数值模拟在岩溶湿地需水量计算中的应用

吴沛霖,潘 越,吴卫熊,梁学文

(1.广西壮族自治区水利科学研究院,南宁 530023; 2.广西水工程材料与结构重点实验室,南宁 530023)

0 引 言

湿地被称为“地球之肾”,具有调节小气候、改善水质、削减洪峰等多种生态价值。水决定了湿地生态系统的脆弱性和易变性,是维系湿地生态系统稳定和健康的决定性因子。广西大部分岩溶湿地位于西南生态环境脆弱区,受到人类活动、气候变化等影响,天然区域急剧萎缩、水质恶化,功能严重受损,急需进行生态保护[1]。进行湿地的需水量研究,定量分析湿地是否需要补水,有利于保障湿地水文情势,为湿地生态修复奠定基础。目前,众多学者对湿地需水量及补水方案进行了研究,其中,赵璀[2]结合湿地生态系统特征,确定湿地生态需水量类型,通过水文站实测数据,分析湿地是否需要补水;张爱民[3]通过生态定额和遥感分析,确定湿地生态环境植被需水量;公雪婷[4]在水系连通的情况下,结合不同保证率的降水条件,计算湿地不同情况的需水量并进行补水。

会仙湿地是我国目前已知中低纬、低海拔岩溶地区规模最大的天然湿地,是我国乃至世界上热带、亚热带岩溶峰林地貌中最具研究价值的典型湿地。其自然景观和生态环境优美,地质构造和生态结构独特,在生态建设中的地位和作用是不可替代的。近年来,会仙湿地大部分水域被建成鱼塘及耕地,自然状况下的水系所剩无几,水体富营养化较为严重,湿地水文系统发生颠覆性变化,严重影响了会仙湿地生态系统的稳定性与完整性,生态修复迫在眉睫。

本文选取会仙岩溶湿地作为研究对象,结合湿地自身情况及功能定位,研究湿地生态需水量及环境需水量。通过Mike21数值模型,模拟多年平均水位条件下湿地需水量,分析湿地是否需要补水,并合理确定补水方案。为湿地水资源调控、生态修复提供科学依据,同时为政府部门的工程措施建设指明方向。

1 研究区概况

会仙岩溶湿地位于桂林市临桂区会仙镇,地跨110°08′38″E—110°16′57″E,25°05′08″N—25°08′34″N,属亚热带季风气候,水汽丰沛,雨季为5—7月份,旱季为10—3月份。湿地主要补给来源是降雨和地下水。本次研究区为广西桂林会仙喀斯特国家湿地公园(包含睦洞湖及周边区域),总面积约5.99 km2。研究区主要地表水系有古桂柳运河、良丰河、会仙河、睦洞河、督龙塘、睦洞湖等(图1)。

(1)古桂柳运河:横穿会仙湿地内部,东西分别连接会仙河与良丰河。流域面积36.4 km2,河长14.6 km,沟通漓江水系和柳江水系,河流方向因分水岭的移动于年内存在往复。

(2)会仙河:源头为临桂区六塘镇,流经小江水库、大陂口水库汇入相思江,流域面积118 km2,河长28.0 km,平均坡降2.50‰,多年平均流量10.8 m3/s,枯水期流量较小,下游河水基本干枯。古桂柳运河在于里程23.50 km处汇入。

(3)相思江:全长445 km,流域面积574.6 km2,多年平均流量17.8 m3/s,枯水期最小流量约0.5 m3/s。会仙河为相思江一级支流。

(4)良丰河(奇峰河):源头为临桂区南边山镇,流经大江水库,自南向北注入桂江,流域面积为539 km2,河长为67.0 km,平均坡降为1.04‰,年平均流量为16.4 m3/s,枯水期最小流量不足1 m3/s。古桂柳运河于里程33.30 km处汇入。

(5)睦洞河:源头为睦洞湖,流经凤凰山北部、九头山南部向西注入相思江。睦洞河流域面积23.14 km2,河长4.38 km,平均坡降1.39‰。枯水季节流量一般在10～30 L/s,洪峰流量可达10～30 m3/s,在某些年份的特枯月(1—2月份)存在断流情况。

2 材料与方法

2.1 数 据

(1)1号点2018年9月—2020年12月日水位数据由课题组团队测量获取。

(2)2—7号点2020年10月—2021年10月水深、化学需氧量(COD)、总磷(TP)、总氮(TN)数据由课题组团队测量获取。

(3)良丰站1990—2020年水位、降雨数据来自自治区水文中心。

(4)会仙湿地周围河流河长、流域面积、坡降、多年平均流量、污染物情况来自自治区水利厅。

(5)基础概化地形为地理空间数据云(gs.cloud.com)下载的30 m数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)。

2.2 方 法

采用Mike模型进行湿地地表水模拟。

2.2.1 模型原理

Mike系列是丹麦DHI公司发布的主要商业软件,Mike21主要用于河渠、行蓄洪区、浅水湖泊、近海等的水流、水质、泥沙的二维模拟,符合研究区水量和水深的计算需求,故依托其构建湿地地表水模型。水动力模块基本方程如下:

(1)

husS;

(2)

husS。

(3)

2.2.2 模型概化

(1)概化情况:根据拉姆萨尔公约,湿地被定义为短暂或暂时性的水域地带,故将整个研究区概化为可淹没区域。

(2)工况分析:枯水期湿地水面急剧萎缩,生态系统十分脆弱,是湿地生态修复中应注意到的水期。但由前文可知,枯水期内研究区各地表河流流量均不足2 m3/s,无法对湿地补水,故可在水量较多的情况下补水,再通过修建闸、拦水坝等方式蓄水,以缓解枯水期湿地水面率不足的问题,因篇幅问题本文不多做讨论。多年平均水位表征了湿地的平均状态,是一个较稳定的水文特征,故将工况设置为湿地多年平均水位,分析湿地普通状态下的需水量及补水方案。

(3)需水量模拟:步长3 600 s。输出研究区内各区域水位及水深。

(4)补水方案模拟:步长3 600 s。输出研究区内各区域水位、水深。

(5)水位分析:课题组在会仙湿地内部设置7个水位监测点,其中1号水位点最早从2018年9月开始观测,其他水位点从2020年10月开始观测。计算会仙湿地多年平均水位,需移用其他水文站观测成果。良丰站位于研究区东边10 km,下垫面与研究区相似,且与研究区存在水力联系。对比2019年良丰站水位与湿地内部1号点[5]水位,可以看出两者水位峰值出现时间相同、变化趋势基本一致(图2),对两者进行线性回归分析,当回归方程为y=0.871 3x+25.832时,拟合系数R2为0.791 4(图3),表明线性相关性强。而相关研究资料表明会仙湿地内部各点水力联系较强[6],初步认定良丰站水位基本能反应会仙湿地水位变化情况。

图2 2019年湿地内部1号点水位与良丰站水位对比Fig.2 Comparison between water level of No. 1 point in the wetland and water level of Liangfeng Station in 2019

本次收集了良丰站1991—2020年的月平均水位,计算得良丰站多年月平均水位为141.20 m。通过相关方程(图3),得出对应会仙湿地内部(1号点)多年月平均水位为148.86 m。

(6)地下水概化:会仙湿地为岩溶湿地,地表、地下水水力联系紧密,但地下水运行情况复杂,难以探明。而会仙湿地区域地下水主要来源于大气降雨,故通过大气降雨与地下水的相关方程计算地下水量。

2.2.3 模型参数

模拟时,蒸发通过相关研究[7]并对比会仙站对应数据,设置为2.38 mm/d;糙率根据会仙湿地2020年遥感影像解译结果并查找对应下垫面糙率参数[8]进行设置;通过相关研究[9],将地下水设置为1.52 mm/d。对比湿地多年平均水位与观测的月平均水位,10月份时水位基本对应月平均水位,故采用2020年10月24日2—7号点(分布见图1)实测水位与模拟水位对比进行模型参数率定;采用2个月后的2020年12月19日2—7号点(分布见图1)实测水位进行验证,情况见表1。

表1 模型计算与实测水深对比Table 1 Comparison of water depth between model calculation and measured values

率定时,除2、3号点外,其他点的水深误差均不超过5%,误差较小;验证时误差稍微增大,但误差最大的2号点水深差不超过15%。水深误差的产生是因为建模所用地形是30 m DEM,概化地形与实际地形存在差距,2、3号点差距较大,其他点差距小,但最大误差仍在可控范围内,故认为参数基本能反应实际情况。根据率定与验证,糙率采用小曼宁数n,将草田设置为0.07,水域设置为0.02,沼泽设置为0.04,住宅设置为1,其他模型参数均采用Mike21模型默认值。

3 需水量分析

会仙喀斯特国家湿地公园具有较高的生态价值,至少应具备以下2种功能:

(1)满足野生动植物栖息要求。

(2)受人类干扰的区域,应具备稀释和净化污染物的功能。

对应的需水量包括:

(1)生态需水量,指湿地生态系统达到自然平衡状态时的水量。

(2)环境需水量,指改善所在环境水质、维持环境景观功能的需水量。

故确定会仙湿地需水量包括生态需水量和环境需水量,总体需水量为两者最大值。

3.1 生态需水量

湿地生态需水量的计算应基于物种的多样性原则,识别对生态起决定性作用的生物物种,确定在不同水文条件下都保存水的湿地核心区,明确湿地植物存在的适宜水深及水面面积比例等[10]。

会仙湿地的优势植物为华克拉莎(Cladium chinense)、苦草(Vallisneria)、美人蕉(Cazma indica)、芦苇(Phragmites australis)[11],鱼类优势种为四大家鱼[1]。综合李桂荣等[1-2,12-14]研究,确定会仙湿地植物生长所需水深为0.1～1.2 m,水面面积比为20%～55%,鱼类繁殖所需水深为0.2～3.0 m。会仙湿地的生态需水量,即保持上述优势物种生存的适宜水深及水面面积比例所对应的水量。

采用Mike21模型,计算会仙湿地在多年平均水位条件下的水深分布情况及水面面积比,若大多数水深适宜优势植物生长,水面面积比适宜,则表明目前情况下水量可使湿地内部生态系统达到平衡,会仙湿地多年平均水位对应水量即湿地生态需水量;若水深和水面面积不达标,则需要进行外部补水,补水水量与多年平均水量之和为会仙湿地生态需水量。

模拟结果显示(图4),水域集中于会仙七星码头、毛家码头、老陡门附近,其他区域零星分布,且多为人工水域。其中,水深为0～0.1 m的区域面积为0.05 km2,占比0.78%;水深为0.1～3.0 m的区域面积为1.14 km2,占比19.04%;水深>3 m的区域面积为0.42 km2,占比6.93%;其余区域无水面覆盖。计算结果表明多年月平均水位条件下,水面面积为26.75%,水量基本可以满足动植物繁殖需求,此时对应的水量即会仙湿地生态需水量,为386.51万 m3。

图4 会仙湿地平水年水域分布模拟Fig.4 Simulation of water distribution in normal water year in Huixian wetland

3.2 环境需水量

3.2.1 会仙湿地环境需水量定义

环境需水量指改善所在环境水质、维持环境景观功能的需水量[15]。广西桂林会仙喀斯特国家湿地公园是国家AAA级景区,根据其水环境功能,要求达到Ⅳ类水质,但由于码头附近聚居较多村民,生活污水、作物肥料、鱼类饲料通常直排水体,水质污染较为严重。参照杨志峰等[15]研究结果,环境需水量为稀释污染物所需水量,即,若会仙湿地内部水已达到Ⅳ类水质标准,表明环境需水量为0;若会仙湿地内部水质未达到Ⅳ类水质标准,环境需水量为将水质改善至Ⅳ类水所对应的水量。

3.2.2 环境需水量及补水路径分析

研究区主要污染物为COD和TP。毛家码头、七星码头等居民活动频繁的区域水体污染程度较高,COD年内含量均值41.67 mg/L,TP年内含量均值0.68 mg/L。远离码头水质转好,睦洞湖区域COD年内含量均值27.1 mg/L,TP年内含量均值0.1 mg/L。根据地表水质量标准,Ⅳ类水体COD限值为最高30 mg/L,TP限值为最高0.3 mg/L。表明会仙湿地部分水质仍不符合标准,需要进行外部补水。

会仙湿地地表水系中,会仙河、良丰河(奇峰河)多年平均流量较大,将作为会仙湿地补水水源,经由古桂柳运河对湿地补水。对应补水点分别是会仙河-古桂柳运河补水点、良丰河—古桂柳运河补水点(图1)。污染最严重的毛家码头位于湿地南部,距会仙河较近,拟从相思江往会仙河补水。会仙河与古桂柳运河汇河处TP平均含量为0.1 mg/L,COD平均含量为20.8 mg/L。

3.2.3 补水模型概化

采用Mike21的TR模块进行污染物稀释模拟。研究区初始污染物浓度设置为睦洞湖对应水质的COD和TP测量值分别为 27.1、0.1 mg/L。在毛家码头、七星码头和会仙河—古桂柳运河补水点分别设置3个源/汇项:毛家码头、七星码头的COD、TP分别设置为41.67、0.68 mg/L;会仙河—古桂柳运河补水点COD、TP设置为20.8 mg/L 和0.1 mg/L。设置补水流量5 m3/s,补水10 d。

通过模型分析计算,补水至第8天12时COD和TP浓度已降至Ⅳ类水质标准,此时水域分布情况见图5。其中,水深为0～0.1 m的区域面积为0.06 km2,占比0.99%;水深为0.1～3.0 m的区域面积为1.43 km2,占比23.80%;水深>3 m的区域面积为0.95 km2,占比16.06%,相加可得多年月平均水位条件下水面面积占比40.96%。表明会仙湿地在多年平均水位下,仍可能容纳367.20万m3的水量,且补水后仍处于正常水面率阈值中,说明在理想条件下,污染物稀释补水方案有效。

图5 会仙湿地补水结果模拟Fig.5 Simulation of water replenishment results in Huixian wetland

4 结 论

(1)多年平均水位条件下,会仙湿地生态需水量约为386.51万m3,环境需水量约为367.20万m3,总体需水量为386.51万m3。

(2)在多年平均水位条件下,湿地内部水面率为26.8%,水量基本能满足动植物栖息需求。

(3)会仙湿地人类活动明显,将部分自然区域用于养鱼及种植,导致靠近码头处水域受污染严重,现有水域无法满足改善所在环境水质、维持环境景观的功能,需进行外部补水。

(4)相思江、良丰河可以作为会仙湿地的补水水源。睦洞河、古桂柳运河及其他小沟渠可作为水源运输通道。为稀释湿地污染物,考虑从相思江往会仙河补水,补水量约为367.20万m3。

(5)理想条件下,补水后湿地水面积可达40.96%,新增区域多为天然水系,有利于动植物的生长繁衍。