MIKE21模型在膠州灣紅島濕地植栽中的應(yīng)用研究

張明志　仇銀豪　何一飛等

摘要應(yīng)用MIKE21模型，模擬膠州灣紅島濕地在陸域淡水和潮汐流交匯作用下水體鹽分梯度的分布規(guī)律，并預(yù)測(cè)濕地水體及土壤的環(huán)境狀況，為紅島濕地整體規(guī)劃設(shè)計(jì)中的植栽選型提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)手法。

關(guān)鍵詞 紅島濕地；MIKE21；潮汐；鹽度；植栽

中圖分類(lèi)號(hào)S11；Q948文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）16-179-04

Application of MIKE 21 Model in the Wetland Planting of Hongdao，Jiaozhou Bay

ZHANG Mingzhi， QIU Yinhao， HE Yifei et al

（Orient United Design Group， Shanghai 200233）

AbstractThis article tried to use MIKE21 model to imitate the distribution of salinity gradient， with the effect of river freshwater and ocean tidal in Hongdao wetland， Jiaozhou Bay. By imitated the salinity gradient distribution， the conditions of water and soil environment in Hongdao wetland could be predicted， and theories and technologies were able be provided for landscape plant selection in future integrated planning of Hongdao wetland.

Key wordsHongdao wetland； MIKE21； Tide； Salinity； Plants

濱海濕地作為陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)過(guò)渡帶，目前正受到日益增強(qiáng)的圍墾、污染、生物資源過(guò)度利用等因素威脅，濕地面積正快速減少和逐步破碎化。如何保護(hù)濱海濕地，恢復(fù)健康的濕地生態(tài)系統(tǒng)，已成為解決濕地、海洋問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

紅島濕地（圖1）位于山東省青島市紅島經(jīng)濟(jì)區(qū)，西側(cè)為

青島市“母親河”大沽河，南側(cè)為膠州灣，面積約25 km2，是目前膠州灣最大最重要的濱海濕地。受常年人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)的影響，鹽田、蝦池等人工濕地大量存在，場(chǎng)地已形成以大量埤塘型人工濕地為主，少量鹽沼濕地和河口濕地構(gòu)成的體系。紅島濕地的建設(shè)旨在解決以下四大主要問(wèn)題：淡水嚴(yán)重不足；土壤鹽漬化程度加??；埤塘濕地比重過(guò)大且污染嚴(yán)重；物

圖1紅島濕地區(qū)位

種結(jié)構(gòu)單一，生物多樣性受到威脅。

1 MIKE21模型簡(jiǎn)介

丹麥水力研究所（DHI）開(kāi)發(fā)的平面二維數(shù)學(xué)模型MIKE21是一款應(yīng)用廣泛的商業(yè)模型。目前該軟件在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展很快，并在一些大型工程中廣泛應(yīng)用。MIKE21是DHI開(kāi)發(fā)的系列水動(dòng)力學(xué)軟件之一，屬于平面二維自由表面流模型，可用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境場(chǎng)，為水利工程、海岸規(guī)劃等提供完備、有效的設(shè)計(jì)條件和參數(shù)[1]。

2 MIKE21HD及Transport計(jì)算原理

MIKE21軟件中的水動(dòng)力學(xué)模塊（HD模塊）是其最核心的基礎(chǔ)模塊，可以模擬水位和水流變化，以及任何忽略分層的二維自由表面流[1]?；贖D模塊的水動(dòng)力條件及運(yùn)行結(jié)果，應(yīng)用Transport模塊模擬物質(zhì)組分在時(shí)間和空間上的輸移特性。

2.1控制方程組

對(duì)于水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度的情況，由于水深、流速等水力參數(shù)沿垂直方向的變化比沿水平方向的變化要小得多，因此，將三維流動(dòng)的控制方程沿水深積分，并取水深平均，可得到沿水深平均的二維淺水流動(dòng)質(zhì)量和動(dòng)量守恒控制方程組。其連續(xù)性方程、X和Y方向動(dòng)量方程可分別表示為[2]：

ζt+px+qy=ht

pt+x（p2H）+y（pqH）+gHζx+gpp2+q2C2H2-1ρ[x（Hτxx）+y（Hτxy）]-fq-fw|W|Wx=0

qt+y（q2H）+x（pqH）+gHζy+gpp2+q2C2H2-1ρ[y（Hτyy）+x（Hτxy）]-fq-fw|W|Wy=0

式中，H為水深，H=h+ ζ，其中h、ζ分別為凈水深和水位；t為時(shí)間；p、q為X、Y方向上的流通通量；C為謝才系數(shù)；g為重力加速度，f為科氏力系數(shù)；ρ為水的密度；W、Wx、Wy為風(fēng)速及在X、Y方向上的分量；fw為風(fēng)阻力系數(shù)；τxx、τxy、τyy為有效剪切力分量。

模型在二維X、Y方向求解的對(duì)流擴(kuò)散方程式為：

ct+pcx+qcy=Dx2cx2+Dy2cy2

式中，c為組分質(zhì)量濃度；t為時(shí)間；p、q為X、Y方向上的流通通量；Dx、Dy為組分在X、Y方向上的分子擴(kuò)散系數(shù)。

2.2定解條件

2.2.1

邊界條件。 開(kāi)邊界：按潮位過(guò)程和流速或流量過(guò)程計(jì)算； 閉邊界：利用岸壁法，取法向不可入條件，即法向流速為零[1]。

2.2.2

初始條件。 模型計(jì)算的初始條件有3種：①恒定初始值在全模擬區(qū)域從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始，取流速和水位為定值；②對(duì)模擬區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格點(diǎn)或區(qū)域指定不同初始水位和流速；③“熱啟動(dòng)”（hot start）方式，即利用之前計(jì)算結(jié)果作為本次計(jì)算的初始條件[2]。

2.2.3

計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)。 根據(jù)Courant數(shù)（CR）選取時(shí)間步長(zhǎng)：

Δt=CRΔxgh

式中，CR為Courant數(shù)；h為凈水深；△t為時(shí)間步長(zhǎng)；△x為空間步長(zhǎng)；g為重力加速度。

3 MIKE21模型應(yīng)用

3.1水文氣象

膠州灣潮汐屬規(guī)則半日潮類(lèi)型，設(shè)計(jì)高潮位1.921 m，設(shè)計(jì)低潮位-2.049 m（以1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)面起算）。膠州灣全年以風(fēng)生浪為主，灣內(nèi)常見(jiàn)波的波高不足0.5 m。秋、冬兩季全海域盛行偏北向浪，以NW向出現(xiàn)頻率最多（17%～31%）；春、夏兩季盛行偏南向浪，以SE向出現(xiàn)頻率為最多（30%～33%）。

3.2參數(shù)設(shè)置

采用MIKE21 FM非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格構(gòu)建模型，網(wǎng)格數(shù)量約3萬(wàn)個(gè)，數(shù)值模擬計(jì)算采用MIKE21模型的水動(dòng)力模塊（HD）及Transport模塊。

3.2.1

邊界條件。膠州灣開(kāi)邊界采用天文潮實(shí)測(cè)潮位（圖2），大沽河入流邊界流量數(shù)據(jù)采用該河段的多年平均流量，內(nèi)陸其他入流量主要來(lái)自市政雨水排放，依據(jù)紅島經(jīng)濟(jì)區(qū)防洪排澇規(guī)劃取值。

3.2.2

初始條件。濕地底部高程及水位采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（圖2）。

3.2.3

參數(shù)處理。風(fēng)向采用不利風(fēng)向東南風(fēng)，風(fēng)速取模擬月份平均風(fēng)速；干濕邊界、阻力系數(shù)等參數(shù)取模型自定義經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。

3.2.4

鹽度設(shè)置。內(nèi)河入流初始鹽度取0.1 g/kg，膠州灣開(kāi)邊界初始鹽度取35 g/kg。

圖22014年膠州灣潮汐表及邊界條件

3.3模擬結(jié)果

3.3.1

流場(chǎng)模擬。根據(jù)膠州灣長(zhǎng)系列潮汐表進(jìn)行分析，8月份膠州灣潮位偏高，因此模型計(jì)算膠州灣開(kāi)邊界選取2014年8月上旬實(shí)測(cè)潮位值，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)取15 d。紅島濕地水動(dòng)力模擬結(jié)果（圖3）表明：低潮位及平均潮位時(shí)，紅島濕地受潮汐流影響較小，當(dāng)潮位高于1.05 m時(shí)，海水漫入紅島濕地，濕地受潮汐漫灘影響時(shí)間約占總模擬時(shí)長(zhǎng)的1/3。

3.3.2

鹽度模擬。選取2014年8月15日低潮位（-2.02 m）及高潮位（2.03 m）時(shí)段。相應(yīng)潮位對(duì)應(yīng)水體鹽分布見(jiàn)圖4。

根據(jù)濱海地區(qū)海水入侵及土壤鹽漬化研究[3]、濱海鹽漬土水鹽運(yùn)動(dòng)模擬研究[4]等相關(guān)研究?jī)?nèi)容以及濕地現(xiàn)狀用地分析，按《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）（2009年版）鹽漬土含鹽量分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[5]，將紅島濕地土壤鹽漬化程度分為以下4類(lèi)（圖5）。

3.4結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)膠州灣紅島濕地土樣含鹽量檢測(cè)報(bào)告，結(jié)合濕地現(xiàn)狀植被，復(fù)核MIKE21模擬預(yù)測(cè)結(jié)果。

3.4.1

土樣分析檢測(cè)。中國(guó)海洋大學(xué)土工試驗(yàn)室出具的紅島濕地中心區(qū)兩處土樣的檢測(cè)報(bào)告[6]（表1）。

由表可知，濕地中部取樣點(diǎn)（1#）不同深度的土壤含鹽量在0.78%～2.04%，臨海區(qū)取樣點(diǎn)（2#）在1.6%～3.77%，按《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001），1#、2#點(diǎn)均為中鹽漬土，與模擬預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致，誤差控制在合理范圍內(nèi)。

3.4.2

濕地現(xiàn)狀植被。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，遠(yuǎn)離海灣的濕地北部區(qū)域水生植物較為豐富，景觀性較好，且有少量耕地，以玉米種植為主。濕地中部以鹽田為主（東風(fēng)鹽場(chǎng)），地表裸露，植被稀少。濕地南側(cè)臨海，以蝦池、海參池為主，四周較高臺(tái)地生長(zhǎng)有少量蘆葦及堿生植物（圖6）。

總體而言，紅島濕地現(xiàn)狀植被分布與MIKE21模擬得到的鹽度分布規(guī)律較為一致，部分區(qū)域植被分布有所出入，或與地形數(shù)據(jù)缺失及MIKE21模型網(wǎng)格劃分精度不足有關(guān)?？傮w而言，模擬預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)植物栽植選型具有參考價(jià)值。

圖3濕地流場(chǎng)

圖4水體鹽度分布

圖5濕地鹽漬區(qū)分類(lèi)

43卷16期

張明志等MIKE21模型在膠州灣紅島濕地植栽中的應(yīng)用研究

表1土樣腐蝕性分析成果

序號(hào)土樣編號(hào)取樣深度∥m電導(dǎo)率ms/cm易溶鹽含量mg/kg含鹽量%

11#-10.3～0.42.227 763.000.78

21#-20.7～0.86.1920 403.002.04

31#-31.7～1.85.7917 910.001.79

42#-10.3～0.45.9715 955.001.60

52#-20.8～1.012.5237 689.003.77

62#-32.0～2.18.9727 918.002.79

4 植物栽植設(shè)計(jì)

植物作為生產(chǎn)者，在濕地的恢復(fù)、重建過(guò)程中發(fā)揮著重大作用。在濱海濕地鹽漬化的背景下，為保障植物前期成活率及后期生長(zhǎng)效果，科學(xué)分析濕地鹽分梯度分布對(duì)植栽具有重要的影響。通過(guò)MIKE21模型對(duì)濕地鹽分梯度的模擬、分析和預(yù)測(cè)，該研究將從陸生、水生植物兩個(gè)方面對(duì)濕地植物進(jìn)行合理優(yōu)化配置。

4.1陸生植物

樹(shù)木的耐鹽能力是指造林后1～3年內(nèi)，幼樹(shù)對(duì)土壤鹽堿的適應(yīng)性，是鹽堿地上樹(shù)木忍受鹽漬化程度并產(chǎn)生產(chǎn)量的能力。把樹(shù)木生長(zhǎng)受到鹽堿抑制，但不明顯降低樹(shù)木成活率及生長(zhǎng)量時(shí)的土壤含鹽量作為該樹(shù)種的耐鹽能力。

不同物種具有不同的耐鹽能力，同時(shí)耐鹽能力也與樹(shù)齡大小、樹(shù)木強(qiáng)弱、土壤質(zhì)地、含水率及鹽分種類(lèi)有關(guān)。一般將樹(shù)木的耐鹽能力劃分為強(qiáng)、中、弱3級(jí)[7]，并將相應(yīng)樹(shù)木[8-9]應(yīng)用到紅島濕地中（表2）。

圖6現(xiàn)狀植被分布

表2樹(shù)種耐鹽能力分級(jí)

耐鹽力等級(jí)含鹽量%出苗率%植物

弱0.2～0.3≥70毛白楊、垂柳、小葉楊等

中0.3～0.550～70刺槐、苦楝、臭椿、紫穗槐、合歡、杞柳等

強(qiáng)0.5～0.7≤50柳、枸杞、檉柳等

重≥0.7堿蓬、獐毛、馬藺、結(jié)縷草、珊瑚菜等

4.2水生植物

水生植物作為水生態(tài)系統(tǒng)的重要部分，可通過(guò)發(fā)達(dá)的枝葉和根系形成天然過(guò)濾層，吸附、分解和轉(zhuǎn)化水中污染物質(zhì)，促進(jìn)水域養(yǎng)分平衡，兼具生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、景觀、養(yǎng)殖及氣候效益等多種功能。

紅島濕地在陸域淡水及潮汐流的交匯下，形成多梯度鹽分的水體結(jié)構(gòu)。通過(guò)MIKE21模型的前期分析，并結(jié)合水生植物生長(zhǎng)習(xí)性，在濕地水分鹽度低于0.2%的淡水及微咸區(qū)配置蘆葦、茭草、慈姑、菖蒲、美人蕉、芡實(shí)等挺、浮水植物，以及菹草、黑藻、苦草、眼子菜等沉水植物；濕地水分鹽度不高于1.0%的微咸水種植蘆葦、千屈菜、蓖齒眼子菜、金魚(yú)藻、水鱉等水生植物；高于1.0%的咸水種植堿蓬、鹽角草、川蔓藻等水生植物。

同時(shí)通過(guò)以植物蛋白（輪葉黑藻、苦草、伊樂(lè)藻等沉水植物莖葉）代替動(dòng)物蛋白作為餌料及多漁業(yè)品種混養(yǎng)、輪養(yǎng)、輪捕輪放的生態(tài)養(yǎng)殖模式等途徑，豐富埤塘種群結(jié)構(gòu)，減輕傳統(tǒng)人工埤塘的污染負(fù)荷。

5 結(jié)語(yǔ)

該研究通過(guò)MIKE21模型的水動(dòng)力模塊及Transport模塊，科學(xué)地模擬、分析和預(yù)測(cè)膠州灣紅島濕地水體及土壤的鹽分梯度分布，為紅島濕地植被恢復(fù)提供必要的理論依據(jù)。通過(guò)多層次、多品種的濕地植物，提高淡水利用率，削減污染負(fù)荷和豐富生物種群結(jié)構(gòu)，以期達(dá)到構(gòu)建健康、完整、自我持續(xù)的濕地生態(tài)系統(tǒng)的目的，為解決濱海濕地及海洋問(wèn)題找到一條行之有效的途徑。

參考文獻(xiàn)

[1]

安永寧，楊琨，王瑩，等.MIKE21模型在海洋工程研究中的應(yīng)用[J].海岸工程，2013，32（3）：1-10.

[2] 許婷.丹麥MIKE21模型概述及應(yīng)用實(shí)例[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)， 2010，16（8）：867-869.

[3] 張國(guó)明，顧衛(wèi)，吳之正，等.渤海灣風(fēng)暴潮倒灌對(duì)沿岸農(nóng)田土壤鹽分的影響[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2006，21（2）：157-160.

[4] 趙耕毛，劉兆普，陳銘達(dá)，等.海水倒灌濱海鹽漬土的水鹽運(yùn)動(dòng)模擬研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2003， 36（6）：686-680.

[5] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-2001）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2009：82-83.

[6] 中國(guó)海洋大學(xué)土工實(shí)驗(yàn)室.濕地公園工程土壤腐蝕性分析成果表[R].青島，2013.

[7] 王治國(guó)，張?jiān)讫?，劉徐師，?林業(yè)生態(tài)工程學(xué)[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2000：397-399.

[8] 趙可夫，李法曾，樊守金，等.中國(guó)的鹽生植物[J].植物學(xué)通報(bào)，1999，16（3）：201-207.

[9] 李紅麗，丁國(guó)棟，董智，等.中捷農(nóng)場(chǎng)濱海鹽堿地立地類(lèi)型劃分及其植被恢復(fù)技術(shù)[J].中國(guó)水土保持科學(xué)， 2010，8（5）：86-91.