基于二维水动力模型的辽河口湿地生态补水模拟

秦丽佳 高真伟 谢云

（沈阳农业大学水利学院，辽宁 沈阳 110866）

湿地是指分布在水体与陆地生态系统之间的自然生态系统，具有重要的生态服务价值。目前我国湿地保护面临着面积减少、功能减退、气候与人为活动造成的湿地水文状况恶化等问题（张锐,2009）。湿地退化影响着我国经济社会的可持续发展，恢复和保证湿地健康迫在眉睫。保护湿地应当充分考虑水资源禀赋条件和承载能力，合理配置水资源，保障湿地基本生态用水需求，维护湿地生态功能（马梓文等, 2022）。近年来，随着湿地保护法的出台，湿地保护意识普遍提高，我国多个湿地保护项目相继启动，上秦淮生态湿地由于人类活动导致部分水系环境恶化，采用水系连通、改造堤坝与水系流通性设计，改善水体的水动力条件，增加内河水体的流速，制定科学合理的水资源配置方案，满足湿地公园的生态用水（杨永森等, 2015）。黄河三角洲湿地通过生态补水与植被恢复，取得了良好成效，基于湿地生态现状与问题，开展新阶段黄河三角洲“一体两翼”湿地保护管理科技支撑总体思路（张少华等, 2022）。白洋淀湿地基于适宜水位，从补水量和补水时间探讨补水方案（刘越等, 2010）。三环泡湿地采用MIKE21模拟补水过程，分析补水效果确定补水方案（王志鹏等, 2021）。根据诸多案例可知，生态补水已成为保障湿地生态环境的不可或缺手段，生态补水策略必须结合湿地自然补给水源状况、水情变化规律和流域自然地理特征（郭子良等, 2019），科学合理的生态补给期和补给流量对水环境的改善效果非常重要，生态补水研究已成为一个焦点和热点话题（Zhang Xet al., 2022），但在湿地保护管理方面如何配置水资源涉及较少。本文在保护湿地的基础上，提出实际可行的补水方案，合理配置水资源，为湿地保护和修复提供理论和技术支持。

1 研究区概况与数据处理

1.1 研究区概况

盘锦辽河口省级自然保护区位于辽宁省辽东湾北部盘锦市境内的辽河入海口处（图1），是目前世界上保存最好、面积最大、植被类型最完整的河口生态区域之一，芦苇（Phragmites australis）沼泽是保护区内主要的湿地类型。湿地资源极为丰富，在维系区域生态安全及维护生物多样性方面具有至关重要的作用。辽河口湿地所在境内拥有大小河流21条，多数处于干枯断流、上游截流的状态，湿地水源的自然补给困难（王立中, 2017），辽河口湿地作为黑嘴鸥（Chroicocephalus saundersi）繁殖地，每年3月中旬逐渐迎来迁徙的黑嘴鸥，4月下旬黑嘴鸥进入繁殖期，6月中旬出雏达到高峰，到7月中旬繁殖结束，10月底黑嘴鸥迁离盘锦，时间跨度7个月之久，与停歇地和越冬地相比较，盘锦是黑嘴鸥居留时间最长的地方。

图1 辽河口区域图Fig.1 Map of the Liaohe estuary area

1.2 补水方案设计

目前，大凌河、辽河以及周边稻田、城镇回归水等不到3×108m3，因为辽河口保护区缺水，苇田面积减少，降低芦苇生长密度和高度，芦苇质量下降，对芦苇湿地的生态服务功能产生严重威胁（裴艳,2013），为确保湿地面积不减少和生态功能不萎缩，不影响湿地动植物的栖息生存，辽河口保护区内芦苇湿地需要大量补水，并维持水位在20 cm以上。

保护区被辽河分为东西两个区域，本文拟将辽河上游河道截面作为河道径流入口，在湿地东侧拟用辽河上游来水，西侧靠近大凌河处设置补水口，湿地东西侧补水口均设置在地势较高，能满足地表漫流的高度，保护区下游与渤海衔接的滩涂设置为出流口，西部调水通过泵站（红旗站、南井子站和三义站）提水至干渠，依次至各支渠，最后至补水区域。东部调水通过泵站（双兴站）提水至干渠，依次至各支渠，最后至补水区域。考虑保护区面积辽阔，地形不平坦，仅依靠补水口覆盖整个湿地并不现实，因此，根据保护区内湿地补水模拟情况，设置二级补水点。

1.3 数据处理

根据方案设计，本研究主要采用现状年2015—2020年水文与遥感数据，输入模型作为自然条件,辽河上游来水沿河道直接入海，不流入补水区域，仅作为补水来源，后续依据泵站抽水及径流实际情况进行计算，数据类型及来源见表1。通过ENVI和Arc Map对辽河口地区的Landsat-8影像处理与分析，处理后得到满足精度要求可进行监督分类的影像，能够计算出辽河口湿地五类重要地物的面积，便于进行研究区补水位置划分。通过在地理空间数据云下载云量小于5%的ASTER GDEM 30M 分辨率数字高程数据获得地形数据，能够满足模型精度需求，通过Global Mapper批量提取有效高程，用作模型地形的网格化处理。

表1 数据类型及来源Table 1 Data types and sources

2 二维水动力模型构建

本文采用丹麦水力研究所开发的平面二维水动力模型MIKE21进行建模，MIKE 21工程包中的水动力学模块可以模拟由于各种作用力的作用面产生的水位及水流变化，它用静水压力假设和Boussinesq假设在数值上求解斯托克斯方程（Lai Y et al., 2022），可用于任何忽略分层的二维自由表面流的模拟，能够大幅度减少计算时间。

二维非恒定浅水方程组为：

连续性方程：

x方向动量方程：

y方向动量方程：

式中：t为时间（s）；x、y为笛卡尔坐标系；η为水位（m）；h为静止水深（m）；u、v分别为流速在x、y方向上的分量（m/s）；Pa为当地大气压（pa）；ρ为水密度（L/m3）；ρ0为参考水密度（L/m3）；fv和fu为地球自转引起的加速度（m/s2）；Sxx、Sxy、Syx、Syy为辐射波应力分量（pa）；S为源汇项；Ux、Vx是源汇项水流流速（m/s）；Txx、Txy、Tyx、Tyy为水平粘滞应力项（pa）。

2.1 模型构建

模型在WGS_1984_UTM_Zone_51坐标下设置网格，在二维条件下CFL数值控制模型的稳定性，如式（4）。

式中：△x、△y控制网格的大小（m），△t是时间步长（s），g为重力加速度（m/s2），h网格点所在高度（m），u、v分别为流速在x、y方向上的分量（m/s），CFL数值过大会导致模型发散。

1）边界条件。本文共设置3个入流口，一个出流口，河道上游设置自然径流量边界1，湿地西侧设置补水口边界2，湿地东侧设置补水口边界3，下游绿色边界设置为出流口，即辽河入海口的滩涂部分如图2所示。

图2 研究区边界及补水点设置Fig.2 Study area boundary and water replenishment point settings

2）初始条件。整体模型的初始速度取为0，初始水位设定为0，降雨、蒸发、径流采取自然条件数据。查阅《水力计算手册》，本研究区属于湿地沼泽，取糙率值为 0.07。模型中采用曼宁系数设置底摩擦力，在模型范围内设置常数值为15。

3）干湿边界。本研究区4月完全解冻，土地表面无水深覆盖，根据湿地实际情况，将淹水深度调整为：干水深0.005 m，淹没深度0.02 m，湿水深0.05 m。

2.2 模型运行与水量计算

湿地生态补水模拟需长期监测湿地的水量状态，在监测期间水量不足的情况应及时输入流量，保持湿地健康持水状态，研究区夏季蒸发量大于秋季的蒸发量，水位下降、水面减少后应及时补充，研究区6、7月降雨量与蒸发量基本持平，主要补水任务控制在春秋两季。考虑研究区长期开采石油，地形不规则，仅依靠边界入流会导致水量分布不均，增设补水点1、2、3，位置如图2。补水流量大小根据补水覆盖面积与水位相应调整，淡水资源来源于水库、辽河以及大凌河来水。3次春补时间在3月中旬—6月末，芦苇春季补水应在6月30日前结束，8月中旬以后，芦苇进入生殖生长期，需水量降低，秋季仍需补水则是为了鸟类食物提供繁殖空间。仅依靠天然来水无法维持湿地健康水量状态，每年对湿地生态补水这一庞大的水量来源与补水方式需要着重考虑。

根据研究区多年水文资料，选用现状枯水年2015年与现状年丰水年2019年进行长期补水监测模拟，并截取补水前后的长期模拟效果，如图3、图4中（a）～（f）依次为补水期间截取效果，颜色不同代表水位高低。

图3 枯水年长期补水监测效果Fig.3 Monitoring effect of long-term water replenishment in dry years

图4 丰水年长期补水监测效果Fig.4 Monitoring effect of long-term water replenishment in abundant years

通过湿地多年长期补水模拟得到以下结果：长期补水能够将湿地表面覆水面积维持在85%以上，水位能够达到20 cm以上，水位控制微地形,可显著改善植被、裸地和水面的组成比例,从而为大量鸟类，包括众多重点保护鸟类提供适宜的觅食栖息场所（任葳等, 2016）。根据流量时间公式计算补水量阈值：辽河口保护区内芦苇湿地在丰水年至少需要26.01×108～28.43×108m3的水量进行灌溉，在平水年至少需要29.64×108～33.57×108m3的水量进行灌溉，在枯水年至少需要31.45×108～35.51×108m3的水量进行灌溉，保护区西侧全年补水需调水19.4×108～22.7×108m3，东侧全年补水需调水8.9×108～12.8×108m3。

3 讨论

保护区的湿地水深和保护区地形相关，在没有进行生态补水的情况下，保护区水深仅依靠自然降雨远不能满足需求。为更好地监测湿地补水效果，在模拟过程中湿地东侧与西侧分别布设编号为E1-E3、W1-W5的均匀连续随机的监测点，进行模拟过程水深监测，在作为代表的8个监测点中，自补水伊始至全年补水结束，满足水深20 cm的检测点从6个变为8个。东侧监测点水位变化见图5、西侧监测点水位变化见图6。受地形影响监测点中个别水深差距大，在实际情况中每一处完全满足需求难以实现，总体来看补水水深满足湿地全年用水需求。

图5 保护区东侧监测点水深变化Fig.5 Changes in water level at monitoring points on the East side of the protected area

图6 保护区西侧监测点水深变化Fig.6 Changes in the water level at the monitoring points on the West side of the protected area

选用与模拟补水同期的土地利用面积比较如图7，发现解译的芦苇沼泽区域（a）与模拟淹没区域（b）拟合较好，保护区4—10月基本能够达到85%以上的覆水面积。通过水位监测与面积比对，说明选取的模型与设置的参数适用于保护区的实际情况，可将本模拟结果作为辽河口湿地实地补水模拟参考。

图7 卫星解译结果与保护区模拟结果对比Fig.7 Comparison between satellite interpretation results and simulation results of protected areas

在三江平原三环泡湿地生态补水研究中也有类似效果（王志鹏等, 2021），这是由于保护区地形低洼处较多，水受重力作用由高向低流动，所形成的淹没区域有深有浅，从高度与面积两个指标来看，仅少部分地块模拟结果与全部面积预期淹没范围深度不完全相符，作为珍稀水禽和沼泽植被适宜生境，保护区全部范围覆水面积与水深完全符合要求，在实际中很难实施。

本文采用MIKE21模型，通过对辽河口湿地生态补水，安排调水路线、确定补水方案、合理配置水资源，可填补辽河口自然保护区在技术方面的空缺，补水后湿地有良好的生态效益，节约资源与成本。然而长期仅依靠人工补水，会改变湿地本身的内在规律，辽河口湿地应建立长期检测评价机制，在人工干预的同时以自然恢复为主，提高湿地生态系统水资源自然禀赋能力，维持自身稳定健康状态。

4 结论

构建数学模型模拟湿地实地水流演进过程，适用于大面积地物构成相似的生态系统，不但能满足实际模拟需要，也能节约大量资源。本文通过综合考虑水量来源、补水方式和补水时间，模拟丰、平、枯3种不同需水年份补水模型，计算出3种需水年份的补水量分别为：丰水年需要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。

通过湿地生态补水，保护区水位增加20 cm左右，覆水面积达到85%以上，满足补水工程方案预计水量需求，有效缓解湿地缺水情况。通过湿地生态补水，湿地主要群落植物芦苇生物量明显增加。通过湿地生态补水促进芦苇湿地的碳汇，对维持地球大气中CO2和O2的动态平衡、减少温室效应具有重要作用，预计补水后增加芦苇面积3 000 m2，通过模拟可得出芦苇湿地固碳能力达1.92～3.22 kg/m2,是全国陆地植被平均固碳能力的2.3～4.9倍，达全球植被平均固碳能力的2.7～5.9倍。在湿地动植物中，鱼、虾、蟹类作为湿地水鸟的主要食物来源，生态补水工程的实施，将有效增加湿地鱼、虾、蟹类和其他软体动物的繁殖空间，为冬季越冬和春季回迁的鸟类提供了丰富食物来源，为各种湿地水鸟的取食繁殖创造了良好的生境条件，丹顶鹤（Grusjaponensis）数量相较2014年增加107只，黑嘴鸥种群持续保持在1万只左右，湿地生态补水对提高湿地生物多样性发挥重要作用。