天角潭水利樞紐工程近、遠(yuǎn)期供水方案對北門江河口水環(huán)境影響研究

張志廣，李 準(zhǔn)，金 弈，王 浪，鄧景軍，趙高磊

(1.中國電建北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024；2.海南省水利電力集團有限公司，海南 ?？?570203；3.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河口開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065)

0 引 言

入海河口作為一種特殊的水體，往往成為人類活動密集的地區(qū)或經(jīng)濟中心[1-2]。如，我國的長江口、珠江口和黃河口等。近年來，人類活動對河口帶來的一系列生態(tài)環(huán)境問題已成為河口研究的熱點。Andrew等[3]采用Mike21模型得到舊金山河口水質(zhì)惡化的原因為上游水資源的過度開發(fā)利用；趙高磊等[4]研究了北門江徑流變化對河口段水環(huán)境的影響；周榮香等[5]采用一、三維耦合水流鹽度模型研究了珠江河口咸潮上溯機制；Burchard等[6]提出河口環(huán)流強度隨鹽度梯度的增大而明顯增大；潘明婕等[7]通過采用三維水流鹽度模型研究了臺風(fēng)過境期間磨刀門水道咸潮上溯的動力機制；姚姍姍等[8]采用二維數(shù)學(xué)模型研究了海棠灣規(guī)劃水系水體交換能力。天角潭水利樞紐建成后，改變了壩下河道的水文過程，豐水期水量有所減少，枯水期水量有所增加，這些變化可能引起北門江河口咸潮上溯、鹽度、河口海域沖淡水區(qū)變化等生態(tài)環(huán)境問題。為此，需要定量分析天角潭水利樞紐運行后對河口水環(huán)境的影響程度和范圍。

本文以天角潭水利樞紐工程近期、遠(yuǎn)期供水方案為依據(jù)，采用平面二維數(shù)學(xué)模型定量分析了天角潭水利樞紐工程兩種供水方案對河口水環(huán)境的影響。

1 工程概況

1.1 流域概況

北門江流域位于海南島西北部，東經(jīng)109°18′～109°39′和北緯19°24′～19°48′之間，流域集雨面積為621 km2，干流河長67 km，干流平均坡降0.21%。北門江從東南向西北流，地形總的趨勢東南高，西北低，由東南內(nèi)陸向西北沿海逐漸降低。流域上游屬丘陵區(qū)，下游屬階地和海濱平原區(qū)，地勢平坦。北門江有東西兩源，其中西支沙河為干流，發(fā)源于儋州市的紗帽嶺，向北流經(jīng)西培農(nóng)場至沙河村從左岸匯入牙拉河，流域面積84.7 km2；東支為南茶河，發(fā)源于蓮花嶺，向北流經(jīng)南洋農(nóng)場、新村至牙拉河苗圃從右岸匯入牙拉河，流域面積110 km2，河長19.4 km，干流平均坡降0.43%。東西兩支于儋州市沙河村匯合后稱“牙拉河”，再北流與巴黎河匯合后始稱“北門江”，經(jīng)長坡、東成、中和等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，于新英灣出海。沿途小支流較多，較大的分叉支流主要位于西慶二十五隊、西聯(lián)光明隊以及天角潭水陂附近，北門江流域水系圖見圖1。

圖1 北門江流域水系

1.2 工程概況

天角潭水利樞紐工程位于北門江干流天角潭水陂上游500 m處，是國家172項重大水利工程項目，也是《海南省北門江流域規(guī)劃(修編)》《海南水網(wǎng)規(guī)劃》中確定的近期建設(shè)的大(2)型水利樞紐工程。工程任務(wù)以工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧發(fā)電等綜合利用。水庫正常蓄水位58.0 m，興利庫容為1.54億m3，總庫容1.94億m3，具有多年調(diào)節(jié)性能。工程近期(2030年)多年平均供水量為7 974萬m3，全部用于農(nóng)業(yè)灌溉；遠(yuǎn)期(2040年)多年平均供水量為13 557萬m3，其中工業(yè)供水量為6 138萬m3，農(nóng)業(yè)灌溉供水量為7 419萬m3。工程主要建設(shè)內(nèi)容包括1座主壩、4座副壩、引水隧洞、渠首電站、壩后電站、天角潭總干渠、過魚設(shè)施、增殖放流站等。其中，主壩最大壩高52 m，副壩最大壩高32 m，渠首和壩后電站總裝機容量5 000 kW。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 水動力方程

水動力控制方程為經(jīng)Navier-Stokes方程沿深積分的二維淺水方程組

(1)

(2)

(3)

式中，h=η+d為總水深；η為自由面高程；d為靜水深；x和y分別表示橫軸和縱軸坐標(biāo)；t為時間；g為重力加速度；U和V分別為沿x和y方向的垂向平均流速；ρ=ρ(T，S)為與溫度、鹽度相關(guān)的水體密度；ρ0為參考密度；Tij為應(yīng)力項，包括粘性應(yīng)力、紊流應(yīng)力和對流等，與流速梯度相關(guān)。

(4)

式中，cf為拖曳力系數(shù)，cf=g/C2。

水平渦粘性系數(shù)采用Samagorinsky亞網(wǎng)格尺度模型求解，渦粘系數(shù)

(5)

式中，Cs為可調(diào)系數(shù)；Sij為變形速率，與速度梯度相關(guān)。

2.2 鹽度擴散方程

鹽度擴散模擬采用對流擴散方程

(6)

式中，S為鹽度；Dh為水平擴散系數(shù)，Dh=A/σT，σT為Prandtl數(shù)。

表1 計算工況 m3/s

3 計算結(jié)果分析

3.1 研究范圍

根據(jù)北門江河口洋浦港潮位觀測資料和北門江實測地形數(shù)據(jù)，并結(jié)合歷史水質(zhì)觀測資料，萍塘村斷面是感潮河段的主要分界斷面。本文以萍塘村斷面上游約2 km處為鹽度擴散模擬計算的上游邊界，下游至新英灣至開源大道外7.5 km的部分海域(洋浦鼻外海域約3.5 km)，圖2和圖3分別為研究范圍和計算網(wǎng)格示意圖。

圖2 研究范圍示意

圖3 計算網(wǎng)格示意

3.2 咸潮上溯距離

3.2.1 計算工況

根據(jù)天角潭水利樞紐工程近期和遠(yuǎn)期供水方案典型豐、平、枯水年水庫下泄流量情況，并結(jié)合河口潮汐特征，確定了北門江河口咸潮上溯距離計算工況(見表1)。從表1可以看出，遠(yuǎn)期供水方案豐水年7月由于水庫供水增加，致使北門江河口流量由近期方案的37.81 m3/s減小到15.42 m3/s，其余工況近期、遠(yuǎn)期供水方案下北門江河口處流量無差異。

3.2.2 計算結(jié)果

近期供水方案和遠(yuǎn)期供水方案北門江河口咸潮上溯預(yù)測結(jié)果對比見表2。近期供水方案天角潭水庫建庫后，豐水年6月、豐水年7月、平水年6月河口咸潮上溯距離均較天角潭水庫運行前有所增加，分別增加了1 680、299、1 240 m，咸潮上溯最大增加距離為1 680 m，發(fā)生在豐水年6月；豐水年4月和平水年11月，河口咸潮上溯距離較天角潭建庫前有所減少，分別減少了686 m和100 m；豐水年9月由于天角潭水庫建庫前后河口處流量較大，均在60.0 m3/s以上，在河口大流量的作用下，北門江河口不會發(fā)生咸潮上溯情況。因遠(yuǎn)期供水方案與近期供水方案北門江河口處流量差異主要體現(xiàn)在豐水年7月，天角潭水庫建庫后咸潮上溯距離較建庫前增加了1 940 m，咸潮上溯最大增加距離較近期方案增加260 m。

表2 近、遠(yuǎn)期供水方案下北門江河口咸潮上溯預(yù)測結(jié)果 m

3.3 沿程鹽度

3.3.1 計算工況

本文以天角潭水庫建庫前后北門江河口流量差異最大的月份為典型代表工況，研究天角潭水庫建庫后北門江河口沿程鹽度變化特征，計算工況見表1中的工況1～工況3。

3.3.2 計算結(jié)果

河口是海水和河水的混合區(qū)。近期供水方案，豐水年6月天角潭水庫建庫前河口鹽度較小，僅為13.9‰，建庫后由于河口流量減少，河口鹽度升高至24.1‰。從圖4a中可以看出，豐水年6月建庫前河道中鹽度沿程下降速度較快，從13.9‰降至0.5‰的距離僅550 m左右，建庫后自河口1 000 m(譚龍斷面)以內(nèi)，鹽度下降較快(從24.1‰下降至12.6‰左右)，2 000 m內(nèi)(攀步斷面)鹽度降低至2.0‰；在2 400 m以內(nèi)鹽度降低到0.5‰，咸潮上溯距離為2 230 m，與建庫前比，咸潮上溯距離增加約1 680 m。圖4b給出了豐水年7月建庫前后河口沿程鹽度分布圖，建庫前河口斷面最大鹽度為13.1‰，建庫后河口鹽度為17.3‰，自河口230 m左右，鹽度從17.31‰降至1.53‰，降低幅度約91.16%，建庫后的鹽度降低速度明顯低于建庫前。圖4c給出了平水年6月建庫前后河口沿程鹽度分布圖，建庫前河口斷面最大鹽度約為20.9‰，建庫后河口斷面鹽度為24.9‰，建庫后的鹽度降低速度明顯低于建庫前。

圖4 近期供水方案典型豐水年6月、7月和平水年6月天角潭運行前后河口沿程鹽度變化

表3 新英灣海域沖淡區(qū)計算工況 m3/s

表4 近、遠(yuǎn)期供水方案下新英灣海域沖淡水區(qū)面積預(yù)測結(jié)果

遠(yuǎn)期供水方案較近期供水方案在豐水年7月天角潭水庫下泄流量有較大改變，其余時段與近期供水方案基本一致。圖5給出了遠(yuǎn)期方案下豐水年7月天角潭建庫前后河口沿程鹽度變化圖，建庫后河口斷面(陋陳斷面)鹽度增加到23.02‰，譚龍斷面的鹽度為4.54‰，河口(陋陳斷面)到近攀步村斷面(距離河口1 850 m)，鹽度由河口斷面的23.02‰降至1.53‰，降低幅度約93.2%，建庫后的鹽度降低速度明顯低于建庫前。

圖5 遠(yuǎn)期供水方案豐水年7月天角潭運行前后河口沿程鹽度變化

豐水年6月和平水年6月，天角潭水庫建設(shè)前后近期供水方案和遠(yuǎn)期供水方案河口沿程鹽度變化過程一致；豐水年7月，遠(yuǎn)期供水方案由于水庫下泄流量建少，建庫后河口(陋陳斷面)斷面較近期方案增加了鹽度5.72‰。

3.4 新英灣海域沖淡水區(qū)預(yù)測

3.4.1 計算工況

北門江河口新英灣海域沖淡區(qū)主要受上游來流和潮汐影響，本研究根據(jù)天角潭水利樞紐工程近、遠(yuǎn)期供水方案河口處流量變化特征及洋浦港潮汐變化特征，確定新英灣海域沖淡區(qū)計算工況，見表3。

3.4.2 計算結(jié)果

表4給出了天角潭水利樞紐工程近、遠(yuǎn)期供水方案下新英灣海域沖淡水區(qū)面積變化情況。近期供水方案，豐水年6月最低潮位時，建庫前新英灣海域面積18.25 km2，其中沖淡區(qū)面積達(dá)17.50 km2，占總海域面積的95.89%，建庫后新英灣海域面積在最低潮位時，為18.00 km2，其中沖淡區(qū)面積略有下降為15.40 km2，占整個海域面積的85.56%，與建庫前相比，沖淡區(qū)面積和沖淡區(qū)在海域的占比均有一定程度的下降，海域中沖淡區(qū)面積占比降低了為10.33%；平水年9月在最低潮位時，建庫前的沖淡區(qū)面積約為9.90 km2，占海域面積的52.69%，建庫后沖淡區(qū)面積為9.85 km2，占海域面積的52.53%，建庫后新英灣海域中沖淡區(qū)面積占比降低了0.16%；枯水年10月在最低潮位時，建庫前新英灣海域沖淡區(qū)面積為9.85 km2，占新英灣海域面積的51.30%，建庫后的沖淡區(qū)面積為7.50 km2，占海域面積的39.26%，建庫后新英灣海域中沖淡區(qū)面積降低了12.04%。遠(yuǎn)期供水方案，工況1和工況3天角潭水利樞紐工程項目與近期供水方案下泄流量一致，對新英灣沖淡水區(qū)的影響也無差別。平水年9月(工況2)，遠(yuǎn)期供水方案由于供水量增加，導(dǎo)致河口處流量減少，新英灣海域中沖淡區(qū)面積由建庫前的9.90 km2減小到8.40 km2，沖淡區(qū)占比由建庫前的52.69%減小到45.16%，沖淡區(qū)面積占比較建庫前減小了7.53%。

近期2030年方案和遠(yuǎn)期2040年方案建庫后河口海域沖淡區(qū)占比最大減少比例為12.04%；均發(fā)生在枯水年10月。在平水年9月，遠(yuǎn)期方案，建庫前后新英灣海域中沖淡區(qū)面積占比差值較近期方案增加了7.37%。

4 結(jié) 論

(1)本文在分析天角潭水利樞紐工程近、遠(yuǎn)期供水方案和北門江河口潮汐特征的基礎(chǔ)上，采用平面二維鹽度擴散數(shù)學(xué)模型，定量預(yù)測評估了天角潭水利樞紐工程兩種供水方案對北門江河口咸潮上溯距離、沿程鹽度和新英灣海域沖淡區(qū)的影響。

(2)近期供水方案北門江河口最大咸潮上溯距離的最大增量為1 680 m，發(fā)生在豐水年6月。遠(yuǎn)期供水方案北門江河口最大咸潮上溯距離的最大增量為1 940 m，發(fā)生在豐水年7月(見表2)；較近期供水方案增加了260 m。

(3)天角潭水庫建成后，河口鹽度減低速度明顯減緩。豐水年6月和平水年6月，天角潭水庫建設(shè)前后近期供水方案和遠(yuǎn)期供水方案河口沿程鹽度變化過程一致；豐水年7月，遠(yuǎn)期供水方案由于水庫下泄流量建少，建庫后河口(陋陳斷面)斷面較近期方案增加了鹽度5.72‰。

(4)近期供水方案和遠(yuǎn)期供水方案建庫后新英灣海域沖淡區(qū)占比最大減少比例均為12.04%，發(fā)生在枯水年10月。平水年9月，遠(yuǎn)期供水方案較近期供水方案，新英灣海域中沖淡區(qū)面積占比減少比例增加了7.37%。

(5)兩供水方案對北門江河口水環(huán)境影響無顯著差別。