基于MIKE21的河道生態修復數值模擬研究

隋保生

(聊城市水利局，山東 聊城 252000)

河流是我們生活中物質循環的重要渠道，隨著城市化快速發展，河道的生態環境受到嚴重的破壞，加速河道生態修復迫在眉睫。

對河流的研究從19世紀就開始開展[1]。對于河流的生態修復工作主要從水質問題入手，然后進行河流的生態環境保護[2]。在小型河道進行“近自然方法治理”[3]的理念得到了大家的廣泛認可。蔣曉輝等[4]對小浪底水庫運行后魚類的棲息環境進行了分析研究。蔡玉鵬等[5]認為流量對于水中生物的棲息環境有很大影響，他使用棲息地模擬法對中華鱘進行了生態流量研究。鄧超杰[6]、張振興[7]等對河道生態修復技術及其應用進行了研究和匯總。欽震杰等[8]將新型的生態砌塊應用在生活中常見的河道整治中。張強[9]對城市內河流的生態治理影響因素進行匯總，并針對不同情況提出了不同修復措施。劉強等[10]將MIKE11應用于復雜河道并進行相關的計算研究。

本文將MIKE21水動力模型應用于復雜河道中，對生態修復后的流速和魚類棲息環境進行分析研究。

1 模型建立

1.1 工程概況

本文選取的河道長121.6km，河道內地勢比較平坦，縱向比降為0.79‰，河段高差為101.9m，河道內含有砂壤土、砂石、卵石、壤土、砂卵石等。受周邊山勢的影響，該河道屬于季節性雨源型河流，受季節變化的影響較大，河道區域內平均氣溫在12.5～14.9℃，多年平均降水量為945mm。汛期多出現在4月份、9月中旬結束。河道附近土壤結構疏松，土體表層及內部含有較多腐殖質等污染物，人為過度采砂造成河道生態環境破壞，魚類的生存受到影響。

1.2 數學模型

本文計算采用MIKE21軟件，計算模型控制方程見公式(1)、公式(2)、公式(3)。

連續性方程：

(1)

動量方程：

x方向：

(2)

y方向：

(3)

式中，ζ(x，y，t)—水流表面波動函數，m；u—速度分量；p—壓力；q—流量；h—水深；f—風阻力系數；c—謝才阻力系數;E(x，y)—動量擴散系數，m2/s；vx，vy—在x，y方向上的風速分量，m/s；Fx，Fy—不同方向的破浪應力分量；Six，Siy—在x，y方向的源匯項，m2/s2。

1.3 計算設置

將該河道地形數據導入MIKE21，根據地形進行網格劃分，為了保證計算的時間和計算精度采用三角形網格，對三角形大小進行控制，盡量使得三角形相似，不會出現過大或者過小現象。全部模型劃分網格數為48967個，對應的節點數為26583個。

將河道上、下游分別為上下邊界條件，在河道中間段設置一個匯入口，對水動力模型影響較大的黏性系數、河床粗糙度、河岸帶植被等影響進行合適的調整。模型計算工況選擇五種不同流量見表1。采砂前河道原始地形如圖1所示。

表1 流量工況

圖1 采砂前河道原始地形圖

2 結果分析

2.1 流速分析

對不同工況進行計算，修復前河道內流速分布云如圖2所示，修復后河道內流速分布云如圖3所示。

根據圖2、圖3可知，河道進行生態修復后，在枯水期最小流量29.1m3/s時，修復后河道內過流斷面比較狹窄，僅能維持河道基本過流能力。但是隨著流量的增加，河道流速呈現多樣化的趨勢，在流量為104.5m3/s時上游河道流速呈現明顯多樣化，且流速分布相對較平均，沒有局部過大流速出現。

在進行河道生態修復前，大量采砂造成河道過水面積增大，流速減小，各流量平均流速下降60%，對河道的原始形態造成很大的影響。修復后在不同流量下均出現了流速增大現象，在流量為38.0m3/s時河道流速增加了68%。在匯流處，各流量平均流速增加51%，最小流量29.1m3/s時增加59%。

圖2 修復前河道流速分布云圖

圖3 修復后河道流速分布云圖

對河道區和河口處流速變化進行對比，如圖4所示。

圖4 修復前后流速變化對比

根據圖4可知，在進行生態修復后河道區和河口處流速均有增加，在河道區29.1m3/s、38.0m3/s、104.5m3/s三種流量下分別增加0.2m3/s、0.27m3/s、0.41m/s；在河口處三種流量下流速分別增加0.11m3/s、0.14m3/s、0.17m/s。隨著流量的增加，流速增加幅度越來越大。

2.2 魚類棲息環境分析

修復前河道內魚類棲息環境面積分布如圖5所示，修復后河道內魚類棲息環境面積分布如圖6所示。

由圖5、圖6可知，在進行河道生態修復后河道內魚類的棲息環境面積整體有所減少，但是在高質量棲息環境方面出現了明顯的增加。這是因為修復前河道過水斷面面積較大，河道面積較大，但是大部分環境不適宜魚類棲息或者說棲息環境質量不好。修復后雖然整體棲息面積減小，但是適宜魚類生存的高質量棲息環境明顯增加，更有利于魚類的生存繁殖。在流量為29.1m3/s時，河道的上下游高質量棲息環境變化非常明顯。

對修復前后河道區內魚類棲息環境面積進行對比，結果如圖7所示。

圖7 修復前后魚類棲息環境面積變化對比圖

根據圖7可知，修復后在29.1m3/s、38.0m3/s、104.5m3/s三種流量下河道內適宜魚類棲息的高質量環境面積分別增加76282m3/s、190669m3/s、318554m2。增加幅度分別為45.3%、75.1%、29.7%。生態修復后的河道功能恢復有利于魚類的長期發展。

圖5 修復前河道魚類棲息環境面積分布圖

圖6 修復后河道魚類棲息環境面積分布圖

3 結論

本文采用MIKE軟件以水流連續方程和動量方程為基礎，對河道內進行生態修復后流速和魚類棲息環境面積變化進行分析研究，得出以下結論：

(1)河道生態修復后河道內流速發生明顯變化。三種工況下河道流速分別增加0.2m/s、0.27m/s、0.41m/s。

(2)河道生態修復后雖然魚類棲息總面積減少，但是高質量的棲息面積出現明顯增加。三種工況下河道內魚類高質量棲息環境面積分別增加45.3%、75.1%、29.7%。

(3)從河道內流速分布以及魚類棲息環境的變化來綜合分析，進行河道生態修復有利于該河道的長久發展。