基于MIKE21的河道生态修复数值模拟研究

隋保生

(聊城市水利局，山东 聊城 252000)

河流是我们生活中物质循环的重要渠道，随着城市化快速发展，河道的生态环境受到严重的破坏，加速河道生态修复迫在眉睫。

对河流的研究从19世纪就开始开展[1]。对于河流的生态修复工作主要从水质问题入手，然后进行河流的生态环境保护[2]。在小型河道进行“近自然方法治理”[3]的理念得到了大家的广泛认可。蒋晓辉等[4]对小浪底水库运行后鱼类的栖息环境进行了分析研究。蔡玉鹏等[5]认为流量对于水中生物的栖息环境有很大影响，他使用栖息地模拟法对中华鲟进行了生态流量研究。邓超杰[6]、张振兴[7]等对河道生态修复技术及其应用进行了研究和汇总。钦震杰等[8]将新型的生态砌块应用在生活中常见的河道整治中。张强[9]对城市内河流的生态治理影响因素进行汇总，并针对不同情况提出了不同修复措施。刘强等[10]将MIKE11应用于复杂河道并进行相关的计算研究。

本文将MIKE21水动力模型应用于复杂河道中，对生态修复后的流速和鱼类栖息环境进行分析研究。

1 模型建立

1.1 工程概况

本文选取的河道长121.6km，河道内地势比较平坦，纵向比降为0.79‰，河段高差为101.9m，河道内含有砂壤土、砂石、卵石、壤土、砂卵石等。受周边山势的影响，该河道属于季节性雨源型河流，受季节变化的影响较大，河道区域内平均气温在12.5～14.9℃，多年平均降水量为945mm。汛期多出现在4月份、9月中旬结束。河道附近土壤结构疏松，土体表层及内部含有较多腐殖质等污染物，人为过度采砂造成河道生态环境破坏，鱼类的生存受到影响。

1.2 数学模型

本文计算采用MIKE21软件，计算模型控制方程见公式(1)、公式(2)、公式(3)。

连续性方程：

(1)

动量方程：

x方向：

(2)

y方向：

(3)

式中，ζ(x，y，t)—水流表面波动函数，m；u—速度分量；p—压力；q—流量；h—水深；f—风阻力系数；c—谢才阻力系数;E(x，y)—动量扩散系数，m2/s；vx，vy—在x，y方向上的风速分量，m/s；Fx，Fy—不同方向的破浪应力分量；Six，Siy—在x，y方向的源汇项，m2/s2。

1.3 计算设置

将该河道地形数据导入MIKE21，根据地形进行网格划分，为了保证计算的时间和计算精度采用三角形网格，对三角形大小进行控制，尽量使得三角形相似，不会出现过大或者过小现象。全部模型划分网格数为48967个，对应的节点数为26583个。

将河道上、下游分别为上下边界条件，在河道中间段设置一个汇入口，对水动力模型影响较大的黏性系数、河床粗糙度、河岸带植被等影响进行合适的调整。模型计算工况选择五种不同流量见表1。采砂前河道原始地形如图1所示。

表1 流量工况

图1 采砂前河道原始地形图

2 结果分析

2.1 流速分析

对不同工况进行计算，修复前河道内流速分布云如图2所示，修复后河道内流速分布云如图3所示。

根据图2、图3可知，河道进行生态修复后，在枯水期最小流量29.1m3/s时，修复后河道内过流断面比较狭窄，仅能维持河道基本过流能力。但是随着流量的增加，河道流速呈现多样化的趋势，在流量为104.5m3/s时上游河道流速呈现明显多样化，且流速分布相对较平均，没有局部过大流速出现。

在进行河道生态修复前，大量采砂造成河道过水面积增大，流速减小，各流量平均流速下降60%，对河道的原始形态造成很大的影响。修复后在不同流量下均出现了流速增大现象，在流量为38.0m3/s时河道流速增加了68%。在汇流处，各流量平均流速增加51%，最小流量29.1m3/s时增加59%。

图2 修复前河道流速分布云图

图3 修复后河道流速分布云图

对河道区和河口处流速变化进行对比，如图4所示。

图4 修复前后流速变化对比

根据图4可知，在进行生态修复后河道区和河口处流速均有增加，在河道区29.1m3/s、38.0m3/s、104.5m3/s三种流量下分别增加0.2m3/s、0.27m3/s、0.41m/s；在河口处三种流量下流速分别增加0.11m3/s、0.14m3/s、0.17m/s。随着流量的增加，流速增加幅度越来越大。

2.2 鱼类栖息环境分析

修复前河道内鱼类栖息环境面积分布如图5所示，修复后河道内鱼类栖息环境面积分布如图6所示。

由图5、图6可知，在进行河道生态修复后河道内鱼类的栖息环境面积整体有所减少，但是在高质量栖息环境方面出现了明显的增加。这是因为修复前河道过水断面面积较大，河道面积较大，但是大部分环境不适宜鱼类栖息或者说栖息环境质量不好。修复后虽然整体栖息面积减小，但是适宜鱼类生存的高质量栖息环境明显增加，更有利于鱼类的生存繁殖。在流量为29.1m3/s时，河道的上下游高质量栖息环境变化非常明显。

对修复前后河道区内鱼类栖息环境面积进行对比，结果如图7所示。

图7 修复前后鱼类栖息环境面积变化对比图

根据图7可知，修复后在29.1m3/s、38.0m3/s、104.5m3/s三种流量下河道内适宜鱼类栖息的高质量环境面积分别增加76282m3/s、190669m3/s、318554m2。增加幅度分别为45.3%、75.1%、29.7%。生态修复后的河道功能恢复有利于鱼类的长期发展。

图5 修复前河道鱼类栖息环境面积分布图

图6 修复后河道鱼类栖息环境面积分布图

3 结论

本文采用MIKE软件以水流连续方程和动量方程为基础，对河道内进行生态修复后流速和鱼类栖息环境面积变化进行分析研究，得出以下结论：

(1)河道生态修复后河道内流速发生明显变化。三种工况下河道流速分别增加0.2m/s、0.27m/s、0.41m/s。

(2)河道生态修复后虽然鱼类栖息总面积减少，但是高质量的栖息面积出现明显增加。三种工况下河道内鱼类高质量栖息环境面积分别增加45.3%、75.1%、29.7%。

(3)从河道内流速分布以及鱼类栖息环境的变化来综合分析，进行河道生态修复有利于该河道的长久发展。