洱海弥苴河河口湿地流场模拟及治理措施

李郑淼，马 强

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222；2.中国水利水电科学研究院，北京100038）

洱海弥苴河河口湿地整治是洱海保护治理与流域生态建设的一项重要内容。 该河口湿地为人工湿地， 适合于面源污染控制、可储蓄洪水和暴雨等地表径流、为野生动物提供栖息地，且具有一定的景观功能。 目前因该湿地内水动力条件较差，影响了处理后的水质效果，湿地系统运行状况未能达到预期，亟待进行改造治理。 由于弥苴河河口湿地面积较大，地形复杂多变，传统方法难以判断湿地内部流场状态及“死水”区情况，故采用了MIKE21二维模型，全面系统地对弥苴河河口湿地整治前后流场变化进行了模拟分析，客观科学地提出了相应治理措施，为后续工程设计及实施提供了可靠的数据支撑。

1 洱海弥苴河河口湿地整治的必要性

洱海流域位于澜沧江、 金沙江和元江三大水系分水岭地带， 属澜沧江湄公河水系， 流域面积2565km2。 洱海地处云南省大理白族自治州境内，是云南省第二大高原淡水湖。多年来，由于区域经济实力的增强和人口的增加，加之过度开发利用，洱海生态环境受到严重影响，环境质量和功能不断下降。虽经多方治理，取得了一定成效，但洱海水质污染趋势尚未得到根本遏制，生态环境仍面临严峻考验。

在洱海汇入水量中，来自洱海北边河流的入湖水量约占洱海年补给水量的70 %，主要由弥苴河、罗时江、永安江和西闸河等组成，其中弥苴河是最大的汇入河流。另外，洱海北部湖区为自然保护核心区，生态敏感性极高，是洱海鸟类迁徙栖息的重要区域。因此，弥苴河口湿地对洱海水体净化具有十分重要的作用。

弥苴河河口湿地主要针对弥苴河及有关农灌沟渠汇入洱海的水体进行处理，进而保护洱海水质。 目前，由于其大部分湿地塘体与农灌沟渠连接，而农灌沟渠在非汛期水量较少，加之湿地塘体规模过大，导致非汛期水量不足，湿地内水动力条件较差，影响了处理后的水质效果，也使湿地系统运行未能达到预期状况。 因此，尽快实施弥苴河口湿地治理改造十分必要。

2 弥苴河河口湿地流场模拟方法

由于弥苴河河口湿地面积较大，地形复杂多变，传统分析方法难以判断湿地内部流场状态及死水区情况。 本次采用MIKE21二维模型对弥苴河河口湿地流场进行数值模拟分析， 基于模型可全面分析湿地建设前后流场中水位、水深、流速、流量等水力要素值的变化。

MIKE21模型是丹麦水力学研究所开发的系列水动力学模拟软件之一，可用来模拟河流、湖泊、水库、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境。其在对二维非恒定流进行模拟的同时，也兼顾水下地形、密度变化的影响。 MIKE21模型包含水动力、 对流扩散、水质等模块，其中水动力学模块（HD模块） 是其最核心的基础模块， 可模拟因各种作用力而产生的水位和水流变化及任何忽略分层的二维自由表面流。水动力模型的主要控制方程基于三向不可压缩和Reynolds 值 均 布 的Navier-Stokes 方 程， 并 服 从 于Boussinesq 假定和静水压力的假定。

二维非恒定流数学模型主要依据动量守恒和能量守恒原理，其基本方法是求解圣维南方程组。

描述二维非恒定流运动规律的圣维南偏微分方程组形式为：

动量方程中：（a）为加速度项；（b）为X方向惯性项；（c）为Y方向惯性项；（d）为水面坡降项；（e）为阻力项。

该模型对上述方程求解采用的是显格式有限差分方法。当确定了初始条件及边界条件，将计算域细划为一系列网格，即可逐单元逐时段（时段长度与划定的网格长度有关）求解方程组，求得每一网格的水位、水深、流速、流量等水力要素值。

在流场模拟计算过程中， 弥苴河河口湿地模拟区范围为上起环海路，下至湿地入洱海口，总面积约0.9108 hm2。 计算采用正方形网格，网格为1m2，网格总数为7220个；糙率值按地形、地貌条件和地面特点，并参照以往模拟计算的经验选取。计算单元为湿地内部过水通道时，综合糙率为32m1/3/s （谢才系数Strickler coefficient）。 主要边界条件有：（1）闭边界为河口湿地与环海西路及弥苴河河道相联接的边界面；（2）开边界为进水口处其相应的流量为Q=1m3/s；（3）湿地地形根据现有测量资料的实际地形高程差值设定；（4）初始条件为整体模型的初始速度取0，初始水位设定为0.002m。

实际计算中， 先利用GIS软件对野外测量数据进行矢量化处理，再输入MIKE21模型计算。 GIS软件处理主要基于测量点数据，利用Inverse Distance Weight（IDW）方法进行差值得到模拟目标的基本地形条件，在得到现状地形条件数据后，运用模型先对湿地现状流场进行模拟，然后根据模拟结果，经分析提出改造治理措施，如添加挡水坝等，最后再利用模型进行改造后的流场模拟。 通过对湿地改造前后情况对比，验证改造方案的可行性，及时调整改造治理方案。

3 弥苴河河口湿地主要治理措施

根据模型模拟结果，弥苴河河口湿地主要存在进出水不畅，各个塘连接处高程过高，影响水体连通；水力停留时间过长，局部存在死水区，易发生水体黑臭等问题。 针对这些问题，主要采取以下治理措施：

（1）拟在弥苴河河口建设挡水坝并配有节制闸，同时对湿地原有地形进行整治，疏通塘体连通路径。这样，非汛期可将河道水位抬高2m，汛期不拦蓄，自流入湖。 改造后人工湿地入口水位将抬高1～2m，湿地进水条件大大改善，塘体内将形成主要水流通道，促进水体流动，缩短水力停留时间。模型模拟结果显示，改造后的湿地消除了大部分原来的“死水”区域，流速分布较为均匀。增加挡水坝后，进入湿地水量增加，避免水流通过河道直接流入洱海。水体入湿地后由西向北扩散， 大部分区域水体能够进行良好的循环，增大水体复氧能力，对水质改善效果明显。

（2）对改造后湿地塘体内依然存在的少部分“死水”区域，采取设置曝气复氧装置来增大水层、水域之间的交换循环与自净能力， 提高水体中溶解氧的水平。曝气复氧装置可降低死水区中的污染物浓度，有效改善水质，进一步提升湿地生态修复效率。

（3）在湿地沿岸充分利用现状地形、保留现状树木，营造动植物生境。与周边生态工程建设和周边地形相结合，种植各种功能不同的植物，包括不同水深补种抗污、纳污、转化污染物质的水生植物，在岸坡种植根系发达的植物，以达到湿地净化水质、生物保护、固岸护坡的功能。

4 结语

（1）利用MIKE21模型对湿地建设各个阶段进行多次模拟， 能同时从时间和空间角度得到湿地流场演进过程， 不仅解决了传统方法难以判断湿地内部流场状态及“死水”区情况等问题，而且可以更精确、合理地指导湿地高程和规模调整， 进而为湿地工程设计与建设提供决策依据。

（2）由于水深变化对湿地植物的地上形态、根系生长和繁殖等都会产生影响，因此，模型模拟结果还可为植物种植提供不同位置的水深数据， 有效指导湿地植物的种植和选种。