基于水動力模擬的濕地阻水圍堤圍埝判定
——以白洋淀為例

白潔，陳家琪，田凱，麻曉梅，王歡歡，趙彥偉

（水環(huán)境模擬國家重點實驗室，北京師范大學環(huán)境學院，北京 100875）

因水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)耕種等社會經(jīng)濟活動需要，濕地建設圍堤圍埝等阻水構筑物，導致水流通道過流斷面變窄，濕地自然地形與水系連通遭受破壞，進而改變水動力特征，破壞濕地水文循環(huán)，影響濕地生態(tài)功能。濕地生態(tài)修復受到前所未有的重視，拆除阻水構筑物、恢復濕地微地形、改善水動力成為濕地生態(tài)修復的重要手段。但濕地內阻水構筑物數(shù)量多、分布廣，受制于工程量、實施成本、時間等限制因素，生態(tài)修復實踐中難以實現(xiàn)完全拆除，因此需對影響較大的關鍵阻水構筑物實施優(yōu)先拆除，從而改善水動力狀況。

隨著人類活動對濕地水系連通的破壞引起關注，圍堤圍埝、圍網(wǎng)、圩堤等阻水構筑物對水動力及拆除效果的影響研究受到重視。魏清福針對東太湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)對水流的阻滯效應進行了研究，分析了圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)拆除的水動力效果。王俊等建立平原河網(wǎng)水動力模型，模擬了蜈蚣湖退圩還湖工程實施前后的水動力變化，明確了濕地阻水設施拆除后的水動力改善效果。YUAN 等、杜耘等、田澤斌等、姚靜等、賴格英等、Li 等也都開展了相應的模擬與分析研究。在已有研究中，大多通過模型模擬手段，選取水位、流速、水面面積、滯水區(qū)面積等指標，進行拆除前后的效果對比。而實際中，流線可以反映水動力條件，通過判定流線狀態(tài)來判定需要拆除的阻水構筑物是一個比較可行的方法。流線分布密度可反映流速大小，分布均勻度可反映水動力空間分布均衡性，流線平均蜿蜒度可反映區(qū)域內水流路徑形態(tài)的曲折程度，三者綜合，可作為判定阻水狀況的定量依據(jù)，有利于提高判定結果的精確性，可為濕地阻水構筑物拆除提供更為準確的依據(jù)。

本文以淀泊眾多、圍堤圍埝分布密集、溝渠密布的白洋淀為例，基于MIKE 21構建了白洋淀水動力模擬模型，提取流線分布，計算了區(qū)域流線的分布密度、均勻度、平均蜿蜒度等指標，判定出淀區(qū)關鍵阻水圍堤圍埝的分布，并對比模擬了圍堤圍埝拆除后的水動力效果，為白洋淀水系連通方案制定提供重要依據(jù)，為同類濕地水動力改善與提升提供技術依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

白洋淀是“華北之腎”，在污染控制、物種多樣性保護和生態(tài)平衡維持等方面發(fā)揮著巨大作用。淀區(qū)總面積366 km，淀內主要由白洋淀、馬棚淀、燒車淀、藻苲淀等143 個大小不等、相互聯(lián)系的淀泊和3 700多條溝壕組成。歷史上為發(fā)展養(yǎng)殖，大量構筑圍堤圍埝，淀內建設有大小圍堤圍埝1 600 多個，總面積達27 km。高強度的圍堤圍埝建設，破壞了白洋淀自然地形，水面被無序、密集分布的圍堤圍埝分隔為錯綜復雜的狹窄溝渠，再加上白洋淀缺乏天然水補給，依靠引黃濟淀等外源補水很難滿足生態(tài)水位要求，生態(tài)需水相對缺乏，導致淀區(qū)水系連通性下降，水體流動性變差，濕地環(huán)境與生態(tài)功能難以提升，亟待實施圍堤圍埝拆除。

1.2 水動力模型構建

基于二維水動力模擬軟件MIKE 21，構建了白洋淀水動力模型。白洋淀中部區(qū)域主要網(wǎng)格設置為30 m×30 m，府河、孝義河等主要河流通道設置為30 m×30 m，其余區(qū)域設置為100 m×100 m。模型共劃分501 738 個節(jié)點，993 753 個網(wǎng)格單元?？紤]模型精度需求及模型計算時間限制，選取王家寨、端村、十方院2019 年3 月1 日至8 月31 日補水周期內水位數(shù)據(jù)進行模型率定，以2019年9月1日至2020年2月28日補水周期內的水位數(shù)據(jù)進行模型驗證，驗證結果見圖1。驗證結果表明，水位模擬誤差在0.1~0.2 m，結果較好，模型可用。

圖1 水位驗證結果Figure 1 Comparison of simulated and measured water level values

模型構建所需的地形數(shù)據(jù)在2019 年1∶2 000 的實測數(shù)據(jù)基礎上加密得到，蒸發(fā)、降水等氣象數(shù)據(jù)、各入淀河流流量數(shù)據(jù)、各水位站水位數(shù)據(jù)來源于實地調研搜集，均為實測日均值。

1.3 指標選擇

圍堤圍埝通過影響水下地形從而影響水流速度和方向，因此在判定關鍵阻水圍堤圍埝時，選取的指標應能較好地反映阻水物對流速和流向的影響。流線是某一瞬間流場中一系列質點的流動方向線，流線疏密程度可反映水體流動速度大小，流線越密集則表明該區(qū)域內流速越大，故選用流線分布密度指標反映流速大小。圍堤圍埝也可能導致圍堤圍埝分布區(qū)域內流速變小，圍堤圍埝之間的溝渠水流集中，流速變大，流線分布均勻度指標可反映流速在空間分布的均衡性。流線形狀可以反映瞬時流場內水流方向與曲折程度，圍堤圍埝會導致水流流向變化與轉彎曲折，用流線平均蜿蜒度指標反映區(qū)域內流線的曲折程度，判定是否受到圍堤圍埝影響。流線分布密度、分布均勻度、流線平均蜿蜒度指標可綜合反映圍堤圍埝對水動力的影響，共同作為判定阻水狀況的指標。

流線分布密度的計算公式為：

式中：為區(qū)域流線分布密度，條·km；為區(qū)域內流線條數(shù)；為區(qū)域面積，km。

流線分布均勻度的計算公式為：

式中：為均勻度；為區(qū)域內流線間間隔數(shù)量；d表示區(qū)域內第條流線與第+1 條流線之間的距離，km；為所有流線間間距的平均值，km。

流線平均蜿蜒度的計算公式為：

式中：為流線平均蜿蜒度；為區(qū)域內流線條數(shù)；L為第條流線實際長度，km；D為第條流線在該區(qū)域內沿水流方向兩點間直線距離，km。

1.4 關鍵阻水圍堤圍埝判定

本研究提出一種基于水動力模擬結果，結合流線分布密度、均勻度、平均蜿蜒度指標判定關鍵阻水圍堤圍埝的方法。具體步驟如下：

（1）提取流線分布圖。根據(jù)水動力模型模擬結果，利用Tecplot軟件提取流線分布圖。

（2）計算區(qū)域流線分布密度、分布均勻度和平均蜿蜒度。利用流線分布圖，計算區(qū)域流線分布均勻度、密度及平均蜿蜒度。

（3）判定關鍵阻水圍堤圍埝。根據(jù)（2）中計算結果，若區(qū)域流線分布密度低于標準值（），表明區(qū)域內圍堤圍埝嚴重影響水體流動性，判定其為關鍵阻水圍堤圍埝；若流線分布密度大于，均勻度小于標準值（），判定其為關鍵阻水圍堤圍埝；若分布密度大于，均勻度大于，且平均蜿蜒度大于標準值（），判定其為關鍵阻水圍堤圍埝。各指標判斷標準參考歷史資料，并對比流動性較好區(qū)域的實際情況綜合考慮確定。以研究區(qū)白洋淀為例，各指標標準值參考白洋淀歷史資料、水動力較好的水域模擬與實測結果及專家咨詢結果確定，分別為=2、=7、=1.3。

（4）判定結果的校驗?；贕IS 平臺，將流線分布圖與水下地形圖、土地利用圖、水利設施分布圖等進行疊加，實施人工研判與疊加分析，明確判定出的關鍵阻水圍堤圍埝區(qū)域內的流線分布變化是由圍堤圍埝阻水所致，而非受水下地形變化、水利設施調度或臺地影響導致。

2 結果與分析

2.1 關鍵阻水圍堤圍埝判定結果

參考現(xiàn)狀補水流量，確定入流量等數(shù)據(jù)，進行了白洋淀水動力模擬。利用模型模擬結果，提取出白洋淀流線分布圖（圖2a）。根據(jù)1.3 中公式計算流線分布密度、分布均勻度、平均蜿蜒度，初步判定出關鍵阻水圍堤圍埝分布。其中，將流線分布圖與地形圖、土地利用圖進行疊加（圖2b 和圖2c），對判定出的關鍵阻水圍堤圍埝進行校驗，最終確定出關鍵阻水圍堤圍埝分布（表1與圖3）。

圖2 白洋淀流線分布及疊加結果（坐標系為CGCS2000）Figure 2 Baiyangdian streamline distribution map and superposition results

由表1 和圖3 可見，白洋淀淀區(qū)內有8 處關鍵阻水圍堤圍埝。判定關鍵阻水圍堤圍埝總面積約9.93 km，占淀區(qū)內圍堤圍埝總面積的36.7%左右。關鍵阻水圍堤圍埝的堤頂高程在7.5~8.0 m之間。

圖3 白洋淀關鍵阻水圍堤圍埝判定結果（坐標系為CGCS2000）Figure 3 Determination result of key cofferdams of Baiyangdian

表1 關鍵阻水圍堤圍埝分布情況及指標計算結果Table 1 Distribution of key water blocking cofferdams and indicator calculation results

為衡量、、取值標準的合理性，進一步比較了不同取值標準下的判定結果。表1 中結果在=2、=7、=1.3 的取值標準下判定得到，如將判定標準提高50%，即=3、=10.5、=0.65，則判定的關鍵阻水圍堤圍埝有7 處，分布在南劉莊附近、白溝引河入淀口處、王家寨西、光淀村西、圈頭西街村西、圈頭西街村北和引黃補淀入口至采蒲臺村西，下張莊村西南處的圍堤圍埝將不被判定為關鍵阻水圍堤圍埝。若將判定標準降低50%，即=1、=3.5、=1.95，則淀區(qū)內圍堤圍埝幾乎均應判定為關鍵阻水圍堤圍埝。為保證結果符合實際需求，關鍵阻水圍堤圍埝判定時，應保證判定過程中不遺漏影響較大的關鍵阻水圍堤圍埝，同時避免拆除過多實際影響較小的圍堤圍埝。設定=2、=7、=1.3，可以較好地滿足以上要求，證明該標準取值具有一定的合理性。

2.2 關鍵阻水圍堤圍埝拆除前后水動力變化

對判定出的8 處關鍵阻水圍堤圍埝全部拆除至高程6 m 左右，對拆除前后的水動力進行模擬，分析了平均流速、流線分布、水面面積比例和滯水區(qū)面積比例4個指標的變化。

關鍵阻水圍堤圍埝拆除后，平均流速由0.032 m·s減小為0.029 m·s，略有減小，但流線分布明顯改善（圖4）。圍堤圍埝拆除后，白洋淀淀區(qū)北部白溝引河入淀口附近流線增加，中部各村莊附近水流受阻減小，流線分布均勻度明顯提升。南部引黃補淀入口至采蒲臺村西側區(qū)域內流線明顯豐富，引黃補淀來水在淀區(qū)南部分布更均勻。以水深大于10 cm（濕邊界）為水面進行網(wǎng)格統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)拆除后水面面積比由90.42%增加至94.70%，水面面積明顯增加。參照相關研究，設置流速小于平均流速1/10的區(qū)域為滯水區(qū)，可以發(fā)現(xiàn)滯水區(qū)面積占比降低（圖5和圖6），由拆除前的35.45%下降至31.22%，減小4.23個百分點。

圖4 關鍵阻水圍堤圍埝拆除前后流線分布圖（坐標系為CGCS2000）Figure 4 The streamline distribution result of the key water blocking cofferdams before and after removal

圖5 關鍵阻水圍堤圍埝拆除前后水面面積比例（坐標系為CGCS2000）Figure 5 The proportion of water surface area of the key water blocking cofferdams before and after removal

圖6 關鍵阻水圍堤圍埝拆除前后滯水區(qū)面積比例（坐標系為CGCS2000）Figure 6 The proportion of stagnant water area of the key water blocking cofferdams before and after removal

拆除判定出的關鍵圍堤圍埝后，白洋淀水域流線分布、水面面積比、滯水區(qū)面積比等指標均有所改善。淀區(qū)北部、中部及南部區(qū)域內流線更加豐富，整體流線分布更均勻，滯水區(qū)面積明顯減小，水面面積增加，水體流動性明顯增強。以關鍵阻水圍堤圍埝為對象實施拆除，既實現(xiàn)了水動力條件的改善，又節(jié)約了成本，具有環(huán)境與經(jīng)濟雙重效益。

3 結論

（1）提出了一種濕地關鍵阻水圍堤圍埝的判定方法。判定方法包括4 個步驟：首先利用水動力模型模擬結果，提取流線分布圖；然后計算流線分布密度、均勻度、平均蜿蜒度指標；接下來初步判定關鍵阻水圍堤圍埝；最后將流線分布與地形、土地利用圖等疊加，對判定結果進行校驗，確定關鍵阻水圍堤圍埝。

（2）模擬判定了白洋淀關鍵阻水圍堤圍埝。構建白洋淀水動力模擬模型，利用模擬結果判定了白洋淀內存在8處關鍵阻水圍堤圍埝，總面積約9.93 km。

（3）進行了關鍵阻水圍堤圍埝拆除前后水動力指標的對比分析。關鍵阻水圍堤圍埝拆除后，淀區(qū)水動力條件改善。淀區(qū)北部、中部的流線分布更為均勻，南部引黃入淀口至采蒲臺西側區(qū)域內流線明顯豐富，滯水區(qū)面積占比減少，水面面積占比增加。