白洋淀典型示范區(qū)圍埝對連通性影響的研究

梁 棟，程伍群，朱永濤，李 源，王鐵洲，郭京晗，楊 蒙

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071001; 2.河北省水利科學(xué)研究院，河北 石家莊 050000；3.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 211100）

白洋淀無序的圍埝是由于淀區(qū)人民長期開發(fā)利用而形成的復(fù)雜獨特的系統(tǒng)［1］，存在著量大、面廣、種類多等特點。圍埝割斷了淀區(qū)內(nèi)水體的交換途徑，破壞了白洋淀原有的生態(tài)格局，使水體連通性急劇下降，進(jìn)而導(dǎo)致白洋淀的生態(tài)功能出現(xiàn)了不同程度的退化［2］，也削弱了白洋淀防洪排澇的能力。自2017 年4 月1 日雄安新區(qū)成立后，對白洋淀生態(tài)環(huán)境與水環(huán)境的改善提出了新的要求，其中提升白洋淀水動力與連通性是雄安新區(qū)生態(tài)環(huán)境協(xié)同發(fā)展的重中之重。因此，筆者對白洋淀的圍埝進(jìn)行了調(diào)查與勘測，繪制了白洋淀1 ∶2 000 的地形圖。并以雄安新區(qū)為白洋淀生態(tài)治理而設(shè)立的典型示范區(qū)為研究對象，建立典型示范區(qū)水動力模型，研究拆除圍埝對典型示范區(qū)水動力的影響，在此基礎(chǔ)上確定圍埝的拆除方案。

目前，對于湖泊水動力數(shù)值模擬研究方面較為成熟的軟件有MIKE、EFDC、Delft3D、WASP 等［3］，通過建立模型來指導(dǎo)相關(guān)工程的實施已有較多實例［4-7］。本研究運用MIKE21 軟件構(gòu)建南劉莊典型示范區(qū)水動力模型，通過對模擬結(jié)果的分析，采用拆除圍埝的方式來打開封閉水體，增強水體之間的連通，減少滯水面積，恢復(fù)水動力。同時建立新的水系連通通道，增加調(diào)蓄容積，增大淀區(qū)滯洪空間［8］。

1 典型示范區(qū)概況及模擬邊界的確定

1.1 典型示范區(qū)概況

南劉莊典型示范區(qū)位于雄安新區(qū)白洋淀中的藻苲淀下游，府河（淀區(qū)）南側(cè)，南劉莊村東側(cè)，國控南劉莊水質(zhì)監(jiān)測斷面下游約1 km，面積1.12 km2。該區(qū)域主要來水為府河、漕河和瀑河地表徑流水以及上游城市污水處理廠排水。其主要特點為：一是地物豐富，涵蓋了白洋淀特有的葦田、淀泊、魚塘、荷塘，水域，人為因素影響大，生態(tài)空間破碎；二是西側(cè)堤外村落呈帶狀分布，東側(cè)圍堤圍埝連續(xù)分布，部分溝渠通過圍堤圍埝與外部連通，示范區(qū)整體相對封閉獨立。

1.2 模擬邊界的確定

在確定模型的計算區(qū)域時，為了盡量減少開邊界水位流量條件的不確定性，外邊界應(yīng)盡量選在固定邊界處。為此，計算區(qū)域的外邊界多選在現(xiàn)有白洋淀防洪大堤和村莊處。南劉莊模擬區(qū)域北至新安北堤，西至漾堤口村、北劉莊村、南劉莊村等村莊的邊緣，東至鴛鴦島景區(qū)，南至四門堤，面積約5.74 km2。并且新安水位觀測站在此模擬區(qū)域內(nèi)，觀測數(shù)據(jù)可直接作為模型率定及驗證的基本資料。

2 水動力模型建立

本次建模是利用MIKE 軟件系列中的MIKE 21 HD 模塊，MIKE21 是1 款專業(yè)的數(shù)值模擬軟件，可適用于各種復(fù)雜水環(huán)境的數(shù)值模擬，并且能夠解決白洋淀內(nèi)的圍埝眾多、地物刻畫較難的問題［9］。

2.1 模型原理

水流連續(xù)方程

X方向動量方程

Y方向動量方程

式中：h為總水頭（h=η+d，η、d分別表示河底高程和靜止水深）；t為時間；u，v分別為x、y方向上基于水深平均的流速；f為科氏力系數(shù)（fωsinφ，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，φ為當(dāng)?shù)鼐暥龋?；g為重力加速度；ρ為流體密度；ρ0為水的相對密度；pa為大氣壓強；Sxx、Sxy、Syx、Syy分別為輻射應(yīng)力分量；S為點源流量大??；us、vs分別為源項在x、y方向上的水流流速。

2.2 模型構(gòu)建

2.2.1 網(wǎng)格剖分與地形插值 本次建模采用三角形網(wǎng)格對南劉莊模擬區(qū)進(jìn)行剖分，并對南劉莊示范區(qū)內(nèi)的圍埝進(jìn)行加密處理。網(wǎng)格總數(shù)36 849，計算節(jié)點總數(shù)18 846。入流邊界為code2（府河入流通道）和code4（萍河入流通道），出流邊界為code3，總計3 個開邊界。除3 個開邊界外，其他邊界與外界均無水力交換。在構(gòu)建網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，為準(zhǔn)確刻畫水下地形與微地形構(gòu)造，插入淀泊地形精度為 1:2 000 的CAD 格式高程散點，并對高程點進(jìn)行了質(zhì)量檢查與修正處理，生成模擬區(qū)域的數(shù)字高程圖。模擬區(qū)域網(wǎng)格剖分見圖1，數(shù)字高程圖見圖2。

圖1 南劉莊模擬區(qū)域全局網(wǎng)格剖分圖Fig.1 Global grid division diagram of Nanliuzhuang simulation region

圖2 南劉莊模擬區(qū)域DEM 圖Fig.2 DEM map of Nanliuzhuang simulated region

2.2.2 參數(shù)率定與初始條件 由于白洋淀存在大量的蘆葦，所以在建模中應(yīng)考慮蘆葦對水流的阻滯作用［11］。蘆葦一方面會改變水流的流場，影響水流的輸運，但同時也起到了凈化水質(zhì)的作用。另一方面蘆葦會降低水流的流速，從而消耗掉水流大量能量，而這些能量的消耗在模型中通過糙率來反映。

選取新安水位站（2019-07—2019-08）2 個月的日水位觀測數(shù)據(jù)對模型中參數(shù)進(jìn)行率定。通過調(diào)試蘆葦區(qū)、其余水系區(qū)的糙率值與模擬區(qū)域的風(fēng)阻系數(shù)來擬合水位過程線。本次模擬采用曼寧系數(shù)反應(yīng)蘆葦及河床糙率，經(jīng)調(diào)試，糙率選取情況為：水系、水塘、湖泊綜合糙率取值8 M1/3/s，蘆葦區(qū)域糙率取值25 M1/3/s。模型其余各項參數(shù)取值情況見表1。

表1 模型參數(shù)取值表Table 1 Model parameter value table

2.2.3 模型驗證 將模型率定階段得到的參數(shù)應(yīng)用到2020.07—2020.08 月白洋淀水位、流量模擬中，將流量邊界條件替換為驗證期（2020-07—2020-08）的日流量時間系列數(shù)據(jù)，初始水位設(shè)置為6.71 m，從而檢驗此模型參數(shù)的穩(wěn)健性與可移植性。如圖3所示。

(3)西特簡化法和北京水電勘察設(shè)計處利用砂土相對密實度對砂土液化的判別結(jié)果表明，當(dāng)排巖厚度超過5 m時，各種水位埋深的尾礦砂都不會發(fā)生液化。這說明排巖增加了尾礦砂的上覆有效應(yīng)力，加速了尾砂的排水固結(jié)，提高了尾砂的相對密度，增強了尾砂的抗液化性能。所以在廢棄尾礦庫上排巖是有利于尾礦庫穩(wěn)定的。但必須注意尾砂層本身的承載強度，通過計算確定上覆排巖厚度，否則可能發(fā)生剪切破壞而失穩(wěn)。

模擬值與實測值的趨勢一致，差異較小，基本在±0.1 m 水位以內(nèi)，說明模型概化、地形塑造、邊界條件把握較好，驗證點處的模擬參數(shù)、河床斷面數(shù)據(jù)真實反應(yīng)了實際情況。且計算得相關(guān)性系數(shù)為0.968，達(dá)到0.95 以上，說明模擬值與水位站觀測值匹配較好，本次構(gòu)建的南劉莊示范區(qū)水動力模型參數(shù)準(zhǔn)確可用。

3 圍埝拆除方案及結(jié)果分析

3.1 圍埝拆除方案

針對南劉莊示范區(qū)存在的圍埝，在相同水位、相同入流量情況下，為確定最佳拆除高度與最佳拆除順序，共設(shè)計5 種模擬方案，具體情況見表2、表3。

表2 南劉莊示范區(qū)拆除高度方案模擬表Tabel 2 Simulation table of demolition height scheme of Nanliuzhuang demonstration area

表3 南劉莊示范區(qū)拆除順序方案模擬表Tabel 3 Simulation table of demolition sequence scheme of Nanliuzhuang demonstration area

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 最佳拆除高度分析

（1）水位分析。由模擬結(jié)果可見（圖4），在任何方案下，淀泊水位總是呈現(xiàn)西南水位略高于東北水位，這是由于模擬時段的風(fēng)向為西南風(fēng)，風(fēng)應(yīng)力引起的水位差所導(dǎo)致。模擬可見圍埝拆除后相比于拆除前，整個模擬區(qū)域高低水位差有所減小，此區(qū)域南部的水域連通性得到有效改善。

圖4 拆除高度方案1 ～3 水位分布圖Fig.4 Water level distribution of demolition height scheme 1-3

（2）流場流速分析。由模擬結(jié)果可見（圖5），拆除圍埝后相比拆除前，拓開了新的入流通道，府河來水可直接沿四門堤下河道進(jìn)入示范區(qū)，改善了此區(qū)域的湖流結(jié)構(gòu)。由于該區(qū)域受風(fēng)應(yīng)力和水下地形的綜合影響，拆除區(qū)在原狀圍埝條件下，圍埝內(nèi)部形成環(huán)流，平均流速為2.0 mm/s，流向與流速符合此區(qū)域?qū)嶋H觀測結(jié)果；當(dāng)圍埝拆除至6.0 m 與淀底高程時，由于與埝外水體相連通導(dǎo)致環(huán)流消失，此時拆除區(qū)內(nèi)平均流速分別為3.2、4.6 mm/s。

圖5 拆除高度方案1 ～3 流場分布圖Fig.5 Flow field distribution of demolition height scheme 1-3

（3）流速區(qū)分析。在分析了點流速的變化后，為探究拆圍對示范區(qū)水動力整體提升的效果，進(jìn)一步對模擬區(qū)域進(jìn)行了流速區(qū)的劃分。本次分析根據(jù)模擬區(qū)域原狀圍埝條件下的流速實際觀測結(jié)果，結(jié)合模型計算結(jié)果，將流速區(qū)劃分為滯水區(qū)（0 ～2 mm/s）與流動區(qū)（2 mm/s 以上）。由模擬結(jié)果計算可知，當(dāng)圍埝拆除至淀底高程時（方案3），相比于原狀圍埝（方案1）與拆除至6.0 m 高程（方案2），滯水區(qū)（0 ～2 mm/s）面積分別減少了77.8%、55.6%，流動區(qū)（2 mm/s 以上）面積明顯增大。模擬結(jié)果見圖6

圖6 拆除高度方案1 ～3 流速區(qū)分布圖Fig.6 Distribution of velocity zone of demolition height scheme 1-3

通過對比分析了圍埝拆除前后水位、流速等水力學(xué)要素的變化，結(jié)果均表明拆除圍埝可改善淀泊的連通性，且將圍埝拆至淀底高程時水動力提升效果最佳。

3.2.2 最佳拆除順序分析 白洋淀內(nèi)的圍埝多為魚塘開挖土料就地填筑而成，部分堤埝由建筑垃圾、生活垃圾填筑。為了避免拆除過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)對淀內(nèi)的水體構(gòu)成污染，所以在應(yīng)優(yōu)先拆除對水體擾動較小的圍埝，待水質(zhì)穩(wěn)定后再拆除剩余圍埝。

依據(jù)拆除區(qū)域流場中的水流流向，可將目標(biāo)圍埝分別定義為順?biāo)鞣较驀c垂直水流方向圍埝。通過拆除順序方案1、2 的模擬結(jié)果來確定圍埝拆除后周邊流速的大小，選擇流速小的圍埝優(yōu)先拆除，這樣在一定程度上避免了水流對拆圍過程中產(chǎn)生雜質(zhì)的沖刷，從而影響水質(zhì)。拆除順序方案1、2 的三維地形及流場如圖7、圖8 所示。

圖7 拆除順序方案1 地形及流場Fig.7 Demolition sequence scheme 1 topography and flow field

圖8 拆除順序方案2 地形及流場Fig. 8 Demolition sequence scheme 2 topography and flow field

模擬結(jié)果顯示：對于拆除順序而言，采取方案1 拆除時，拆除區(qū)平均流速為3.7 mm/s；采取方案2拆除時，拆除區(qū)平均流速為1.7 mm/s。由此對比可知，在拆除過程中，應(yīng)選擇方案2，即優(yōu)先拆除順?biāo)鞣较虻膰?，可達(dá)到對區(qū)域水體擾動較小的效果。拆除順序見圖9。

圖9 南劉莊示范區(qū)圍埝拆除順序示意圖Fig.9 Schematic diagram of cofferdam removal sequence in Nanliuzhuang demonstration area

4 結(jié)論與討論

采用MIKE21 軟件建立南劉莊典型示范區(qū)水動力模型，對比圍埝拆除前后的水動力變化，得知將該區(qū)域的圍埝拆至淀底高程時，流速相比原狀條件下提升230%，滯水區(qū)面積減少77.8%，連通性有顯著提升；優(yōu)先拆除垂直水流圍埝時，拆除區(qū)內(nèi)平均流速為3.7 mm/s，優(yōu)先拆除順?biāo)鞑鸪龂r，拆除區(qū)內(nèi)平均流速為1.7 mm/s，表明優(yōu)先拆除順?biāo)鞣较驀啾扔诖怪彼鞣较?，對區(qū)域水體擾動較小。

通過對南劉莊典型示范區(qū)水動力模型5 種方案的模擬，得知拆除圍埝對提升淀泊水動力、調(diào)控水量均有積極意義。該模型可結(jié)合MIKE21 水質(zhì)模塊進(jìn)一步對白洋淀的水質(zhì)演變過程進(jìn)行模擬分析，為優(yōu)化淀區(qū)水系連通及水質(zhì)改善提供科學(xué)合理的理論依據(jù)［12］。