MIKE21模型在膠州灣紅島濕地植栽中的應用研究

張明志，仇銀豪，何一飛，聶咸文，陳 燕，謝 娟 （東聯(lián)（上海）創(chuàng)意設計發(fā)展有限公司，上海 200233）

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

紅島濕地（圖1）位于山東省青島市紅島經(jīng)濟區(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。受常年人類生產(chǎn)活動的影響，鹽田、蝦池等人工濕地大量存在，場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。紅島濕地的建設旨在解決以下四大主要問題:淡水嚴重不足;土壤鹽漬化程度加劇;埤塘濕地比重過大且污染嚴重;物種結(jié)構(gòu)單一，生物多樣性受到威脅。

1 MIKE21模型簡介

丹麥水力研究所（DHI）開發(fā)的平面二維數(shù)學模型MIKE21是一款應用廣泛的商業(yè)模型。目前該軟件在國內(nèi)的應用發(fā)展很快，并在一些大型工程中廣泛應用。MIKE21是DHI開發(fā)的系列水動力學軟件之一，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，為水利工程、海岸規(guī)劃等提供完備、有效的設計條件和參數(shù)［1］。

2 MIKE21HD及Transport計算原理

MIKE21軟件中的水動力學模塊（HD模塊）是其最核心的基礎模塊，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模塊的水動力條件及運行結(jié)果，應用Transport模塊模擬物質(zhì)組分在時間和空間上的輸移特性。

2．1 控制方程組 對于水平尺度遠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質(zhì)量和動量守恒控制方程組。其連續(xù)性方程、X和Y方向動量方程可分別表示為［2］:

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為風速及在 X、Y 方向上的分量;fw為風阻力系數(shù);τxx、τxy、τyy為有效剪切力分量。

模型在二維X、Y方向求解的對流擴散方程式為:

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

2．2 定解條件

2．2．1 邊界條件。開邊界:按潮位過程和流速或流量過程計算;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)域從靜止狀態(tài)開始，取流速和水位為定值;②對模擬區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格點或區(qū)域指定不同初始水位和流速;③“熱啟動”（hot start）方式，即利用之前計算結(jié)果作為本次計算的初始條件［2］。

2．2．3 計算時間步長。根據(jù)Courant數(shù)（CR）選取時間步長:

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

3 MIKE21模型應用

3．1 水文氣象 膠州灣潮汐屬規(guī)則半日潮類型，設計高潮位1．921 m，設計低潮位－2．049 m（以1985年國家高程基準面起算）。膠州灣全年以風生浪為主，灣內(nèi)常見波的波高不足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3萬個，數(shù)值模擬計算采用MIKE21模型的水動力模塊（HD）及Transport模塊。

3．2．1 邊界條件。膠州灣開邊界采用天文潮實測潮位（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自市政雨水排放，依據(jù)紅島經(jīng)濟區(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測數(shù)據(jù)（圖2）。

3．2．3 參數(shù)處理。風向采用不利風向東南風，風速取模擬月份平均風速;干濕邊界、阻力系數(shù)等參數(shù)取模型自定義經(jīng)驗數(shù)值。

3．2．4 鹽度設置。內(nèi)河入流初始鹽度取0．1 g/kg，膠州灣開邊界初始鹽度取35 g/kg。

3．3 模擬結(jié)果

3．3．1 流場模擬。根據(jù)膠州灣長系列潮汐表進行分析，8月份膠州灣潮位偏高，因此模型計算膠州灣開邊界選取2014年8月上旬實測潮位值，計算時長取15 d。紅島濕地水動力模擬結(jié)果（圖3）表明:低潮位及平均潮位時，紅島濕地受潮汐流影響較小，當潮位高于1．05 m時，海水漫入紅島濕地，濕地受潮汐漫灘影響時間約占總模擬時長的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）時段。相應潮位對應水體鹽分布見圖4。

根據(jù)濱海地區(qū)海水入侵及土壤鹽漬化研究［3］、濱海鹽漬土水鹽運動模擬研究［4］等相關研究內(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）鹽漬土含鹽量分類標準［5］，將紅島濕地土壤鹽漬化程度分為以下4類（圖5）。

3．4 結(jié)果驗證 根據(jù)膠州灣紅島濕地土樣含鹽量檢測報告，結(jié)合濕地現(xiàn)狀植被，復核MIKE21模擬預測結(jié)果。

3．4．1 土樣分析檢測。中國海洋大學土工試驗室出具的紅島濕地中心區(qū)兩處土樣的檢測報告［6］（表1）。

由表可知，濕地中部取樣點（1#）不同深度的土壤含鹽量在0．78% ～2．04%，臨海區(qū)取樣點（2#）在1．6% ～3．77%，按《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021－2001），1#、2#點均為中鹽漬土，與模擬預測結(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。通過現(xiàn)場勘察，遠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（東風鹽場），地表裸露，植被稀少。濕地南側(cè)臨海，以蝦池、海參池為主，四周較高臺地生長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。總體而言，模擬預測結(jié)果對植物栽植選型具有參考價值。

表1 土樣腐蝕性分析成果

4 植物栽植設計

植物作為生產(chǎn)者，在濕地的恢復、重建過程中發(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效果，科學分析濕地鹽分梯度分布對植栽具有重要的影響。通過MIKE21模型對濕地鹽分梯度的模擬、分析和預測，該研究將從陸生、水生植物兩個方面對濕地植物進行合理優(yōu)化配置。

4．1 陸生植物 樹木的耐鹽能力是指造林后1～3年內(nèi)，幼樹對土壤鹽堿的適應性，是鹽堿地上樹木忍受鹽漬化程度并產(chǎn)生產(chǎn)量的能力。把樹木生長受到鹽堿抑制，但不明顯降低樹木成活率及生長量時的土壤含鹽量作為該樹種的耐鹽能力。

不同物種具有不同的耐鹽能力，同時耐鹽能力也與樹齡大小、樹木強弱、土壤質(zhì)地、含水率及鹽分種類有關。一般將樹木的耐鹽能力劃分為強、中、弱 3 級［7］，并將相應樹木［8－9］應用到紅島濕地中（表2）。

表2 樹種耐鹽能力分級

4．2 水生植物 水生植物作為水生態(tài)系統(tǒng)的重要部分，可通過發(fā)達的枝葉和根系形成天然過濾層，吸附、分解和轉(zhuǎn)化水中污染物質(zhì)，促進水域養(yǎng)分平衡，兼具生態(tài)、經(jīng)濟、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MIKE21模型的前期分析，并結(jié)合水生植物生長習性，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。

同時通過以植物蛋白（輪葉黑藻、苦草、伊樂藻等沉水植物莖葉）代替動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)人工埤塘的污染負荷。

5 結(jié)語

該研究通過MIKE21模型的水動力模塊及Transport模塊，科學地模擬、分析和預測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提供必要的理論依據(jù)。通過多層次、多品種的濕地植物，提高淡水利用率，削減污染負荷和豐富生物種群結(jié)構(gòu)，以期達到構(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題找到一條行之有效的途徑。

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

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