基于MIKE21 的保靖竹子坪生态水利工程水动力数值模拟研究

段小兰，韩 帅，罗纯军，王晓燕

（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007）

引 言

湖南省保靖酉水国家湿地公园位于保靖县北部，范围包括碗米坡水库、碗米坡水库大坝至竹子坪的酉水河段、酉水支流花垣河、朦瞳溪及周边部分山地，为典型的“河流-库塘”复合型湿地生态系统[1]。该湿地公园大部分区域处于凤滩水库库区，凤滩水库正常蓄水位205 m，死水位173 m，根据多年运行资料统计，多年平均坝上水位193.9 m，库区消落带高达10～20 m，这种频繁、巨大的水位变化将影响湿地植被覆盖度及物种组成[2]。为保障保靖酉水国家湿地公园所需生境水深、流速及流量脉冲要求，拟新建竹子坪生态水利枢纽工程（以下简称“竹子坪水利工程”）。

拟建的保靖县竹子坪水利工程位于酉水上，控制流域面积13 477 km2，距保靖县城约8 km，上距碗米坡水电站26.5 km，下距凤滩水电站70.7 km，支流花垣河河口以上8.8 km 有双溶滩水电站，朦瞳溪河口以上4.5 km 还有三岔河水电站[3]，这些已建水工建筑物与拟建的竹子坪水利工程相互影响制约，导致工程前后水利条件均较为复杂；同时，为更好地改善和修复湿地公园水环境，在规划设计过程需预知竹子坪水利工程不同工程规模及调度方式所产生的水动力条件改善效果，从中得到最优设计方案。

针对竹子坪水利工程河段复杂的水利特性和工程设计要求，在传统水文水利计算的基础上，亟需先进的数值模拟技术为后续规划设计提供支撑。为此，利用MIKE21 软件[4]，构建竹子坪生态水利工程河段的二维水动力数学模型，分析研究工程前后水动力条件，为工程设计提出合理化建议。

1 数值模拟

1.1 MIKE21 模型简介

MIKE21 软件是丹麦水力研究所开发的平面二维非恒定流计算水动力数学模型。目前已广泛应用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及水环境，并在一些大型工程中得到快速应用发展，可为水利工程、海岸规划等提供完备、有效的设计参数[5-14]。其主要控制方程可由三维流动基本方程沿水深积分，并沿水深取平均的方法获得，包括连续方程和动量方程[15]。

1.2 基础资料

模型计算区域河段全长41.1 km，包含：酉水干流碗米坡水电站下游至竹子坪坝址下游，长27.8 km；朦瞳溪三岔河水电站下游至河口河段，长4.5 km；花垣河双溶滩水电站下游至河口河段，长8.8 km。所需资料主要为：①计算区域41.1 km 长河道及两岸1∶2 000 的地形图；②工程建筑物参数：竹子坪生态水利工程大坝及闸门尺寸，厂房等建筑物尺寸；③水文资料：碗米坡水电站、双溶滩水电站和三岔河水电站1952～2016 年逐日径流资料，工程河段历史洪水调查资料等。

1.3 边界输入

1）网络划分。本次采用三角形网络划分，坝址及敏感区域网格按最大面积不超过100 m2生成，其他区域按最大面积不超过200 m2生成。最终生成了123 072 个计算网格，65 309 个计算节点，网格最小面积为18.8 m2。

2）计算时间步长。水利计算模型采用变时间步长处理，经多次尝试，最小时间步长取0.1 s，最大时间步长取3 s。

3）糙率选取。根据现场查勘及洪水调查成果，由一维模型进行分段糙率试算，通过试算，酉水干流竹子坪坝址至朦瞳溪河口段糙率采用0.046 2，朦瞳溪河口至花垣河河口段糙率采用0.030 9，花垣河河口至押马村河段糙率采用0.039 3，押马村以上河段糙率采用0.036 8；支流糙率采用0.045；河岸以上糙率取值0.06～0.08。进一步由网格生成器生成糙率的dfsu 格式文件，根据河段位置手动将以上糙率值赋值给不同计算网格。

4）干湿边界。一般情况下，干湿边界可以选择模型默认值，但因本工程模拟河段长且水流条件复杂，选取默认值无法进行计算，经过多次尝试，最终取值干水深hdry=0.05 m，淹没水深hflood=0.1 m，湿水深hwet=0.15 m。

1.4 计算条件

模型有3 个上游入流边界和一个下游水位边界，为论证分析在正常运行工况下，竹子坪工程规模与其他相关工程的相互影响关系，上游流量边界采用多年平均流量，下游水位边界采用不同正常蓄水位方案。即：干流碗米坡电站下游采用电站发电后多年平均下泄流量Q干=292 m3/s，支流花垣河双溶滩水电站和朦瞳溪三岔河水电站均为径流式电站，对径流影响较小，直接采用天然多年平均径流，Q花=73.7 m3/s，Q朦=3.03 m3/s；下游水位边界分别采用三种正常蓄水位方案202 m、204 m、206 m 和工程前多年平均水位193.9 m 进行对比分析。

2 计算结果分析

2.1 水域分布及水深变化分析

酉水湿地公园恢复重建区内驼背和新码头等洲滩是水禽活动相对集中地段，也是多种鸟类（尤其是水鸟和候鸟）的栖息地，其中新码头村恢复重建区河段河床高程为188.1～195.0 m，河岸高程为195.0～205.0 m，台地高程为205.0～217.5 m；驼背村恢复重建区河段河床高程为198.8～199.7 m，河滩地高程为200.0～204.7 m，河岸高程为202.0～220.0 m。图1 为酉水湿地公园功能分区图。

图1 酉水湿地公园功能分区图

工程前多年平均水位工况下，模拟区域内水域面积为5.2 km2，水塘、新码村、押马村及驼背村沿岸沙洲等生态敏感区域呈裸露状；新建竹子坪工程后，随着正常蓄水位的升高，水域面积逐步向河道左右岸增长。不同正常蓄水位方案相对于工程前多年平均水位工况下新增水域的空间分布情况见图2～4。

图2 正常蓄水位202 m 方案新增水域分布图

图3 正常蓄水位204 m 方案新增水域分布图

图4 正常蓄水位206 m 方案新增水域分布图

202 m 正常蓄水位方案水域面积增加了31.5%，可淹没新码头村河段的河床，形成较稳定的水面，但两岸尚有2～3 m 左右的裸露岸坡，台地与水面的高差为2～3 m，河段亲水环境一般；驼背村河段的河床和部分河滩地得到淹没，形成较稳定的水面，河滩地地与水面的高差为0～2.7 m。

204 m 正常蓄水位方案水域面积增加了42.3%，可淹没新码头村河段的河床和大部分裸露河岸，形成稳定的水面，河段基本无裸露岸坡，台地与水面的高差为0.5～1 m，河段亲水环境比较好；可淹没驼背村河段的河床和大部分河滩地，形成稳定的水面，河滩地地与水面的高差为0～0.7 m。

206 m 正常蓄水位方案水域面积增加了53.5%。可淹没新码头村河段的河床和河岸，形成稳定的水面，但会淹没部分台地；可淹没驼背村河段的河床和全河滩地，形成稳定的水面。

不同正常蓄水位方案水域面积比较见表1。

对比三种方案，204 m 正常蓄水位方案和206 m 正常蓄水位方案均能形成较稳定水面且亲水环境友好，正常蓄水位204 m 方案较正常蓄水位202 m 方案，增加水域面积0.6 km2，移民占地投资仅增加26 万元；正常蓄水位206 m 方案较正常蓄水位204 m 方案，增加水域面积0.6 km2，移民占地投资增加1 539 万元。

表1 不同正常蓄水位方案水域面积比较

2.2 流速分布变化分析

2.2.1 主河槽流速变化

受凤滩水库及河底坡降影响，工程前多年平均水位工况下，下游河段（花垣河汇入口以下）流速较低，流速在0.2～0.4 m/s 左右，酉水干流新码头村以上河段及花垣河新庄村以上河段的流速比下游大，流速在1.2～1.7 m/s 间，其中生态敏感区域（水塘、新码村、押马村及驼背村等）无水流运动。图5 为工程前多年平均水位工况下流速分布图。

图5 工程前多年平均水位工况下流速分布图

兴建竹子坪工程后，不同正常蓄水位方案下流速变化趋势一致，主河槽内流速降低且上游比下游降低幅度更大，两岸流速略微增加。酉水干流新码头村以上河段呈现三个流速减小幅度高峰区，分别为押马村靠近新桥村段、押马村上江心洲段和驼背村段；支流花垣河上游也呈现流速减小幅度高峰区。其中206 m 正常蓄水位方案同量级流速减少范围对应的减速面积最大，204 m 正常蓄水位方案次之。

工程兴建后典型区域流速变化统计见表2。

2.2.2 近岸区流速变化

在研究区域内近岸区选取13 个特征点进行流速变化分析。202 m 方案下，部分采样点区域流速依然得不到改善；204 m 方案下和206 m 方案下新增水域内均有水流流动，流速在0.009～0.35 m/s 间，这种缓慢的流速，有利于岸坡稳定和水生植物的繁殖。

近岸区采样点流速统计见表3。

由以上分析可知，204 m 方案和206 m 方案均能改善近岸区内水动力条件；三种正常蓄水位方案下，酉水干流上游和花垣河上游河段主河槽流速降低，206 m 方案减速区范围最大，204 m 次之，202 m 最小。因而，从河势稳定和湿地植被修复来说，204 m 方案更优。

表2 工程新建后典型区域流速变化统计表

表3 近岸区采样点流速统计表

3 结 论

竹子坪生态工程所在河段水库梯级较多且为湿地公园保护区，水动力条件复杂。基于MIKE21 软件构建的二维水动力模型，采用非结构化三角网络划分，并根据现场查勘及洪水调查成果，率定模型糙率，能较好的反映河段实际情况。

根据模型计算结果，兴建竹子坪生态水利工程后，能有效改善工程以上河段河床滩地裸露、沿程水位消落幅度大的问题；202 m、204 m 和206 m 不同正常蓄水位方案下，研究范围内水域面积增加31.5%～53.5%，生态敏感区域水动力条件均得到改善，其中204 m 方案，新增水域流速0.009～0.35 m/s，上游主河槽减速区范围处于202 m 和206 m 间，且移民占地投资最优，从湿地公园水生态修复效果方面考虑，建议竹子坪生态工程正常蓄水位取204 m。

同时，工程兴建后，主河槽内流速的变化将引起河道内输沙规律的变化，酉水干流及花垣河上游流速降低，泥沙将逐步淤积在河段内，进一步引起河势的调整变化；且竹子坪工程为凤滩水库的库中库，常年淤积将侵占兴利或防洪库容。建议在后续工程设计中，妥善考虑流速变化对河势及库容等方面造成的影响。