情景1)相比,淀區(qū)整體水動(dòng)力條件都有所改善,淀區(qū)平均流速?gòu)?.003 m/s提高到0.006 m/s。其中西北角水動(dòng)力改善最為明顯,西北角平均流速?gòu)?.003 m/s提高到0.01 m/s。圖5(情景3—2)顯示了連續(xù)補(bǔ)水2個(gè)月后淀區(qū)的水動(dòng)力改善情況,淀區(qū)整體水動(dòng)力條件也都有所改善,淀區(qū)平均流速?gòu)?.003 m/s提高到0.005 m/s,西北角平均流速?gòu)?.003 m/s提高到0.007 m/s。連續(xù)補(bǔ)水2個(gè)月對(duì)淀區(qū)水動(dòng)力條件的改善效果和連續(xù)補(bǔ)水1個(gè)月相比稍差,這主要是由于在補(bǔ)水量一定的情況下,延長(zhǎng)補(bǔ)水時(shí)間,則補(bǔ)水流量較小,但和不補(bǔ)水時(shí)相比,淀區(qū)水動(dòng)力條件整體都有所提升。

圖5 南水北調(diào)中線相機(jī)補(bǔ)水對(duì)白洋淀濕地水動(dòng)力的改善情況Fig.5 Hydrodynamic improvement of the Baiyangdian wetland under the water replenishment scenarios of the middle route of south-to-north water diversion project

2.4 上游水庫(kù)相機(jī)補(bǔ)水情景結(jié)果分析

上世紀(jì)60年代以來(lái),白洋淀上游陸續(xù)修建了6座大型水庫(kù)。上世紀(jì)80年代白洋淀發(fā)生連續(xù)5年干淀以后,上游王快水庫(kù)、安各莊水庫(kù)和西大洋水庫(kù)多次臨時(shí)進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水,對(duì)維持白洋淀濕地生態(tài)功能起到了重要作用,可作為近期白洋淀補(bǔ)水的重要水源。

表2列舉了王快水庫(kù)、安各莊水庫(kù)和西大洋水庫(kù)歷年調(diào)水補(bǔ)淀的情況。在引黃入冀補(bǔ)充淀區(qū)剛性需水的基礎(chǔ)上,根據(jù)白洋淀濕地彈性生態(tài)需水需求及歷年各大水庫(kù)最大補(bǔ)水潛力,設(shè)置了情景4—1和情景4—2以探究上游水庫(kù)相機(jī)補(bǔ)水對(duì)白洋淀濕地水動(dòng)力的改善情況。圖6(情景4—1)顯示了上游水庫(kù)連續(xù)補(bǔ)水1個(gè)月后淀區(qū)水動(dòng)力的改善情況,和不補(bǔ)水時(shí)(情景1)相比,淀區(qū)整體水動(dòng)力條件都有所改善,淀區(qū)平均流速?gòu)?.003 m/s提高到0.005 m/s。此種補(bǔ)水方式對(duì)淀區(qū)南部水動(dòng)力的改善最為明顯,淀區(qū)南部平均流速?gòu)?.003 m/s提高到0.006 m/s。圖6(情景4—2)顯示了連續(xù)補(bǔ)水2個(gè)月后淀區(qū)的水動(dòng)力改善情況,淀區(qū)整體水動(dòng)力條件也都有所改善,淀區(qū)平均流速?gòu)?.003 m/s提高到0.004 m/s,淀區(qū)南部平均流速?gòu)?.003 m/s提高到0.005 m/s。上游三個(gè)水庫(kù)聯(lián)合向淀區(qū)進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水的補(bǔ)水方式有利于淀區(qū)西北角和南部水體的循環(huán)流動(dòng),但東北角由于水面寬闊,同時(shí)白溝引河補(bǔ)水流量較小導(dǎo)致補(bǔ)水對(duì)東北角水動(dòng)力條件沒(méi)有明顯改善。在南水北調(diào)中線通水后,上游大型水庫(kù)進(jìn)一步增強(qiáng)了相機(jī)向白洋淀補(bǔ)水的能力,如若未來(lái)安各莊水庫(kù)補(bǔ)水潛力進(jìn)一步增大,則上游三個(gè)水庫(kù)聯(lián)合向淀區(qū)補(bǔ)水的方式能夠極大地促進(jìn)淀區(qū)整體的水動(dòng)力循環(huán)流動(dòng)。

表2 王快水庫(kù)、安各莊水庫(kù)和西大洋水庫(kù)歷年調(diào)水補(bǔ)淀情況表[28]

圖6 上游水庫(kù)相機(jī)補(bǔ)水對(duì)白洋淀濕地水動(dòng)力的改善情況Fig.6 Hydrodynamic improvement of Baiyangdian wetland under the water replenishment scenarios of upstream reservoirs

2.5 南水北調(diào)東線應(yīng)急補(bǔ)水情景結(jié)果分析

南水北調(diào)東線一期向北延伸應(yīng)急供水線路沿清涼江輸水至徐沙閘上,經(jīng)武邑縣江河干渠與引黃入淀輸水河道滏東排河相連,經(jīng)已完建的引黃入冀補(bǔ)淀線路可輸水至白洋淀[32]。在引黃入冀補(bǔ)淀工程遇枯水年時(shí),利用南水北調(diào)東線應(yīng)急調(diào)水來(lái)滿足白洋淀的生態(tài)用水需求,生態(tài)補(bǔ)水量為2.0億m3[32]。

情景5在引黃入冀補(bǔ)充淀區(qū)剛性需水的基礎(chǔ)上,增加了南水北調(diào)東線應(yīng)急補(bǔ)水以補(bǔ)充淀區(qū)彈性需水?？紤]到南水北調(diào)東線一期向北延伸應(yīng)急供水線路最終經(jīng)引黃入冀補(bǔ)淀線路輸水至白洋淀,補(bǔ)水流量設(shè)置為引黃入冀補(bǔ)淀工程入白洋淀設(shè)計(jì)流量30 m3/s,以探究該補(bǔ)水方式對(duì)淀區(qū)水動(dòng)力的最大改善效果。圖7(情景5)顯示了南水北調(diào)東線應(yīng)急補(bǔ)水最大入淀流量下淀區(qū)水動(dòng)力的改善情況,和不補(bǔ)水時(shí)(情景1)相比,淀區(qū)整體平均流速?gòu)?.003 m/s提高到0.004 m/s。其中以小白河入口處改善最為明顯,向北逐漸減弱,淀區(qū)東南部水動(dòng)力情況改善較大,東南部平均流速?gòu)?.0035 m/s提高到0.0053 m/s,改善范圍約占淀區(qū)面積的20%。

圖7 南水北調(diào)東線應(yīng)急補(bǔ)水對(duì)白洋淀濕地水動(dòng)力的改善情況Fig.7 Hydrodynamic improvement of Baiyangdian wetland under the water replenishment scenarios of the eastern route of the south-to-north water diversion project

2.6 討論

2.6.1情景結(jié)果分析

表3總結(jié)對(duì)比了不同情景下水動(dòng)力提升明顯的區(qū)域及淀區(qū)整體水動(dòng)力改善情況。由于白洋淀湖盆呈淺碟型結(jié)構(gòu),決定了其具有水深淺、面積大、蒸發(fā)強(qiáng)、調(diào)蓄弱等特征。綜合以上情景結(jié)果發(fā)現(xiàn),通過(guò)單一入口補(bǔ)水時(shí),僅在補(bǔ)水入口處水動(dòng)力改善較明顯,影響范圍僅占淀區(qū)的15%—20%。在多水源補(bǔ)水的情況下,尤其是在引黃入冀補(bǔ)淀和上游王快水庫(kù)、安各莊水庫(kù)和西大洋水庫(kù)共同補(bǔ)水的情景下,由于入流口分散,帶動(dòng)了淀區(qū)整體水體的循環(huán)流動(dòng),使淀區(qū)流場(chǎng)分布較均勻,對(duì)整體水動(dòng)力條件改善較明顯。但由于淀區(qū)西北角與其他部分之間的連通渠道相對(duì)狹窄,因此南水北調(diào)中線由瀑河和萍河入淀補(bǔ)水時(shí)僅能顯著改善淀區(qū)西北角的水動(dòng)力情況,對(duì)淀區(qū)東南部的改善效果不大。從補(bǔ)水時(shí)間的角度,當(dāng)補(bǔ)水量一定時(shí),短期較大流量的補(bǔ)水方式對(duì)淀區(qū)水動(dòng)力的改善效果優(yōu)于長(zhǎng)期較小流量的補(bǔ)水方式。

白洋淀濕地理想的水動(dòng)力情況是水系流動(dòng)通暢,流場(chǎng)分布較均勻合理,整體水域流速達(dá)到0.01—0.03 m/s。根據(jù)研究結(jié)果,僅在情景3—1引黃入冀補(bǔ)淀和南水北調(diào)中線連續(xù)補(bǔ)水1個(gè)月后淀區(qū)西北角平均流速能達(dá)到0.01 m/s,但由于西北角與淀區(qū)其他部分連通條件不佳,淀區(qū)整體平均流速僅為0.006 m/s,其余情景下水體流速也均沒(méi)有達(dá)到這個(gè)理想范圍。因此,除了通過(guò)多水源補(bǔ)給之外,還需綜合局部推流、地形營(yíng)造等其他手段來(lái)共同改善淀區(qū)水動(dòng)力條件。

表3 不同情景下水動(dòng)力提升區(qū)域及整體改善情況

通過(guò)優(yōu)化淀區(qū)水動(dòng)力條件,能夠提高水體自凈能力、增加水體透明度、改善水質(zhì)、提高生物多樣性。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)整和優(yōu)化水生生物群落結(jié)構(gòu),以最終達(dá)到增強(qiáng)濕地整體景觀效果以及改善和恢復(fù)濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的目的。因此,研究分析多水源補(bǔ)給條件下白洋淀濕地水動(dòng)力優(yōu)化情況不僅對(duì)于保障白洋淀濕地水資源和水生態(tài)安全具有重大意義,同時(shí)也是構(gòu)建雄安新區(qū)藍(lán)綠交織、清新明亮、水城共融的生態(tài)城市的必然要求。

2.6.2模擬結(jié)果適宜性及不確定性分析

本文分別從數(shù)據(jù)來(lái)源靠譜、情景設(shè)置合理和模型選擇適宜三個(gè)角度判斷模擬結(jié)果的合理性。

① 數(shù)據(jù)來(lái)源靠譜。數(shù)據(jù)主要來(lái)自河北省水利廳、中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)和項(xiàng)目組實(shí)測(cè),實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)報(bào)道的地形數(shù)據(jù)比對(duì)后基本一致。

② 情景設(shè)置合理。各情景下的剛性需水和彈性需水量主要依據(jù)《白洋淀水資源保障規(guī)劃(2017—2030年)》、《南水北調(diào)東線一期工程向北延伸應(yīng)急供水方案研究報(bào)告》及文獻(xiàn)報(bào)道值確定。

③ 模型選擇適宜。MIKE 21是常用的水動(dòng)力水質(zhì)模型,已廣泛應(yīng)用于港口、河流、湖泊、河口及海岸的水動(dòng)力模擬研究。2.1節(jié)中詳細(xì)描述了模型率定驗(yàn)證過(guò)程,結(jié)果表明白洋淀濕地實(shí)測(cè)水位與模擬水位吻合較好,入流、出流、降雨和蒸發(fā)之間有很好的水量平衡關(guān)系,模擬誤差控制在模型計(jì)算要求范圍內(nèi),該模型適宜于白洋淀的水動(dòng)力模擬。

根據(jù)以上3點(diǎn)可以判斷模型預(yù)測(cè)結(jié)果合理,模擬結(jié)果的不確定性主要來(lái)自兩個(gè)方面：一是模型本身的不確定性。主要包括參數(shù)、邊界條件等導(dǎo)致的模擬結(jié)果不確定,一般采用拉丁超立方體抽樣—廣義似然不確定性估計(jì)(LHS—GLUE)和SCEM—UA方法分析水動(dòng)力學(xué)模型的不確定性。本文研究重點(diǎn)在于探究多水源補(bǔ)給對(duì)白洋淀濕地水動(dòng)力的影響,模型只是作為分析工具,通過(guò)率定驗(yàn)證后適用于白洋淀水動(dòng)力模擬即可,因此此處不再對(duì)模型本身的不確定性開展系統(tǒng)研究。二是實(shí)際補(bǔ)水情景的不確定性。目前補(bǔ)水方案的設(shè)置是建立在以往實(shí)際補(bǔ)水情景和各規(guī)劃補(bǔ)水方案的基礎(chǔ)上,將來(lái)實(shí)際補(bǔ)水方式和補(bǔ)水量不一定和情景設(shè)置完全吻合,但各情景模擬結(jié)果對(duì)于多水源補(bǔ)給對(duì)白洋淀濕地水動(dòng)力影響程度仍具有重要參考價(jià)值,研究結(jié)果為白洋淀濕地水資源保障和促進(jìn)淀區(qū)水體循環(huán)流動(dòng)提供了科學(xué)依據(jù)。

3 結(jié)論

本研究針對(duì)近年來(lái)白洋淀濕地水資源供給嚴(yán)重不足導(dǎo)致的大面積河道斷流、湖泊萎縮、淀泊水動(dòng)力喪失等問(wèn)題,分析不同水源補(bǔ)水情景下對(duì)淀區(qū)水動(dòng)力條件的改善效果。結(jié)果表明：(1)不補(bǔ)水時(shí)白洋淀濕地整體水動(dòng)力條件不佳,淀區(qū)平均流速僅0.003 m/s,尤其是西南角馬棚淀等區(qū)域水體幾乎不流動(dòng),易形成死水區(qū)。(2)引黃入冀補(bǔ)淀對(duì)小白河入口處水動(dòng)力有明顯改善,但對(duì)淀區(qū)水動(dòng)力整體改善效果不佳,影響范圍僅占淀區(qū)面積的15%左右。即使建設(shè)小白河—潴龍河連通工程從小白河、潴龍河雙徑入淀也無(wú)法在淀區(qū)西南角和東南角區(qū)域形成水體連通流動(dòng)。(3)南水北調(diào)中線相機(jī)補(bǔ)水對(duì)西北角水動(dòng)力改善最為明顯,同時(shí)對(duì)淀區(qū)平均流速的提升最大。(4)上游水庫(kù)聯(lián)合向淀區(qū)補(bǔ)水的方式由于入淀口分散,對(duì)淀區(qū)整體水動(dòng)力循環(huán)流動(dòng)的促進(jìn)效果最好。(5)南水北調(diào)東線應(yīng)急補(bǔ)水最終入淀線路與引黃入冀補(bǔ)淀一致,對(duì)淀區(qū)水動(dòng)力的改善效果也和引黃入冀補(bǔ)淀類似,在最大入淀流量下主要對(duì)淀區(qū)東南部水動(dòng)力情況改善較大。