基于MIKE21 的保靖竹子坪生態水利工程水動力數值模擬研究

段小蘭，韓 帥，羅純軍，王曉燕

（湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙 410007）

引 言

湖南省保靖酉水國家濕地公園位于保靖縣北部，范圍包括碗米坡水庫、碗米坡水庫大壩至竹子坪的酉水河段、酉水支流花垣河、朦瞳溪及周邊部分山地，為典型的“河流-庫塘”復合型濕地生態系統[1]。該濕地公園大部分區域處于鳳灘水庫庫區，鳳灘水庫正常蓄水位205 m，死水位173 m，根據多年運行資料統計，多年平均壩上水位193.9 m，庫區消落帶高達10～20 m，這種頻繁、巨大的水位變化將影響濕地植被覆蓋度及物種組成[2]。為保障保靖酉水國家濕地公園所需生境水深、流速及流量脈沖要求，擬新建竹子坪生態水利樞紐工程（以下簡稱“竹子坪水利工程”）。

擬建的保靖縣竹子坪水利工程位于酉水上，控制流域面積13 477 km2，距保靖縣城約8 km，上距碗米坡水電站26.5 km，下距鳳灘水電站70.7 km，支流花垣河河口以上8.8 km 有雙溶灘水電站，朦瞳溪河口以上4.5 km 還有三岔河水電站[3]，這些已建水工建筑物與擬建的竹子坪水利工程相互影響制約，導致工程前后水利條件均較為復雜；同時，為更好地改善和修復濕地公園水環境，在規劃設計過程需預知竹子坪水利工程不同工程規模及調度方式所產生的水動力條件改善效果，從中得到最優設計方案。

針對竹子坪水利工程河段復雜的水利特性和工程設計要求，在傳統水文水利計算的基礎上，亟需先進的數值模擬技術為后續規劃設計提供支撐。為此，利用MIKE21 軟件[4]，構建竹子坪生態水利工程河段的二維水動力數學模型，分析研究工程前后水動力條件，為工程設計提出合理化建議。

1 數值模擬

1.1 MIKE21 模型簡介

MIKE21 軟件是丹麥水力研究所開發的平面二維非恒定流計算水動力數學模型。目前已廣泛應用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及水環境，并在一些大型工程中得到快速應用發展，可為水利工程、海岸規劃等提供完備、有效的設計參數[5-14]。其主要控制方程可由三維流動基本方程沿水深積分，并沿水深取平均的方法獲得，包括連續方程和動量方程[15]。

1.2 基礎資料

模型計算區域河段全長41.1 km，包含：酉水干流碗米坡水電站下游至竹子坪壩址下游，長27.8 km；朦瞳溪三岔河水電站下游至河口河段，長4.5 km；花垣河雙溶灘水電站下游至河口河段，長8.8 km。所需資料主要為：①計算區域41.1 km 長河道及兩岸1∶2 000 的地形圖；②工程建筑物參數：竹子坪生態水利工程大壩及閘門尺寸，廠房等建筑物尺寸；③水文資料：碗米坡水電站、雙溶灘水電站和三岔河水電站1952～2016 年逐日徑流資料，工程河段歷史洪水調查資料等。

1.3 邊界輸入

1）網絡劃分。本次采用三角形網絡劃分，壩址及敏感區域網格按最大面積不超過100 m2生成，其他區域按最大面積不超過200 m2生成。最終生成了123 072 個計算網格，65 309 個計算節點，網格最小面積為18.8 m2。

2）計算時間步長。水利計算模型采用變時間步長處理，經多次嘗試，最小時間步長取0.1 s，最大時間步長取3 s。

3）糙率選取。根據現場查勘及洪水調查成果，由一維模型進行分段糙率試算，通過試算，酉水干流竹子坪壩址至朦瞳溪河口段糙率采用0.046 2，朦瞳溪河口至花垣河河口段糙率采用0.030 9，花垣河河口至押馬村河段糙率采用0.039 3，押馬村以上河段糙率采用0.036 8；支流糙率采用0.045；河岸以上糙率取值0.06～0.08。進一步由網格生成器生成糙率的dfsu 格式文件，根據河段位置手動將以上糙率值賦值給不同計算網格。

4）干濕邊界。一般情況下，干濕邊界可以選擇模型默認值，但因本工程模擬河段長且水流條件復雜，選取默認值無法進行計算，經過多次嘗試，最終取值干水深hdry=0.05 m，淹沒水深hflood=0.1 m，濕水深hwet=0.15 m。

1.4 計算條件

模型有3 個上游入流邊界和一個下游水位邊界，為論證分析在正常運行工況下，竹子坪工程規模與其他相關工程的相互影響關系，上游流量邊界采用多年平均流量，下游水位邊界采用不同正常蓄水位方案。即：干流碗米坡電站下游采用電站發電后多年平均下泄流量Q干=292 m3/s，支流花垣河雙溶灘水電站和朦瞳溪三岔河水電站均為徑流式電站，對徑流影響較小，直接采用天然多年平均徑流，Q花=73.7 m3/s，Q朦=3.03 m3/s；下游水位邊界分別采用三種正常蓄水位方案202 m、204 m、206 m 和工程前多年平均水位193.9 m 進行對比分析。

2 計算結果分析

2.1 水域分布及水深變化分析

酉水濕地公園恢復重建區內駝背和新碼頭等洲灘是水禽活動相對集中地段，也是多種鳥類（尤其是水鳥和候鳥）的棲息地，其中新碼頭村恢復重建區河段河床高程為188.1～195.0 m，河岸高程為195.0～205.0 m，臺地高程為205.0～217.5 m；駝背村恢復重建區河段河床高程為198.8～199.7 m，河灘地高程為200.0～204.7 m，河岸高程為202.0～220.0 m。圖1 為酉水濕地公園功能分區圖。

圖1 酉水濕地公園功能分區圖

工程前多年平均水位工況下，模擬區域內水域面積為5.2 km2，水塘、新碼村、押馬村及駝背村沿岸沙洲等生態敏感區域呈裸露狀；新建竹子坪工程后，隨著正常蓄水位的升高，水域面積逐步向河道左右岸增長。不同正常蓄水位方案相對于工程前多年平均水位工況下新增水域的空間分布情況見圖2～4。

圖2 正常蓄水位202 m 方案新增水域分布圖

圖3 正常蓄水位204 m 方案新增水域分布圖

圖4 正常蓄水位206 m 方案新增水域分布圖

202 m 正常蓄水位方案水域面積增加了31.5%，可淹沒新碼頭村河段的河床，形成較穩定的水面，但兩岸尚有2～3 m 左右的裸露岸坡，臺地與水面的高差為2～3 m，河段親水環境一般；駝背村河段的河床和部分河灘地得到淹沒，形成較穩定的水面，河灘地地與水面的高差為0～2.7 m。

204 m 正常蓄水位方案水域面積增加了42.3%，可淹沒新碼頭村河段的河床和大部分裸露河岸，形成穩定的水面，河段基本無裸露岸坡，臺地與水面的高差為0.5～1 m，河段親水環境比較好；可淹沒駝背村河段的河床和大部分河灘地，形成穩定的水面，河灘地地與水面的高差為0～0.7 m。

206 m 正常蓄水位方案水域面積增加了53.5%。可淹沒新碼頭村河段的河床和河岸，形成穩定的水面，但會淹沒部分臺地；可淹沒駝背村河段的河床和全河灘地，形成穩定的水面。

不同正常蓄水位方案水域面積比較見表1。

對比三種方案，204 m 正常蓄水位方案和206 m 正常蓄水位方案均能形成較穩定水面且親水環境友好，正常蓄水位204 m 方案較正常蓄水位202 m 方案，增加水域面積0.6 km2，移民占地投資僅增加26 萬元；正常蓄水位206 m 方案較正常蓄水位204 m 方案，增加水域面積0.6 km2，移民占地投資增加1 539 萬元。

表1 不同正常蓄水位方案水域面積比較

2.2 流速分布變化分析

2.2.1 主河槽流速變化

受鳳灘水庫及河底坡降影響，工程前多年平均水位工況下，下游河段（花垣河匯入口以下）流速較低，流速在0.2～0.4 m/s 左右，酉水干流新碼頭村以上河段及花垣河新莊村以上河段的流速比下游大，流速在1.2～1.7 m/s 間，其中生態敏感區域（水塘、新碼村、押馬村及駝背村等）無水流運動。圖5 為工程前多年平均水位工況下流速分布圖。

圖5 工程前多年平均水位工況下流速分布圖

興建竹子坪工程后，不同正常蓄水位方案下流速變化趨勢一致，主河槽內流速降低且上游比下游降低幅度更大，兩岸流速略微增加。酉水干流新碼頭村以上河段呈現三個流速減小幅度高峰區，分別為押馬村靠近新橋村段、押馬村上江心洲段和駝背村段；支流花垣河上游也呈現流速減小幅度高峰區。其中206 m 正常蓄水位方案同量級流速減少范圍對應的減速面積最大，204 m 正常蓄水位方案次之。

工程興建后典型區域流速變化統計見表2。

2.2.2 近岸區流速變化

在研究區域內近岸區選取13 個特征點進行流速變化分析。202 m 方案下，部分采樣點區域流速依然得不到改善；204 m 方案下和206 m 方案下新增水域內均有水流流動，流速在0.009～0.35 m/s 間，這種緩慢的流速，有利于岸坡穩定和水生植物的繁殖。

近岸區采樣點流速統計見表3。

由以上分析可知，204 m 方案和206 m 方案均能改善近岸區內水動力條件；三種正常蓄水位方案下，酉水干流上游和花垣河上游河段主河槽流速降低，206 m 方案減速區范圍最大，204 m 次之，202 m 最小。因而，從河勢穩定和濕地植被修復來說，204 m 方案更優。

表2 工程新建后典型區域流速變化統計表

表3 近岸區采樣點流速統計表

3 結 論

竹子坪生態工程所在河段水庫梯級較多且為濕地公園保護區，水動力條件復雜。基于MIKE21 軟件構建的二維水動力模型，采用非結構化三角網絡劃分，并根據現場查勘及洪水調查成果，率定模型糙率，能較好的反映河段實際情況。

根據模型計算結果，興建竹子坪生態水利工程后，能有效改善工程以上河段河床灘地裸露、沿程水位消落幅度大的問題；202 m、204 m 和206 m 不同正常蓄水位方案下，研究范圍內水域面積增加31.5%～53.5%，生態敏感區域水動力條件均得到改善，其中204 m 方案，新增水域流速0.009～0.35 m/s，上游主河槽減速區范圍處于202 m 和206 m 間，且移民占地投資最優，從濕地公園水生態修復效果方面考慮，建議竹子坪生態工程正常蓄水位取204 m。

同時，工程興建后，主河槽內流速的變化將引起河道內輸沙規律的變化，酉水干流及花垣河上游流速降低，泥沙將逐步淤積在河段內，進一步引起河勢的調整變化；且竹子坪工程為鳳灘水庫的庫中庫，常年淤積將侵占興利或防洪庫容。建議在后續工程設計中，妥善考慮流速變化對河勢及庫容等方面造成的影響。