基于二維水動力模型的遼河口濕地生態(tài)補水模擬

秦麗佳 高真?zhèn)?謝云

（沈陽農(nóng)業(yè)大學水利學院，遼寧 沈陽 110866）

濕地是指分布在水體與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的自然生態(tài)系統(tǒng)，具有重要的生態(tài)服務價值。目前我國濕地保護面臨著面積減少、功能減退、氣候與人為活動造成的濕地水文狀況惡化等問題（張銳,2009）。濕地退化影響著我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，恢復和保證濕地健康迫在眉睫。保護濕地應當充分考慮水資源稟賦條件和承載能力，合理配置水資源，保障濕地基本生態(tài)用水需求，維護濕地生態(tài)功能（馬梓文等, 2022）。近年來，隨著濕地保護法的出臺，濕地保護意識普遍提高，我國多個濕地保護項目相繼啟動，上秦淮生態(tài)濕地由于人類活動導致部分水系環(huán)境惡化，采用水系連通、改造堤壩與水系流通性設計，改善水體的水動力條件，增加內(nèi)河水體的流速，制定科學合理的水資源配置方案，滿足濕地公園的生態(tài)用水（楊永森等, 2015）。黃河三角洲濕地通過生態(tài)補水與植被恢復，取得了良好成效，基于濕地生態(tài)現(xiàn)狀與問題，開展新階段黃河三角洲“一體兩翼”濕地保護管理科技支撐總體思路（張少華等, 2022）。白洋淀濕地基于適宜水位，從補水量和補水時間探討補水方案（劉越等, 2010）。三環(huán)泡濕地采用MIKE21模擬補水過程，分析補水效果確定補水方案（王志鵬等, 2021）。根據(jù)諸多案例可知，生態(tài)補水已成為保障濕地生態(tài)環(huán)境的不可或缺手段，生態(tài)補水策略必須結合濕地自然補給水源狀況、水情變化規(guī)律和流域自然地理特征（郭子良等, 2019），科學合理的生態(tài)補給期和補給流量對水環(huán)境的改善效果非常重要，生態(tài)補水研究已成為一個焦點和熱點話題（Zhang Xet al., 2022），但在濕地保護管理方面如何配置水資源涉及較少。本文在保護濕地的基礎上，提出實際可行的補水方案，合理配置水資源，為濕地保護和修復提供理論和技術支持。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

盤錦遼河口省級自然保護區(qū)位于遼寧省遼東灣北部盤錦市境內(nèi)的遼河入?？谔帲▓D1），是目前世界上保存最好、面積最大、植被類型最完整的河口生態(tài)區(qū)域之一，蘆葦（Phragmites australis）沼澤是保護區(qū)內(nèi)主要的濕地類型。濕地資源極為豐富，在維系區(qū)域生態(tài)安全及維護生物多樣性方面具有至關重要的作用。遼河口濕地所在境內(nèi)擁有大小河流21條，多數(shù)處于干枯斷流、上游截流的狀態(tài)，濕地水源的自然補給困難（王立中, 2017），遼河口濕地作為黑嘴鷗（Chroicocephalus saundersi）繁殖地，每年3月中旬逐漸迎來遷徙的黑嘴鷗，4月下旬黑嘴鷗進入繁殖期，6月中旬出雛達到高峰，到7月中旬繁殖結束，10月底黑嘴鷗遷離盤錦，時間跨度7個月之久，與停歇地和越冬地相比較，盤錦是黑嘴鷗居留時間最長的地方。

圖1 遼河口區(qū)域圖Fig.1 Map of the Liaohe estuary area

1.2 補水方案設計

目前，大凌河、遼河以及周邊稻田、城鎮(zhèn)回歸水等不到3×108m3，因為遼河口保護區(qū)缺水，葦田面積減少，降低蘆葦生長密度和高度，蘆葦質(zhì)量下降，對蘆葦濕地的生態(tài)服務功能產(chǎn)生嚴重威脅（裴艷,2013），為確保濕地面積不減少和生態(tài)功能不萎縮，不影響濕地動植物的棲息生存，遼河口保護區(qū)內(nèi)蘆葦濕地需要大量補水，并維持水位在20 cm以上。

保護區(qū)被遼河分為東西兩個區(qū)域，本文擬將遼河上游河道截面作為河道徑流入口，在濕地東側擬用遼河上游來水，西側靠近大凌河處設置補水口，濕地東西側補水口均設置在地勢較高，能滿足地表漫流的高度，保護區(qū)下游與渤海銜接的灘涂設置為出流口，西部調(diào)水通過泵站（紅旗站、南井子站和三義站）提水至干渠，依次至各支渠，最后至補水區(qū)域。東部調(diào)水通過泵站（雙興站）提水至干渠，依次至各支渠，最后至補水區(qū)域?？紤]保護區(qū)面積遼闊，地形不平坦，僅依靠補水口覆蓋整個濕地并不現(xiàn)實，因此，根據(jù)保護區(qū)內(nèi)濕地補水模擬情況，設置二級補水點。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)方案設計，本研究主要采用現(xiàn)狀年2015—2020年水文與遙感數(shù)據(jù)，輸入模型作為自然條件,遼河上游來水沿河道直接入海，不流入補水區(qū)域，僅作為補水來源，后續(xù)依據(jù)泵站抽水及徑流實際情況進行計算，數(shù)據(jù)類型及來源見表1。通過ENVI和Arc Map對遼河口地區(qū)的Landsat-8影像處理與分析，處理后得到滿足精度要求可進行監(jiān)督分類的影像，能夠計算出遼河口濕地五類重要地物的面積，便于進行研究區(qū)補水位置劃分。通過在地理空間數(shù)據(jù)云下載云量小于5%的ASTER GDEM 30M 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)獲得地形數(shù)據(jù)，能夠滿足模型精度需求，通過Global Mapper批量提取有效高程，用作模型地形的網(wǎng)格化處理。

表1 數(shù)據(jù)類型及來源Table 1 Data types and sources

2 二維水動力模型構建

本文采用丹麥水力研究所開發(fā)的平面二維水動力模型MIKE21進行建模，MIKE 21工程包中的水動力學模塊可以模擬由于各種作用力的作用面產(chǎn)生的水位及水流變化，它用靜水壓力假設和Boussinesq假設在數(shù)值上求解斯托克斯方程（Lai Y et al., 2022），可用于任何忽略分層的二維自由表面流的模擬，能夠大幅度減少計算時間。

二維非恒定淺水方程組為：

連續(xù)性方程：

x方向動量方程：

y方向動量方程：

式中：t為時間（s）；x、y為笛卡爾坐標系；η為水位（m）；h為靜止水深（m）；u、v分別為流速在x、y方向上的分量（m/s）；Pa為當?shù)卮髿鈮海╬a）；ρ為水密度（L/m3）；ρ0為參考水密度（L/m3）；fv和fu為地球自轉引起的加速度（m/s2）；Sxx、Sxy、Syx、Syy為輻射波應力分量（pa）；S為源匯項；Ux、Vx是源匯項水流流速（m/s）；Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平粘滯應力項（pa）。

2.1 模型構建

模型在WGS_1984_UTM_Zone_51坐標下設置網(wǎng)格，在二維條件下CFL數(shù)值控制模型的穩(wěn)定性，如式（4）。

式中：△x、△y控制網(wǎng)格的大?。╩），△t是時間步長（s），g為重力加速度（m/s2），h網(wǎng)格點所在高度（m），u、v分別為流速在x、y方向上的分量（m/s），CFL數(shù)值過大會導致模型發(fā)散。

1）邊界條件。本文共設置3個入流口，一個出流口，河道上游設置自然徑流量邊界1，濕地西側設置補水口邊界2，濕地東側設置補水口邊界3，下游綠色邊界設置為出流口，即遼河入?？诘臑┩坎糠秩鐖D2所示。

圖2 研究區(qū)邊界及補水點設置Fig.2 Study area boundary and water replenishment point settings

2）初始條件。整體模型的初始速度取為0，初始水位設定為0，降雨、蒸發(fā)、徑流采取自然條件數(shù)據(jù)。查閱《水力計算手冊》，本研究區(qū)屬于濕地沼澤，取糙率值為 0.07。模型中采用曼寧系數(shù)設置底摩擦力，在模型范圍內(nèi)設置常數(shù)值為15。

3）干濕邊界。本研究區(qū)4月完全解凍，土地表面無水深覆蓋，根據(jù)濕地實際情況，將淹水深度調(diào)整為：干水深0.005 m，淹沒深度0.02 m，濕水深0.05 m。

2.2 模型運行與水量計算

濕地生態(tài)補水模擬需長期監(jiān)測濕地的水量狀態(tài)，在監(jiān)測期間水量不足的情況應及時輸入流量，保持濕地健康持水狀態(tài)，研究區(qū)夏季蒸發(fā)量大于秋季的蒸發(fā)量，水位下降、水面減少后應及時補充，研究區(qū)6、7月降雨量與蒸發(fā)量基本持平，主要補水任務控制在春秋兩季?？紤]研究區(qū)長期開采石油，地形不規(guī)則，僅依靠邊界入流會導致水量分布不均，增設補水點1、2、3，位置如圖2。補水流量大小根據(jù)補水覆蓋面積與水位相應調(diào)整，淡水資源來源于水庫、遼河以及大凌河來水。3次春補時間在3月中旬—6月末，蘆葦春季補水應在6月30日前結束，8月中旬以后，蘆葦進入生殖生長期，需水量降低，秋季仍需補水則是為了鳥類食物提供繁殖空間。僅依靠天然來水無法維持濕地健康水量狀態(tài)，每年對濕地生態(tài)補水這一龐大的水量來源與補水方式需要著重考慮。

根據(jù)研究區(qū)多年水文資料，選用現(xiàn)狀枯水年2015年與現(xiàn)狀年豐水年2019年進行長期補水監(jiān)測模擬，并截取補水前后的長期模擬效果，如圖3、圖4中（a）～（f）依次為補水期間截取效果，顏色不同代表水位高低。

圖3 枯水年長期補水監(jiān)測效果Fig.3 Monitoring effect of long-term water replenishment in dry years

圖4 豐水年長期補水監(jiān)測效果Fig.4 Monitoring effect of long-term water replenishment in abundant years

通過濕地多年長期補水模擬得到以下結果：長期補水能夠將濕地表面覆水面積維持在85%以上，水位能夠達到20 cm以上，水位控制微地形,可顯著改善植被、裸地和水面的組成比例,從而為大量鳥類，包括眾多重點保護鳥類提供適宜的覓食棲息場所（任葳等, 2016）。根據(jù)流量時間公式計算補水量閾值：遼河口保護區(qū)內(nèi)蘆葦濕地在豐水年至少需要26.01×108～28.43×108m3的水量進行灌溉，在平水年至少需要29.64×108～33.57×108m3的水量進行灌溉，在枯水年至少需要31.45×108～35.51×108m3的水量進行灌溉，保護區(qū)西側全年補水需調(diào)水19.4×108～22.7×108m3，東側全年補水需調(diào)水8.9×108～12.8×108m3。

3 討論

保護區(qū)的濕地水深和保護區(qū)地形相關，在沒有進行生態(tài)補水的情況下，保護區(qū)水深僅依靠自然降雨遠不能滿足需求。為更好地監(jiān)測濕地補水效果，在模擬過程中濕地東側與西側分別布設編號為E1-E3、W1-W5的均勻連續(xù)隨機的監(jiān)測點，進行模擬過程水深監(jiān)測，在作為代表的8個監(jiān)測點中，自補水伊始至全年補水結束，滿足水深20 cm的檢測點從6個變?yōu)?個。東側監(jiān)測點水位變化見圖5、西側監(jiān)測點水位變化見圖6。受地形影響監(jiān)測點中個別水深差距大，在實際情況中每一處完全滿足需求難以實現(xiàn)，總體來看補水水深滿足濕地全年用水需求。

圖5 保護區(qū)東側監(jiān)測點水深變化Fig.5 Changes in water level at monitoring points on the East side of the protected area

圖6 保護區(qū)西側監(jiān)測點水深變化Fig.6 Changes in the water level at the monitoring points on the West side of the protected area

選用與模擬補水同期的土地利用面積比較如圖7，發(fā)現(xiàn)解譯的蘆葦沼澤區(qū)域（a）與模擬淹沒區(qū)域（b）擬合較好，保護區(qū)4—10月基本能夠達到85%以上的覆水面積。通過水位監(jiān)測與面積比對，說明選取的模型與設置的參數(shù)適用于保護區(qū)的實際情況，可將本模擬結果作為遼河口濕地實地補水模擬參考。

圖7 衛(wèi)星解譯結果與保護區(qū)模擬結果對比Fig.7 Comparison between satellite interpretation results and simulation results of protected areas

在三江平原三環(huán)泡濕地生態(tài)補水研究中也有類似效果（王志鵬等, 2021），這是由于保護區(qū)地形低洼處較多，水受重力作用由高向低流動，所形成的淹沒區(qū)域有深有淺，從高度與面積兩個指標來看，僅少部分地塊模擬結果與全部面積預期淹沒范圍深度不完全相符，作為珍稀水禽和沼澤植被適宜生境，保護區(qū)全部范圍覆水面積與水深完全符合要求，在實際中很難實施。

本文采用MIKE21模型，通過對遼河口濕地生態(tài)補水，安排調(diào)水路線、確定補水方案、合理配置水資源，可填補遼河口自然保護區(qū)在技術方面的空缺，補水后濕地有良好的生態(tài)效益，節(jié)約資源與成本。然而長期僅依靠人工補水，會改變濕地本身的內(nèi)在規(guī)律，遼河口濕地應建立長期檢測評價機制，在人工干預的同時以自然恢復為主，提高濕地生態(tài)系統(tǒng)水資源自然稟賦能力，維持自身穩(wěn)定健康狀態(tài)。

4 結論

構建數(shù)學模型模擬濕地實地水流演進過程，適用于大面積地物構成相似的生態(tài)系統(tǒng)，不但能滿足實際模擬需要，也能節(jié)約大量資源。本文通過綜合考慮水量來源、補水方式和補水時間，模擬豐、平、枯3種不同需水年份補水模型，計算出3種需水年份的補水量分別為：豐水年需要26.01×108～28.43×108m3的水量，平水年需要29.64×108～33.57×108m3的水量，枯水年需要31.45×108～35.51×108m3的水量。

通過濕地生態(tài)補水，保護區(qū)水位增加20 cm左右，覆水面積達到85%以上，滿足補水工程方案預計水量需求，有效緩解濕地缺水情況。通過濕地生態(tài)補水，濕地主要群落植物蘆葦生物量明顯增加。通過濕地生態(tài)補水促進蘆葦濕地的碳匯，對維持地球大氣中CO2和O2的動態(tài)平衡、減少溫室效應具有重要作用，預計補水后增加蘆葦面積3 000 m2，通過模擬可得出蘆葦濕地固碳能力達1.92～3.22 kg/m2,是全國陸地植被平均固碳能力的2.3～4.9倍，達全球植被平均固碳能力的2.7～5.9倍。在濕地動植物中，魚、蝦、蟹類作為濕地水鳥的主要食物來源，生態(tài)補水工程的實施，將有效增加濕地魚、蝦、蟹類和其他軟體動物的繁殖空間，為冬季越冬和春季回遷的鳥類提供了豐富食物來源，為各種濕地水鳥的取食繁殖創(chuàng)造了良好的生境條件，丹頂鶴（Grusjaponensis）數(shù)量相較2014年增加107只，黑嘴鷗種群持續(xù)保持在1萬只左右，濕地生態(tài)補水對提高濕地生物多樣性發(fā)揮重要作用。