曾慶慧,胡 鵬,趙翠平,龔家國,劉 歡,楊澤凡

中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室, 北京 100038

白洋淀是華北平原最大、最典型的淡水淺湖型濕地,具有完備的沼澤和水域生態(tài)系統(tǒng),被譽為“華北之腎”。廣闊的水面和沼澤濕地對維護華北平原生態(tài)系統(tǒng)平衡、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、補充地下水源、調(diào)蓄洪水,以及保護生物多樣性和珍稀物種資源等方面發(fā)揮著重要作用。近年來,白洋淀流域面臨著水資源衰減顯著、主要河流大面積斷流、地下水超采嚴重等水資源保障問題[1]。20世紀70年代開始,白洋淀水面面積開始萎縮,并呈現(xiàn)破碎化趨勢,特別是1984—1987年連續(xù)4年完全干淀,隨后淀區(qū)水位基本依靠外調(diào)水補給維持。1995—1996年連續(xù)兩年洪水補淀后,白洋淀幾乎年年逼近干淀警戒水位,進入了頻繁補水以維持基本生態(tài)功能的階段。20世紀80年代以來,先后實施了“引岳濟淀”、“引黃濟淀”等應(yīng)急補水措施,1998—2006年上游水庫連續(xù)9年向白洋淀補水,2006年以后則主要依靠每年調(diào)引黃河水補給白洋淀,勉強維持淀區(qū)生產(chǎn)和基本生態(tài)需求[2]。在京津冀協(xié)同發(fā)展和雄安新區(qū)建設(shè)的戰(zhàn)略背景下,白洋淀的生態(tài)地位和生態(tài)價值更加凸顯,加強流域水資源保障意義重大。雄安新區(qū)一大核心目標是“打造優(yōu)美生態(tài)環(huán)境,構(gòu)建水城共融的生態(tài)城市”,白洋淀作為雄安新區(qū)賴以持續(xù)發(fā)展的重要生態(tài)屏障,維系淀區(qū)穩(wěn)定補水量、改善流域水環(huán)境狀況以及保證水生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展顯得尤為重要。

目前國內(nèi)外學(xué)者對水動力的研究主要采取數(shù)學(xué)模型和數(shù)理統(tǒng)計的方法,大量的數(shù)值模擬軟件已得到廣泛推廣和應(yīng)用,如EFDC模型、MIKE系列模型、ROMS模型等[3- 6]。宮雪亮等[7]基于MIKE 21構(gòu)建了南四湖水動力水質(zhì)模型,分析了多情景下南四湖上級湖內(nèi)水量水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系。賈瑞鵬等[8]建立萬寶湖水動力和水質(zhì)二維耦合模型,分析了萬寶湖的水動力條件變化特征及其對于水環(huán)境中各種污染物遷移轉(zhuǎn)化機制的影響。竇明等[9]應(yīng)用MIKE 21建立大慶市龍鳳濕地二維水動力和水質(zhì)耦合模型,研究提出濕地水質(zhì)改善的優(yōu)化調(diào)控模型。龔然[10]基于EFDC模型分析了南京市天印湖水動力條件對水質(zhì)變化的影響。郁片紅[11]基于MIKE 21水動力模型,以湖泊典型污染物COD為指標,對琵琶湖水動力增加的工程措施進行方案比選。路洪濤等[12]研究了城市湖泊的人工水循環(huán)對水環(huán)境的改善效果,通過人為設(shè)定不同的進、出水口位置以及組合,調(diào)節(jié)換水量和換水時間等方式,改善城市湖泊的水動力條件。熊鴻斌等[13]基于MIKE 11模型建立了潁河一維河網(wǎng)水動力和水質(zhì)模型,分析了補水流量、補水水質(zhì)、補水水位和補水方式等調(diào)整措施對河流水質(zhì)的影響。Li等[14]利用MIKE 21模型建立了東湖水動力模型,對流域內(nèi)水動力及水質(zhì)演變規(guī)律進行了分析。Kafrawy等[15]對地中海區(qū)域部分沿海湖泊構(gòu)建了水動力模型,探究了淡水流入和交換對海洋的相對重要性以及它們對鹽度、環(huán)流模式、營養(yǎng)物來源和分布的影響。Li等[16]結(jié)合水動力模型與統(tǒng)計方法研究了鄱陽湖洪泛區(qū)9個季節(jié)性湖泊的水文連通性及其與水質(zhì)的關(guān)系,結(jié)果表明水文連通性可能是控制季節(jié)性湖泊間水質(zhì)動態(tài)變化的關(guān)鍵因素。以上研究都是以水動力模擬為基礎(chǔ),旨在研究與水動力過程相關(guān)的水質(zhì)演變趨勢或富營養(yǎng)化狀態(tài),因此方案設(shè)置及比選都是以改善水環(huán)境為重點,而不是以改善研究區(qū)水動力條件為目的,單純針對湖泊水庫水動力改善的研究較為少見。

本文所采用的MIKE系列模型由于采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,能夠處理復(fù)雜的邊界條件等優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于港口、河流、湖泊、河口及海岸的水動力模擬研究。楊永森等[17]利用MIKE 21水動力模型,模擬了上秦淮濕地水動力過程,為制定南京上秦淮濕地生態(tài)補水量及補水的水循環(huán)方案提供了參考。胡廣鑫[18]等基于MIKE 21模型模擬和預(yù)測了不同補水和分配方案對東昌湖流速變化的影響,以確定較優(yōu)的生態(tài)補水方案。趙通陽等[19]建立了象湖水動力學(xué)模型,模擬了不同補水換水方式下的流場分析及對湖區(qū)水動力條件的影響。Gurumoorthi等[20]通過MIKE 21水動力模型模擬了在潮汐和風(fēng)力驅(qū)動下Kanyakumari海岸的表面流場,通過對東北和西南季風(fēng)的一系列情景分析,探究了該地區(qū)的環(huán)流情況。Acharyulu等[21]通過MIKE 21水動力模型模擬研究了Upputeru海峽流場的重要影響因素,并揭示了近岸河口移動的根本原因。Lopes等[22]利用MIKE 21模型對Ria de Aveiro湖進行了研究,并證明了該模型可作為生態(tài)系統(tǒng)管理的有效工具。Ferdous Ahmed[23]通過建立MIKE 11水動力學(xué)模型全面分析了加拿大里多運河下游河段的水動力情況。以上水動力模擬相關(guān)研究主要探究了影響水動力的主要因素及生態(tài)補水方案和補水效果,而對于生態(tài)需水量的確定以及如何通過大規(guī)模調(diào)水工程補水來改善水動力條件的研究尚不多見。同時,對于本文研究區(qū)白洋淀濕地的研究主要集中在白洋淀景觀動態(tài)變化、生態(tài)系統(tǒng)健康評價、水文過程及水質(zhì)演變、沼澤化驅(qū)動機制等方面[24-28],還沒有針對多水源補給對白洋淀濕地水動力影響的系統(tǒng)研究。

當前,京津冀協(xié)同發(fā)展和雄安新區(qū)的開發(fā)建設(shè)為白洋淀的生態(tài)修復(fù)和保護帶來了重大歷史機遇。在《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》中明確指出白洋淀要實施生態(tài)修復(fù),恢復(fù)淀泊水面,建立多水源補水機制,統(tǒng)籌引黃入冀補淀、上游水庫及本地非常規(guī)水資源,合理調(diào)控淀泊生態(tài)水文過程。本文以白洋淀為研究對象,基于MIKE 21 FM構(gòu)建淀區(qū)二維水動力模型,綜合考慮白洋淀濕地的剛性需水與彈性生態(tài)需水,探究引黃入冀補淀、南水北調(diào)中線、南水北調(diào)東線應(yīng)急調(diào)水以及上游水庫聯(lián)合補水等多水源補給情景下白洋淀水動力條件的改善情況。研究結(jié)果為白洋淀濕地水資源保障和促進淀區(qū)水體循環(huán)流動提供了科學(xué)依據(jù),同時也為構(gòu)建雄安新區(qū)藍綠交織、清新明亮、水城共融的生態(tài)城市提供重要基礎(chǔ)支撐。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)地理位置及出入淀河流分布圖 Fig.1 Geographical location of the study area and the distribution of the inflow and outflow rivers

白洋淀(115°38′ E—116°07 ′E,38°43′ N—39°02′ N)主要位于保定市安新縣境內(nèi),地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,年降水量550 mm,主要集中在7—9月[26-27]。淀區(qū)總面積366 km2,南北長39.5 km,東西長28.5 km,為華北地區(qū)典型的草型淺水湖泊,也是大清河水系中重要的蓄水樞紐[24]。白洋淀2011—2015年平均水位6.4 m,平均水深2.3 m,多年平均水域面積約占淀區(qū)總面積的41%[25]。淀內(nèi)主要由小白洋淀、馬棚淀、燒車淀、藻雜淀等大小不等的143個淀泊和3700多條溝壕組成,構(gòu)成了淀中有淀,淀淀相通,溝壕相連,農(nóng)田和水面相間分布的特殊地貌。淀內(nèi)地勢平坦,總地勢自西向東略有傾斜,地面自然坡度1/200—1/2000。流域水系呈扇形分布,其中南支諸河直接匯入白洋淀,主要河流有潴龍河、孝義河、唐河、府河、漕河、瀑河、萍河等;北支為白溝引河,下游出口由棗林莊閘和趙北口溢流堰控制(圖1)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

白洋淀淀區(qū)范圍底部地形高程數(shù)據(jù)為項目組實測。水文數(shù)據(jù)來自河北省水利廳,主要包括2015年1—12月白洋淀入淀河流(潴龍河、孝義河、唐河、府河、漕河、瀑河、萍河、白溝引河)及下游出口棗林莊閘的逐日流量及逐日水位時間序列數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng),主要包括河北省保定站(區(qū)站號54602)2015年1—12月逐日平均降雨、蒸發(fā)、風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)。王快水庫、安各莊水庫和西大洋水庫歷年調(diào)水補淀數(shù)據(jù)參考《白洋淀沼澤化驅(qū)動機制與調(diào)控模式》。

1.3 模型構(gòu)建

圖2 研究區(qū)底部高程圖及網(wǎng)格劃分結(jié)果 Fig.2 Bathymetry and meshing results at the bottom of the study area

本研究采用丹麥水利研究所(DHI)開發(fā)的MIKE 21軟件構(gòu)建二維水動力模型,MIKE 21主要作為區(qū)域流場的水動力數(shù)學(xué)模擬和其他模型模擬計算的基礎(chǔ),在平面二維自由表面流數(shù)值模擬方面具有強大的功能[29]。MIKE 21廣泛用于河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境等方面。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對淀區(qū)進行劃分,共生成了2701網(wǎng)格和1582個節(jié)點,研究區(qū)底部高程及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。模型采用動態(tài)時間步長120 s,結(jié)果表明該步長可以保證模型的精度和穩(wěn)定性。

在所有可獲得的數(shù)據(jù)中,2015年是包含完整的建模所需時間序列數(shù)據(jù)年份最近的一年,因此選擇2015年的數(shù)據(jù)對模型進行率定和驗證。此外,由于預(yù)測時輸入的邊界條件為情景設(shè)置的定值,通過預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)模型經(jīng)過一定時間的熱啟動后在短期內(nèi)即可趨于穩(wěn)定(不超過10天),因此選擇2015年1月至6月對模型進行率定,2015年7月至12月對模型進行驗證,該時間跨度足以保證模型預(yù)測的精確性。初始條件水面高程設(shè)為6.58 m,水平速度和垂直速度均為0 m/s。邊界條件包括白洋淀濕地出入流的逐日平均流量時間序列和十方院逐日水位時間序列。反復(fù)運行模型并調(diào)整水動力參數(shù)直至模型誤差達到可接受范圍內(nèi)。為了衡量模型的模擬結(jié)果,本文采用平均絕對誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)：

(1)

(2)

式中,Xobs為實測值,Xsim為模擬值。MAE值和RMSE值的大小代表模擬值與實測值的吻合程度。

為了保證模型運行的穩(wěn)定性將克朗值(CFL number)設(shè)置為0.8,干水深設(shè)置為0.005 m,淹沒水深設(shè)置為0.05 m,濕水深設(shè)置為0.1 m,以上參數(shù)均采用模型推薦值。干濕水深用來判斷單元網(wǎng)格是否參與到模型的計算中來,MIKE 21可以根據(jù)每個網(wǎng)格的水深情況調(diào)整計算條件,靈活調(diào)用公式參與計算[30]。渦黏系數(shù)(Eddy Viscosity)選用Smagorinsky公式,Smagorinsky系數(shù)取值0.28。底床摩擦力選用曼寧系數(shù)(Manning Number),取值16 m1/3/s。其他沒有設(shè)置的參數(shù)采用默認值。

1.4 情景設(shè)置

根據(jù)《白洋淀水資源保障規(guī)劃(2017—2030年)》,白洋淀恢復(fù)到7 m的目標生態(tài)水位時,能夠滿足防洪、生態(tài)、景觀建設(shè)及水環(huán)境等多方面需求對應(yīng)的生態(tài)需水量為3.2—4億m3[31- 32]。其中,剛性需水量約為2億m3,剛性需水是為了維持淀區(qū)基本水位不下降,必須要保障的生態(tài)需水部分,主要是指淀區(qū)蒸發(fā)耗水量和下滲水量兩個方面,其中蒸發(fā)又包括水面蒸發(fā)和陸面蒸發(fā)蒸騰。彈性需水指的是用于改善淀區(qū)水動力條件和水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的生態(tài)需水部分,目的是為了改善和提高淀區(qū)水生態(tài)環(huán)境,具體由淀區(qū)水生態(tài)環(huán)境狀態(tài)確定,在一定范圍內(nèi)能保障的彈性生態(tài)水量越多對水動力或水生態(tài)環(huán)境改善效果越好。白洋淀6.8 m汛限水位對應(yīng)的庫容為3.2億m3,7 m水位對應(yīng)的庫容為3.6億m3,考慮到未來的清淤措施,7 m目標水位下的庫容可能進一步增加到4億m3。按照每年換1次水的頻率估計,則在剛性需水之外,至少還需要1.2億—2億m3的彈性生態(tài)需水[31]。為了保障2020年白洋淀達到地表水Ⅲ類標準的目標,近期在保障剛性需水基礎(chǔ)上,必須充分考慮彈性用水需求,建議2020年前保障生態(tài)需水4億m3,隨著流域和淀區(qū)污染治理任務(wù)逐步完成,彈性需水可逐步減少。

近期白洋淀2億m3剛性需水主要依靠引黃入冀補淀工程保障,彈性需水主要依靠上游王快水庫、西大洋水庫、安各莊水庫、南水北調(diào)中線、南水北調(diào)東線應(yīng)急調(diào)水等相機補水保障,維持白洋淀生態(tài)水量需求和良好的水動力條件[31]。實際引水量視黃河水情、河北省引黃計劃等綜合情況確定。為了探究不同水源補給情況下對白洋淀濕地水動力影響,共設(shè)置了8種情景,見表1。其中情景2和情景3是河道補水,按照2億m3的估算值設(shè)置。情景4和情景5中彈性需水的量是根據(jù)研究目的和實際情況設(shè)置的。情景4是為了探究各大水庫以最大潛力補水的情景下對白洋淀濕地水動力的改善情況,根據(jù)安各莊、西大洋和王快水庫歷年最大補水潛力設(shè)置,共補水2.1億m3。情景5是根據(jù)《南水北調(diào)東線一期工程向北延伸應(yīng)急供水方案研究報告》設(shè)定的,其中指出南水北調(diào)東線應(yīng)急調(diào)水僅考慮重要濕地生態(tài)需水,應(yīng)急供水量為1.36億m3。

表1 白洋淀濕地補水情景設(shè)置

2 結(jié)果與討論

2.1 水動力率定驗證結(jié)果

圖3顯示了MIKE 21模型逐日水位率定和驗證的結(jié)果。由圖中可以看出率定期水位模擬值與實測值吻合得非常好,絕對誤差在-0.03—0.15 m范圍內(nèi),平均絕對誤差為0.086 m,均方根誤差為0.095 m。為了驗證水動力模型的可靠性,在率定好的水動力模型的基礎(chǔ)上,用2015年7月至12月逐日水位數(shù)據(jù)對模型進行驗證。如圖所示,驗證期淀區(qū)實測水位與模擬水位吻合較好,絕對誤差在-0.19—0.03 m范圍內(nèi),平均絕對誤差為0.091 m,均方根誤差為0.101 m。結(jié)果顯示白洋淀濕地入流、出流、降雨和蒸發(fā)之間有很好的水量平衡關(guān)系,模擬誤差控制在模型計算要求范圍內(nèi),模型模擬效果較好,該模型適宜于白洋淀的水動力模擬。

圖3 白洋淀濕地模擬水位與實測水位對比Fig.3 Comparison of simulated water level and measured water level in Baiyangdian wetland

2.2 引黃入冀補淀情景結(jié)果分析

引黃入冀補淀工程自河南省濮陽市渠村引黃閘引水,利用濮陽市濮清南干渠輸水,穿衛(wèi)河進入河北省,經(jīng)東風(fēng)渠、老漳河、滏東排河至獻縣樞紐,穿滹沱河北大堤后,利用紫塔干渠、古洋河、小白河和任文干渠輸水,于千里堤大樹劉12孔閘進入白洋淀。引水線路全長482 km,在河北省境內(nèi)長398 km,多年平均引水量6.2億m3,入冀引水流量60 m3/s,入白洋淀設(shè)計流量30 m3/s。引黃入冀補淀工程規(guī)劃冬四月(11月至來年2月)引水,年入淀水量1.1億m3,若引水增大到2億m3,需要在現(xiàn)有規(guī)劃基礎(chǔ)上進一步延長引黃入冀補淀時間35天,同時采取工程措施,提水入淀,增加入淀能力。

圖4(情景1)顯示了不補水時白洋淀濕地的水動力情況,從圖中可以看出白洋淀濕地整體水動力條件不佳,淀區(qū)平均流速僅0.003 m/s,尤其是西南角馬棚淀等區(qū)域水體幾乎不流動,易形成死水區(qū)。圖4(情景2—1)顯示了從小白河引黃入冀補淀后淀區(qū)的水動力改善情況。結(jié)果表明補水后淀區(qū)東南角水動力條件有所改善,小白河入口處改善最為明顯,但西北角、西南角和東北角水體流速幾乎沒有變化,整體改善效果不佳,影響范圍僅占淀區(qū)面積的15%左右。為了增強引黃補淀水量改善淀區(qū)水動力條件的效果,情景2—2中考慮建設(shè)小白河—潴龍河連通工程,使得引黃水量從小白河、潴龍河雙徑入淀,以改善淀區(qū)西南角馬棚淀的水動力條件,避免西南角淀區(qū)形成死水區(qū)。結(jié)果顯示小白河、潴龍河雙徑入淀后西南角淀區(qū)水動力情況有所改善,但由于入淀流量較小,改善的效果并不佳,無法在淀區(qū)西南角和東南角區(qū)域形成水體連通流動。

圖4 引黃入冀補淀對白洋淀濕地水動力的改善情況Fig.4 Hydrodynamic improvement of Baiyangdian wetland under the water replenishment scenarios of the diversion of the Yellow River into the Baiyangdian wetland

2.3 南水北調(diào)中線相機補水情景結(jié)果分析

南水北調(diào)中線分配給河北省水量指標為30.4億m3,在滿足全省城市用水需求和水源區(qū)水量充足的條件下可實施南水北調(diào)中線相機向白洋淀補水措施,通過瀑河水庫進行調(diào)蓄后,沿瀑河和萍河入淀。情景3—1和情景3—2在引黃入冀補充淀區(qū)剛性需水的基礎(chǔ)上,增加了南水北調(diào)中線相機補水以補充淀區(qū)彈性需水。圖5(情景3—1)顯示了連續(xù)補水1個月后淀區(qū)水動力的改善情況,和不補水時(情景1)相比,淀區(qū)整體水動力條件都有所改善,淀區(qū)平均流速從0.003 m/s提高到0.006 m/s。其中西北角水動力改善最為明顯,西北角平均流速從0.003 m/s提高到0.01 m/s。圖5(情景3—2)顯示了連續(xù)補水2個月后淀區(qū)的水動力改善情況,淀區(qū)整體水動力條件也都有所改善,淀區(qū)平均流速從0.003 m/s提高到0.005 m/s,西北角平均流速從0.003 m/s提高到0.007 m/s。連續(xù)補水2個月對淀區(qū)水動力條件的改善效果和連續(xù)補水1個月相比稍差,這主要是由于在補水量一定的情況下,延長補水時間,則補水流量較小,但和不補水時相比,淀區(qū)水動力條件整體都有所提升。

圖5 南水北調(diào)中線相機補水對白洋淀濕地水動力的改善情況Fig.5 Hydrodynamic improvement of the Baiyangdian wetland under the water replenishment scenarios of the middle route of south-to-north water diversion project

2.4 上游水庫相機補水情景結(jié)果分析

上世紀60年代以來,白洋淀上游陸續(xù)修建了6座大型水庫。上世紀80年代白洋淀發(fā)生連續(xù)5年干淀以后,上游王快水庫、安各莊水庫和西大洋水庫多次臨時進行生態(tài)補水,對維持白洋淀濕地生態(tài)功能起到了重要作用,可作為近期白洋淀補水的重要水源。

表2列舉了王快水庫、安各莊水庫和西大洋水庫歷年調(diào)水補淀的情況。在引黃入冀補充淀區(qū)剛性需水的基礎(chǔ)上,根據(jù)白洋淀濕地彈性生態(tài)需水需求及歷年各大水庫最大補水潛力,設(shè)置了情景4—1和情景4—2以探究上游水庫相機補水對白洋淀濕地水動力的改善情況。圖6(情景4—1)顯示了上游水庫連續(xù)補水1個月后淀區(qū)水動力的改善情況,和不補水時(情景1)相比,淀區(qū)整體水動力條件都有所改善,淀區(qū)平均流速從0.003 m/s提高到0.005 m/s。此種補水方式對淀區(qū)南部水動力的改善最為明顯,淀區(qū)南部平均流速從0.003 m/s提高到0.006 m/s。圖6(情景4—2)顯示了連續(xù)補水2個月后淀區(qū)的水動力改善情況,淀區(qū)整體水動力條件也都有所改善,淀區(qū)平均流速從0.003 m/s提高到0.004 m/s,淀區(qū)南部平均流速從0.003 m/s提高到0.005 m/s。上游三個水庫聯(lián)合向淀區(qū)進行生態(tài)補水的補水方式有利于淀區(qū)西北角和南部水體的循環(huán)流動,但東北角由于水面寬闊,同時白溝引河補水流量較小導(dǎo)致補水對東北角水動力條件沒有明顯改善。在南水北調(diào)中線通水后,上游大型水庫進一步增強了相機向白洋淀補水的能力,如若未來安各莊水庫補水潛力進一步增大,則上游三個水庫聯(lián)合向淀區(qū)補水的方式能夠極大地促進淀區(qū)整體的水動力循環(huán)流動。

表2 王快水庫、安各莊水庫和西大洋水庫歷年調(diào)水補淀情況表[28]

圖6 上游水庫相機補水對白洋淀濕地水動力的改善情況Fig.6 Hydrodynamic improvement of Baiyangdian wetland under the water replenishment scenarios of upstream reservoirs

2.5 南水北調(diào)東線應(yīng)急補水情景結(jié)果分析

南水北調(diào)東線一期向北延伸應(yīng)急供水線路沿清涼江輸水至徐沙閘上,經(jīng)武邑縣江河干渠與引黃入淀輸水河道滏東排河相連,經(jīng)已完建的引黃入冀補淀線路可輸水至白洋淀[32]。在引黃入冀補淀工程遇枯水年時,利用南水北調(diào)東線應(yīng)急調(diào)水來滿足白洋淀的生態(tài)用水需求,生態(tài)補水量為2.0億m3[32]。

情景5在引黃入冀補充淀區(qū)剛性需水的基礎(chǔ)上,增加了南水北調(diào)東線應(yīng)急補水以補充淀區(qū)彈性需水。考慮到南水北調(diào)東線一期向北延伸應(yīng)急供水線路最終經(jīng)引黃入冀補淀線路輸水至白洋淀,補水流量設(shè)置為引黃入冀補淀工程入白洋淀設(shè)計流量30 m3/s,以探究該補水方式對淀區(qū)水動力的最大改善效果。圖7(情景5)顯示了南水北調(diào)東線應(yīng)急補水最大入淀流量下淀區(qū)水動力的改善情況,和不補水時(情景1)相比,淀區(qū)整體平均流速從0.003 m/s提高到0.004 m/s。其中以小白河入口處改善最為明顯,向北逐漸減弱,淀區(qū)東南部水動力情況改善較大,東南部平均流速從0.0035 m/s提高到0.0053 m/s,改善范圍約占淀區(qū)面積的20%。

圖7 南水北調(diào)東線應(yīng)急補水對白洋淀濕地水動力的改善情況Fig.7 Hydrodynamic improvement of Baiyangdian wetland under the water replenishment scenarios of the eastern route of the south-to-north water diversion project

2.6 討論

2.6.1情景結(jié)果分析

表3總結(jié)對比了不同情景下水動力提升明顯的區(qū)域及淀區(qū)整體水動力改善情況。由于白洋淀湖盆呈淺碟型結(jié)構(gòu),決定了其具有水深淺、面積大、蒸發(fā)強、調(diào)蓄弱等特征。綜合以上情景結(jié)果發(fā)現(xiàn),通過單一入口補水時,僅在補水入口處水動力改善較明顯,影響范圍僅占淀區(qū)的15%—20%。在多水源補水的情況下,尤其是在引黃入冀補淀和上游王快水庫、安各莊水庫和西大洋水庫共同補水的情景下,由于入流口分散,帶動了淀區(qū)整體水體的循環(huán)流動,使淀區(qū)流場分布較均勻,對整體水動力條件改善較明顯。但由于淀區(qū)西北角與其他部分之間的連通渠道相對狹窄,因此南水北調(diào)中線由瀑河和萍河入淀補水時僅能顯著改善淀區(qū)西北角的水動力情況,對淀區(qū)東南部的改善效果不大。從補水時間的角度,當補水量一定時,短期較大流量的補水方式對淀區(qū)水動力的改善效果優(yōu)于長期較小流量的補水方式。

白洋淀濕地理想的水動力情況是水系流動通暢,流場分布較均勻合理,整體水域流速達到0.01—0.03 m/s。根據(jù)研究結(jié)果,僅在情景3—1引黃入冀補淀和南水北調(diào)中線連續(xù)補水1個月后淀區(qū)西北角平均流速能達到0.01 m/s,但由于西北角與淀區(qū)其他部分連通條件不佳,淀區(qū)整體平均流速僅為0.006 m/s,其余情景下水體流速也均沒有達到這個理想范圍。因此,除了通過多水源補給之外,還需綜合局部推流、地形營造等其他手段來共同改善淀區(qū)水動力條件。

表3 不同情景下水動力提升區(qū)域及整體改善情況

通過優(yōu)化淀區(qū)水動力條件,能夠提高水體自凈能力、增加水體透明度、改善水質(zhì)、提高生物多樣性。在此基礎(chǔ)上進一步調(diào)整和優(yōu)化水生生物群落結(jié)構(gòu),以最終達到增強濕地整體景觀效果以及改善和恢復(fù)濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的目的。因此,研究分析多水源補給條件下白洋淀濕地水動力優(yōu)化情況不僅對于保障白洋淀濕地水資源和水生態(tài)安全具有重大意義,同時也是構(gòu)建雄安新區(qū)藍綠交織、清新明亮、水城共融的生態(tài)城市的必然要求。

2.6.2模擬結(jié)果適宜性及不確定性分析

本文分別從數(shù)據(jù)來源靠譜、情景設(shè)置合理和模型選擇適宜三個角度判斷模擬結(jié)果的合理性。

① 數(shù)據(jù)來源靠譜。數(shù)據(jù)主要來自河北省水利廳、中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)和項目組實測,實測地形數(shù)據(jù)與文獻報道的地形數(shù)據(jù)比對后基本一致。

② 情景設(shè)置合理。各情景下的剛性需水和彈性需水量主要依據(jù)《白洋淀水資源保障規(guī)劃(2017—2030年)》、《南水北調(diào)東線一期工程向北延伸應(yīng)急供水方案研究報告》及文獻報道值確定。

③ 模型選擇適宜。MIKE 21是常用的水動力水質(zhì)模型,已廣泛應(yīng)用于港口、河流、湖泊、河口及海岸的水動力模擬研究。2.1節(jié)中詳細描述了模型率定驗證過程,結(jié)果表明白洋淀濕地實測水位與模擬水位吻合較好,入流、出流、降雨和蒸發(fā)之間有很好的水量平衡關(guān)系,模擬誤差控制在模型計算要求范圍內(nèi),該模型適宜于白洋淀的水動力模擬。

根據(jù)以上3點可以判斷模型預(yù)測結(jié)果合理,模擬結(jié)果的不確定性主要來自兩個方面：一是模型本身的不確定性。主要包括參數(shù)、邊界條件等導(dǎo)致的模擬結(jié)果不確定,一般采用拉丁超立方體抽樣—廣義似然不確定性估計(LHS—GLUE)和SCEM—UA方法分析水動力學(xué)模型的不確定性。本文研究重點在于探究多水源補給對白洋淀濕地水動力的影響,模型只是作為分析工具,通過率定驗證后適用于白洋淀水動力模擬即可,因此此處不再對模型本身的不確定性開展系統(tǒng)研究。二是實際補水情景的不確定性。目前補水方案的設(shè)置是建立在以往實際補水情景和各規(guī)劃補水方案的基礎(chǔ)上,將來實際補水方式和補水量不一定和情景設(shè)置完全吻合,但各情景模擬結(jié)果對于多水源補給對白洋淀濕地水動力影響程度仍具有重要參考價值,研究結(jié)果為白洋淀濕地水資源保障和促進淀區(qū)水體循環(huán)流動提供了科學(xué)依據(jù)。

3 結(jié)論

本研究針對近年來白洋淀濕地水資源供給嚴重不足導(dǎo)致的大面積河道斷流、湖泊萎縮、淀泊水動力喪失等問題,分析不同水源補水情景下對淀區(qū)水動力條件的改善效果。結(jié)果表明：(1)不補水時白洋淀濕地整體水動力條件不佳,淀區(qū)平均流速僅0.003 m/s,尤其是西南角馬棚淀等區(qū)域水體幾乎不流動,易形成死水區(qū)。(2)引黃入冀補淀對小白河入口處水動力有明顯改善,但對淀區(qū)水動力整體改善效果不佳,影響范圍僅占淀區(qū)面積的15%左右。即使建設(shè)小白河—潴龍河連通工程從小白河、潴龍河雙徑入淀也無法在淀區(qū)西南角和東南角區(qū)域形成水體連通流動。(3)南水北調(diào)中線相機補水對西北角水動力改善最為明顯,同時對淀區(qū)平均流速的提升最大。(4)上游水庫聯(lián)合向淀區(qū)補水的方式由于入淀口分散,對淀區(qū)整體水動力循環(huán)流動的促進效果最好。(5)南水北調(diào)東線應(yīng)急補水最終入淀線路與引黃入冀補淀一致,對淀區(qū)水動力的改善效果也和引黃入冀補淀類似,在最大入淀流量下主要對淀區(qū)東南部水動力情況改善較大。