感潮河段城市湿地水动力模拟及改善方案研究

丁 磊，陈黎明，王逸飞，缴 健

(1.南京水利科学研究院 港口航道泥沙工程交通行业重点实验室, 江苏 南京 210029； 2.南京水利科学研究院水灾害防御全国重点实验室, 江苏 南京 210029)

湿地为位于水、陆过渡区域的独特生态系统[1]，具有固碳释氧、净化水质、涵养水源、水土保持等作用[2-3]。城市湿地公园规模相对较小，但具有调节局部小气候、旅游休闲等功能。湿地普遍存在水体流动能力较弱的问题，因此如何改善湿地水体交换能力，提高水体自净能力一直是研究热点。贾瑞鹏等[4]设定不同的生态补水情景，分析了湖泊水动力、水质的演化特征；张珮纶等[5]综述了国内湿地生态补水方案的方法体系；王凯霖等[6]分析了人工补水条件下白洋淀湿地演变；王璇等[7]分析了不同补水方案对北京汉石桥湿地水动力改善效果；陈黎明等[8]研究了不同工程分布方案下城市湿地公园水动力状况及水体交换特性；王志鹏[9]提出了三江平原挠力河湿地群湿地补水方案优化方法；隗岚琳等[10]以绿水湾湿地为研究对象，监测湿地水文变化及信号特征，构建湿地水热运移与氮迁移转化模型，揭示潮汐过程对湿地水热储量和除氮的影响及其季节性差异。

在推进长江大保护的过程中，滨江湿地日益被重视。位于长江下游感潮河段的城市湿地受潮位变动影响，水动力条件复杂，在枯水期存在蓄水能力差的问题。长江南京段绿水湾湿地是感潮河段城市湿地的典型代表，地表径流的天然平衡条件已遭破坏，蓄水量失调，同时因现状水系不畅，部分区域及时段水质较差。刘云等[11]对绿水湾湿地进行健康评价时认为存在受人类影响较严重的区域，需采取必要的工程措施改善湿地环境。

本文以绿水湾湿地为例，开展感潮河段城市湿地水动力模拟及改善方案研究。通过建立湿地平面二维水动力模型，计算不同水文条件下湿地流场，分析潮位变动对绿水湾湿地水动力的影响。模拟不同闸泵调度措施对水体流动性的改善效果，提出水动力改善方案。

1 设计概况

绿水湾湿地工程位于江苏省南京市江北新区长江大堤东侧，是江北岸线重要工程之一。汇入绿水湾湿地的支流包括五里河、城南河、七里河（图1（a）），绿水湾可分为3 个区域即城市客厅、夹江及湿地公园（图1（b））。自然径流补给状况下，湿地水位存在年内变化大、保证率不高的问题，无法满足湿地保护、水源涵养的需要。现状通过向支流补水方式涵养湿地水源，五里河平均流量1.62 m3/s，两河（城南河、七里河）总流量为8.2 m3/s。

图1 区域水系概况及功能区划分Fig.1 Overview of regional water system and division of functional areas

绿水湾湿地各区域间由现状已存在的堤防隔开。西侧主堤与陆地隔开，内部隔堤将湿地内部分为6 个相对独立区域（图2），区域间由涵洞连接，研究区域东侧血防堤将研究区域与外江隔开，仅能通过绿水湾闸与外江连通。各堤防高程如表1 所示，本文所有高程体系均采用85 高程。

表1 绿水湾堤防Tab.1 The embankment of Lvshuiwan

图2 堤防位置及绿水湾湿地区域划分Fig.2 Location of embankments and division of Lvshuiwan Wetland area

水闸位于两河入江口下游400 m 处，枯季外江水位较低，为保证绿水湾内水位及蓄水量，需关闭下游绿水湾闸，保证绿水湾内水位达到4.5 m。洪季外江水位较高，基本高于4.5 m，开启闸门。

绿水湾内共设置6 个活水泵站进行补水（图3），其中补水点1-1、补水点1-2、补水点2-1、补水点2-2 的补水流量为0.5 m3/s，补水点2-3、补水点2-4 的补水流量为1.0 m3/s。现状两河（城南河、七里河）约一半流量由长江补水而得，活水泵站建成并运用后，两河将不再由长江补水，此时五里河、两河进入绿水湾湿地的水量均会有所减小，五里河平均流量为0.81 m3/s，两河（城南河、七里河）总流量为4.1 m3/s。

图3 绿水湾湿地建筑物位置及设计高程Fig.3 Geographical placement and design elevation of buildings within Lvshuiwan Wetland

绿水湾湿地设计高程如图3 所示。夹江区域高程略低，基本低于3 m，区域4、5、6 深槽高程为2.5 m，区域1 深槽高程为2.8 m，区域2 深槽高程为3.5 m。拟建绿水湾闸上游约2 km 处夹江存在高程约8 m的堰（现状为城南河广场），堰中间有宽约10 m 的过水通道。如绿水湾湿地下游保持与长江自然相通，则存在水域面积受潮汐影响明显、保证率低的问题。根据近5 年（2017—2021 年）长江大通流量与南京站潮水位关系、绿水湾湿地水位与面积关系曲线，2018 年为枯水年（大通年均流量24 670 m3/s），绿水湾湿地设计地形条件下，水域面积超过4 km2的保证率为21%。枯季（1—4 月、11—12 月）水域面积超过2 km2的保证率仅为1%。2020 年为丰水年（大通年均流量36 300 m3/s），绿水湾湿地设计地形条件下，水域面积超过4 km2的保证率为42%。枯季（1—4 月、11—12 月）水域面积超过2 km2的保证率仅为8%。为满足湿地保护、水源涵养的需要，可考虑在绿水湾湿地公园下游设置水闸（闸顶高程4.5 m），可在枯水条件下维持绿水湾内水面面积达到6.4 km2。

2 模型构建

本文应用二维非恒定流浅水方程组，采用有限体积法对方程组进行数值求解，模拟计算绿水湾湿地水动力状况。二维浅水方程和对流-扩散方程的守恒形式为：

式中：h为水深；u、v分别为x、y方向上平均流速分量；t为时间；g为重力加速度；s0x、sfx分别为x方向上的水底底坡、摩阻坡度；s0y、sfy分别为y方向上的水底底坡、摩阻坡度。

以绿水湾水域为主要研究范围，构建平面二维水动力数学模型。模型北边界位于两河入江口下游400 m 处，西边界为长江主堤，东边界为血防堤，南边界为血防堤与子堤。采用三角形网格对计算区域进行划分：网格尺寸为10～50 m，共计54 660 个节点，107 884 个网格单元（图4）；最大网格面积为1 673.4 m2，最小网格面积为4.5 m2。

由于城市客厅区、湿地公园区（图1）内水系复杂，河道较为狭窄，模型主要对城市客厅区、湿地公园区两部分区域进行局部加密，平均网格面积约为75 m2，针对水闸上游宽顶堰，修改周围地面高程至8 m，并在堰中间留出宽为10 m 过水通道。夹江网格相对较大，平均网格面积约680 m2。根据湿地设计图纸，采用设计水下地形资料对模型进行概化，整个区域内堤顶高程均高于6 m。

流量边界为五里泵站、城南河、七里河的流量过程，及生态补水流量过程。水位边界为闸址位置水位过程。外江水位过程取2021 年2 月（枯季工况）、8 月（洪季工况）及5 月（过渡季工况）长江南京段潮位过程曲线（图5）。

图5 2021 年长江南京段潮位过程Fig.5 Tidal level variation in the Nanjing Section of the Yangtze River in 2021

为了反映水边线的变化，采用富裕水深法根据水位的变化连续修正水边线，在计算中判断每个单元的水深，当单元水深大于富裕水深时，将单元开放，作为计算水域，反之，将单元关闭，置流速为0，模型中设置干湿单元，其中完全干单元设置为0.005 m，完全湿单元为0.100 m。模型糙率的取值范围为0.030～0.035，深槽和滩地略有不同；紊动黏滞系数通过Smagorinsky 方程求解获得。

3 数值模型计算

3.1 方案设置

设置7 种计算方案（表2），以研究不同水文条件下闸泵建设及调度方案对绿水湾内水动力特征的影响。闸门具体调度为：闸顶高程4.5 m，长江潮位低于4.5 m 时关闸，长江潮位高于4.5 m 时开闸。补水泵站调度具体为区域1、2 外源补水流量为1.0 m3/s，区域4、5、6 外源补水流量为3.0 m3/s。设置5 月为过渡季工况以分析水动力对藻类生长的影响，因为5 月为绿水湾内藻类最易暴发的时间，为了预防藻类暴发，通常需要控制水体的换水周期小于14 d。

表2 计算方案Tab.2 Calculation scheme

3.2 计算结果分析

3.2.1 闸泵运用前 闸泵运用前，枯季、洪季、过渡季大潮落急时刻各区域水面面积占比见表3。枯季时（图6（a）、表4），仅有区域2、3、5 过水。区域2 受五里河入流影响，约80%区域流速为0.01～0.05 m/s。区域3 几乎无流动的区域集中在过水通道上游，过水通道下游流速普遍较高，两河入口及过水通道附近流速较大。区域5 因有涵洞与夹江相通，部分区域被水体覆盖，但总体流速较低。洪季时（图6（b）、表4），区域4、5、6 水面面积有明显增加。区域1 与区域2 五里河上游已蓄水但几乎无流动，区域2 五里河下游因水深增大，流速比枯季时有所降低。区域3 过水通道下游流速普遍大于0.05 m/s。区域4 几乎无流动。区域5 流速较大区域集中在深槽。区域6 约60%区域流速大于0.01 m/s。过渡季时（图6（c）、表4），大潮动力过程与洪季较为接近，流速分布规律基本相同。

表3 闸泵运用前大潮落急时刻水面面积占比Tab.3 Proportion of water surface area during peak high tide before implementation of gate pumps

表4 闸泵运用前不同流速区间的面积占比Tab.4 Proportion of area in different flow velocity ranges prior to the implementation of gate pump

图6 闸泵运用前不同季节流速分布模拟结果Fig.6 Distribution of flow velocity in simulation results during different seasons prior to the implementation of gate pumps

3.2.2 闸泵运用后 当两河口下游绿水湾闸建成并运行后，绿水湾湿地内部将不再受涨落潮影响，配合活水泵站可使得绿水湾湿地水位稳定保持在4.5 m 以上。

（1）仅关闸工况下，枯季时（图7（a）、表5），区域1、4、5、6 内水几乎无流动，区域2 有超过60%的区域水几乎无流动，区域3 受关闸影响水动力明显减弱，几乎无流动区域占比高达95%。过渡季时（图7（b）、表5），区域1 内水几乎无流动，区域2 有超过70%的区域水几乎无流动，区域3 水动力条件相对较强，有90%的区域流速超过0.01 m/s，区域4 有超过90%的水几乎无流动，区域5、6 分别有约65%、50%的区域水几乎无流动。洪季时，由于区域内水位均高于4.5 m，闸门全开，计算结果与闸泵运用前工况一致。

表5 仅关闸条件下不同流速区间的面积占比Tab.5 Proportion of area in different flow velocity ranges under gate closure conditions only

图7 仅关闸条件下不同季节流速分布模拟结果Fig.7 Distribution of flow velocity in simulation results during different seasons under closed gate conditions only

（2）闸泵组合工况下，枯季时（图8（a）、表6），区域1、4、5 有10% 的区域水流速大于0.01 m/s，有约75%的区域水几乎无流动。区域2 有超过40% 的区域流速大于0.01 m/s，但有约35% 的区域几乎无流动。区域3 有约20%的区域水流速大于0.01 m/s，有55%的区域几乎无流动。区域1、2、3、4、5 最大流速均大于0.05 m/s，区域6 处于几乎静止状态。过渡季时（图8（b）、表6），区域1、4 约有10%的区域流速大于0.01 m/s，有约80%的区域几乎无流动。区域2 有超过25%的区域流速大于0.01 m/s，但有约40%的区域几乎无流动。区域3 水动力条件相对较强，有约90%的区域流速大于0.01 m/s，有5%的区域几乎无流动。区域5 有20%的区域流速大于0.01 m/s，有约60%的区域几乎无流动。区域6 有10%的区域流速大于0.01 m/s，集中在上游进口及下游出口位置，有约50%的区域水几乎无流动。洪季时，由于闸门全开，补水泵站不开启，不单独计算该工况。

表6 闸泵组合下不同流速区间的面积占比Tab.6 The proportion of area in different flow velocity ranges under combined gate and pump conditions

图8 闸泵组合下不同季节流速分布模拟结果Fig.8 Distribution of flow velocity in simulation results during different seasons under combined gate and pump conditions

4 分析与评价

4.1 潮汐影响分析

潮流流速观测点位置见图3。根据观测结果可知，枯季时，长江潮差大于洪季，但因水位较低，涨潮流在夹江上溯过程中受两河入流顶托影响，仅两河口下游有限范围内表现出往复流特征，半日周期中约1/6 时段表现为涨潮流，流速变化明显，最大涨潮流速接近0.2 m/s，其他时段表现为落潮流特性，流速基本稳定在0.15 m/s（图9）。洪季时，拟建闸址处半日周期中约1/6 时段表现为涨潮流，最大涨潮流速接近0.25 m/s，其他时段表现为落潮流特性，最大流速为0.12 m/s（图10）。

4.2 调度影响分析

仅闸门调度工况下，与建闸前相比，枯季水域面积大幅增加，主要集中在区域1、4、5、6 及区域2 上游部分，但增加水域水体几乎无流动。区域3 受建闸影响水动力明显减弱，几乎无流动区域占比高达95%；过渡季区域1 的水动力没有变化，几乎无流动，区域2、4、5 也无太大变化，区域3 中的下游闸门对夹江的影响最大，流速大于0.01 m/s 的区域面积由70%上升至约90%，区域6 水动力条件明显提升，几乎无流动区域占比由50%下降至20%。

闸门泵站联合调度工况下，与仅建闸相比，枯季各区域流速有明显提升，几乎无流动的区域1、4、5 中约10%水域流速提升至0.01 m/s 以上，流动性较弱的区域2、3 水体流动性有效提高，流速大于0.01 m/s 区域面积为补水泵站运用前的4 倍，区域6 水体流动性无明显变化；过渡季时，原本几乎静止的区域1 有10%以上区域流速大于0.01 m/s，区域最大流速大于0.05 m/s，区域2 流速为0.01～0.05 m/s 的面积由10%增加至25%，主要集中在区域2 上游，区域3 夹江内的流速变化不大，区域4 下游流速变化不大，但上游受补水泵站影响，部分水体流速增至0.01 m/s 以上，区域5、6 水体流动性无明显变化。

4.3 工程效果评价

闸门调度时可以抬高绿水湾内水位，增加水面面积，但绿水湾内部分区域流速减小。闸泵联合调度后，由于只有区域6 没有补水口，因此相较于只开闸工况，枯季除区域6 外，水动力条件都有明显改善。相对枯季，过渡季外江水动力条件本身较强，区域3 和5 与外江有水体交换，故补水效果不明显；而区域6 没有补水口。因此，过渡季补水对区域1、2、4 的水动力条件有较好改善效果，而对区域3、5、6 的改善效果并不明显。

建议在枯季开启所有补水口进行生态补水，提高绿水湾各区域内水动力条件；在外江来水较多的过渡季及洪季关闭区域3 及区域5 的补水口。针对区域4、5 生态补水难以置换到主槽外坑塘区域的情况，建议可结合湿地植被重构布置净水能力较强的挺水或沉水植物，以提高其区域水体自净能力。区域6 整体水体交换能力较差，建议增设补水点，加强其水体交换能力。

5 结 语

长江南京段绿水湾湿地是感潮河段城市湿地的典型代表，现状条件下受潮汐变动水位影响存在蓄水量失调、枯季时水面面积保证率低等问题，可考虑建闸涵养水源，设置补水泵站保障湿地水体有效流动。数值模拟结果表明，闸泵联合调度后，枯季大部分区域水动力条件明显改善，但仍存在局部滞水区。针对生态补水难以置换到主槽外坑塘区域的问题，建议结合湿地植被重构布置净水能力较强的挺水或沉水植物，提高区域水体自净能力。4—5 月绿水湾内上游区域的水动力条件有较好改善效果，而下游区域的改善效果并不明显。建议增设补水点，增加下游区生态水体交换能力，降低夹江及其他滞水区域的水体富营养化风险。