白洋淀典型示范区围埝对连通性影响的研究

梁 栋，程伍群，朱永涛，李 源，王铁洲，郭京晗，杨 蒙

（1.河北农业大学 城乡建设学院，河北 保定 071001; 2.河北省水利科学研究院，河北 石家庄 050000；3.河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 211100）

白洋淀无序的围埝是由于淀区人民长期开发利用而形成的复杂独特的系统［1］，存在着量大、面广、种类多等特点。围埝割断了淀区内水体的交换途径，破坏了白洋淀原有的生态格局，使水体连通性急剧下降，进而导致白洋淀的生态功能出现了不同程度的退化［2］，也削弱了白洋淀防洪排涝的能力。自2017 年4 月1 日雄安新区成立后，对白洋淀生态环境与水环境的改善提出了新的要求，其中提升白洋淀水动力与连通性是雄安新区生态环境协同发展的重中之重。因此，笔者对白洋淀的围埝进行了调查与勘测，绘制了白洋淀1 ∶2 000 的地形图。并以雄安新区为白洋淀生态治理而设立的典型示范区为研究对象，建立典型示范区水动力模型，研究拆除围埝对典型示范区水动力的影响，在此基础上确定围埝的拆除方案。

目前，对于湖泊水动力数值模拟研究方面较为成熟的软件有MIKE、EFDC、Delft3D、WASP 等［3］，通过建立模型来指导相关工程的实施已有较多实例［4-7］。本研究运用MIKE21 软件构建南刘庄典型示范区水动力模型，通过对模拟结果的分析，采用拆除围埝的方式来打开封闭水体，增强水体之间的连通，减少滞水面积，恢复水动力。同时建立新的水系连通通道，增加调蓄容积，增大淀区滞洪空间［8］。

1 典型示范区概况及模拟边界的确定

1.1 典型示范区概况

南刘庄典型示范区位于雄安新区白洋淀中的藻苲淀下游，府河（淀区）南侧，南刘庄村东侧，国控南刘庄水质监测断面下游约1 km，面积1.12 km2。该区域主要来水为府河、漕河和瀑河地表径流水以及上游城市污水处理厂排水。其主要特点为：一是地物丰富，涵盖了白洋淀特有的苇田、淀泊、鱼塘、荷塘，水域，人为因素影响大，生态空间破碎；二是西侧堤外村落呈带状分布，东侧围堤围埝连续分布，部分沟渠通过围堤围埝与外部连通，示范区整体相对封闭独立。

1.2 模拟边界的确定

在确定模型的计算区域时，为了尽量减少开边界水位流量条件的不确定性，外边界应尽量选在固定边界处。为此，计算区域的外边界多选在现有白洋淀防洪大堤和村庄处。南刘庄模拟区域北至新安北堤，西至漾堤口村、北刘庄村、南刘庄村等村庄的边缘，东至鸳鸯岛景区，南至四门堤，面积约5.74 km2。并且新安水位观测站在此模拟区域内，观测数据可直接作为模型率定及验证的基本资料。

2 水动力模型建立

本次建模是利用MIKE 软件系列中的MIKE 21 HD 模块，MIKE21 是1 款专业的数值模拟软件，可适用于各种复杂水环境的数值模拟，并且能够解决白洋淀内的围埝众多、地物刻画较难的问题［9］。

2.1 模型原理

水流连续方程

X方向动量方程

Y方向动量方程

式中：h为总水头（h=η+d，η、d分别表示河底高程和静止水深）；t为时间；u，v分别为x、y方向上基于水深平均的流速；f为科氏力系数（fωsinφ，ω为地球自转角速度，φ为当地纬度）；g为重力加速度；ρ为流体密度；ρ0为水的相对密度；pa为大气压强；Sxx、Sxy、Syx、Syy分别为辐射应力分量；S为点源流量大小；us、vs分别为源项在x、y方向上的水流流速。

2.2 模型构建

2.2.1 网格剖分与地形插值 本次建模采用三角形网格对南刘庄模拟区进行剖分，并对南刘庄示范区内的围埝进行加密处理。网格总数36 849，计算节点总数18 846。入流边界为code2（府河入流通道）和code4（萍河入流通道），出流边界为code3，总计3 个开边界。除3 个开边界外，其他边界与外界均无水力交换。在构建网格的基础上，为准确刻画水下地形与微地形构造，插入淀泊地形精度为 1:2 000 的CAD 格式高程散点，并对高程点进行了质量检查与修正处理，生成模拟区域的数字高程图。模拟区域网格剖分见图1，数字高程图见图2。

图1 南刘庄模拟区域全局网格剖分图Fig.1 Global grid division diagram of Nanliuzhuang simulation region

图2 南刘庄模拟区域DEM 图Fig.2 DEM map of Nanliuzhuang simulated region

2.2.2 参数率定与初始条件 由于白洋淀存在大量的芦苇，所以在建模中应考虑芦苇对水流的阻滞作用［11］。芦苇一方面会改变水流的流场，影响水流的输运，但同时也起到了净化水质的作用。另一方面芦苇会降低水流的流速，从而消耗掉水流大量能量，而这些能量的消耗在模型中通过糙率来反映。

选取新安水位站（2019-07—2019-08）2 个月的日水位观测数据对模型中参数进行率定。通过调试芦苇区、其余水系区的糙率值与模拟区域的风阻系数来拟合水位过程线。本次模拟采用曼宁系数反应芦苇及河床糙率，经调试，糙率选取情况为：水系、水塘、湖泊综合糙率取值8 M1/3/s，芦苇区域糙率取值25 M1/3/s。模型其余各项参数取值情况见表1。

表1 模型参数取值表Table 1 Model parameter value table

2.2.3 模型验证 将模型率定阶段得到的参数应用到2020.07—2020.08 月白洋淀水位、流量模拟中，将流量边界条件替换为验证期（2020-07—2020-08）的日流量时间系列数据，初始水位设置为6.71 m，从而检验此模型参数的稳健性与可移植性。如图3所示。

(3)西特简化法和北京水电勘察设计处利用砂土相对密实度对砂土液化的判别结果表明，当排岩厚度超过5 m时，各种水位埋深的尾矿砂都不会发生液化。这说明排岩增加了尾矿砂的上覆有效应力，加速了尾砂的排水固结，提高了尾砂的相对密度，增强了尾砂的抗液化性能。所以在废弃尾矿库上排岩是有利于尾矿库稳定的。但必须注意尾砂层本身的承载强度，通过计算确定上覆排岩厚度，否则可能发生剪切破坏而失稳。

模拟值与实测值的趋势一致，差异较小，基本在±0.1 m 水位以内，说明模型概化、地形塑造、边界条件把握较好，验证点处的模拟参数、河床断面数据真实反应了实际情况。且计算得相关性系数为0.968，达到0.95 以上，说明模拟值与水位站观测值匹配较好，本次构建的南刘庄示范区水动力模型参数准确可用。

3 围埝拆除方案及结果分析

3.1 围埝拆除方案

针对南刘庄示范区存在的围埝，在相同水位、相同入流量情况下，为确定最佳拆除高度与最佳拆除顺序，共设计5 种模拟方案，具体情况见表2、表3。

表2 南刘庄示范区拆除高度方案模拟表Tabel 2 Simulation table of demolition height scheme of Nanliuzhuang demonstration area

表3 南刘庄示范区拆除顺序方案模拟表Tabel 3 Simulation table of demolition sequence scheme of Nanliuzhuang demonstration area

3.2 模拟结果分析

3.2.1 最佳拆除高度分析

（1）水位分析。由模拟结果可见（图4），在任何方案下，淀泊水位总是呈现西南水位略高于东北水位，这是由于模拟时段的风向为西南风，风应力引起的水位差所导致。模拟可见围埝拆除后相比于拆除前，整个模拟区域高低水位差有所减小，此区域南部的水域连通性得到有效改善。

图4 拆除高度方案1 ～3 水位分布图Fig.4 Water level distribution of demolition height scheme 1-3

（2）流场流速分析。由模拟结果可见（图5），拆除围埝后相比拆除前，拓开了新的入流通道，府河来水可直接沿四门堤下河道进入示范区，改善了此区域的湖流结构。由于该区域受风应力和水下地形的综合影响，拆除区在原状围埝条件下，围埝内部形成环流，平均流速为2.0 mm/s，流向与流速符合此区域实际观测结果；当围埝拆除至6.0 m 与淀底高程时，由于与埝外水体相连通导致环流消失，此时拆除区内平均流速分别为3.2、4.6 mm/s。

图5 拆除高度方案1 ～3 流场分布图Fig.5 Flow field distribution of demolition height scheme 1-3

（3）流速区分析。在分析了点流速的变化后，为探究拆围对示范区水动力整体提升的效果，进一步对模拟区域进行了流速区的划分。本次分析根据模拟区域原状围埝条件下的流速实际观测结果，结合模型计算结果，将流速区划分为滞水区（0 ～2 mm/s）与流动区（2 mm/s 以上）。由模拟结果计算可知，当围埝拆除至淀底高程时（方案3），相比于原状围埝（方案1）与拆除至6.0 m 高程（方案2），滞水区（0 ～2 mm/s）面积分别减少了77.8%、55.6%，流动区（2 mm/s 以上）面积明显增大。模拟结果见图6

图6 拆除高度方案1 ～3 流速区分布图Fig.6 Distribution of velocity zone of demolition height scheme 1-3

通过对比分析了围埝拆除前后水位、流速等水力学要素的变化，结果均表明拆除围埝可改善淀泊的连通性，且将围埝拆至淀底高程时水动力提升效果最佳。

3.2.2 最佳拆除顺序分析 白洋淀内的围埝多为鱼塘开挖土料就地填筑而成，部分堤埝由建筑垃圾、生活垃圾填筑。为了避免拆除过程中产生的杂质对淀内的水体构成污染，所以在应优先拆除对水体扰动较小的围埝，待水质稳定后再拆除剩余围埝。

依据拆除区域流场中的水流流向，可将目标围埝分别定义为顺水流方向围埝与垂直水流方向围埝。通过拆除顺序方案1、2 的模拟结果来确定围埝拆除后周边流速的大小，选择流速小的围埝优先拆除，这样在一定程度上避免了水流对拆围过程中产生杂质的冲刷，从而影响水质。拆除顺序方案1、2 的三维地形及流场如图7、图8 所示。

图7 拆除顺序方案1 地形及流场Fig.7 Demolition sequence scheme 1 topography and flow field

图8 拆除顺序方案2 地形及流场Fig. 8 Demolition sequence scheme 2 topography and flow field

模拟结果显示：对于拆除顺序而言，采取方案1 拆除时，拆除区平均流速为3.7 mm/s；采取方案2拆除时，拆除区平均流速为1.7 mm/s。由此对比可知，在拆除过程中，应选择方案2，即优先拆除顺水流方向的围埝，可达到对区域水体扰动较小的效果。拆除顺序见图9。

图9 南刘庄示范区围埝拆除顺序示意图Fig.9 Schematic diagram of cofferdam removal sequence in Nanliuzhuang demonstration area

4 结论与讨论

采用MIKE21 软件建立南刘庄典型示范区水动力模型，对比围埝拆除前后的水动力变化，得知将该区域的围埝拆至淀底高程时，流速相比原状条件下提升230%，滞水区面积减少77.8%，连通性有显著提升；优先拆除垂直水流围埝时，拆除区内平均流速为3.7 mm/s，优先拆除顺水流拆除围埝时，拆除区内平均流速为1.7 mm/s，表明优先拆除顺水流方向围埝相比于垂直水流方向，对区域水体扰动较小。

通过对南刘庄典型示范区水动力模型5 种方案的模拟，得知拆除围埝对提升淀泊水动力、调控水量均有积极意义。该模型可结合MIKE21 水质模块进一步对白洋淀的水质演变过程进行模拟分析，为优化淀区水系连通及水质改善提供科学合理的理论依据［12］。