城市濕地公園生態(tài)補(bǔ)水調(diào)度方案對比分析

陳黎明，陳煉鋼，李褆來，陸 昊

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源研究所，江蘇 南京 210029；2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源及水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，江蘇 南京 210029)

濕地是具有水陸相兼性和過渡性的一種獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)[1]，具有旅游休閑、固碳釋氧、凈化水質(zhì)、水土保持等作用[2-3]。據(jù)統(tǒng)計，中國濕地面積占陸地總面積的5.6%，提供了96%的淡水資源[2]。城市濕地是城市的特殊組成部分,能夠改善城市的生態(tài)環(huán)境狀況、涵養(yǎng)城市水資源、維持區(qū)域內(nèi)水平衡、調(diào)節(jié)城市氣候、降解部分污染物并保持濕地內(nèi)部的生物多樣性。城市濕地內(nèi)部水系復(fù)雜，水系連通性較差時易出現(xiàn)滯水區(qū)。在城市的無序擴(kuò)張中，城市濕地在點(diǎn)源、面源、內(nèi)源復(fù)合污染影響下，面臨著面積減少、水質(zhì)惡化、生態(tài)退化等復(fù)雜問題[4-5]，亟待通過有效方式加以保護(hù)。

許多城市濕地公園的正常維持離不開生態(tài)補(bǔ)水。張樹軍等[6]將生態(tài)補(bǔ)水定義為通過采取工程或非工程措施,向因最小生態(tài)需水量無法滿足而受損的生態(tài)系統(tǒng)調(diào)水,補(bǔ)充其生態(tài)系統(tǒng)用水量,遏制生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的破壞和功能的喪失,逐漸恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)原有的、能自我調(diào)節(jié)的基本功能,或者實現(xiàn)新的生態(tài)平衡的活動。通過生態(tài)補(bǔ)水措施，可以提高水體的流動性，加大水環(huán)境容量，提升水體的自凈能力，也有利于恢復(fù)生態(tài)環(huán)境[7-8]。在城市環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會等子系統(tǒng)之間的相互交織與作用下，城市濕地公園的補(bǔ)水模式問題已經(jīng)成為限制城市濕地公園建設(shè)發(fā)展的瓶頸[9-10]。

城市濕地生態(tài)補(bǔ)水的研究主要存在補(bǔ)水水量和補(bǔ)水線路設(shè)定兩方面難點(diǎn)。首先，城市濕地生態(tài)補(bǔ)水需要一定的水量以增加水體連通性，讓“死水”成為“活水”，從而增強(qiáng)區(qū)域水體的凈化能力[11]。但生態(tài)補(bǔ)水的水量也不是越多越好，例如南京玄武湖從1997年開始實施生態(tài)補(bǔ)水，補(bǔ)水量逐年上升至35萬t/d，但近年來水質(zhì)仍日益惡化[12]；Yang等[13]也發(fā)現(xiàn)由于引水水質(zhì)的季節(jié)性變化，某些季節(jié)生態(tài)補(bǔ)水水量的增加可能導(dǎo)致水質(zhì)惡化。其次，補(bǔ)水線路的設(shè)計很大程度決定了流場分布與水質(zhì)的改善效果[14]。由于濕地生態(tài)系統(tǒng)相對脆弱，因此，區(qū)域水資源、城市濕地水質(zhì)、景觀等多目標(biāo)下城市濕地生態(tài)補(bǔ)水線路的優(yōu)化制定成為研究的難點(diǎn)[15]。

數(shù)值模擬是研究生態(tài)補(bǔ)水水量和線路的典型方法[16]。張珮綸等[17]綜合國內(nèi)實踐和研究提出，可利用模型方法建立濕地生態(tài)補(bǔ)水方案的方法體系。王志鵬[18]依托MIKE21模型構(gòu)建了濕地生態(tài)補(bǔ)水演進(jìn)模型，對三江平原撓力河濕地群的濕地補(bǔ)水方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。Xu等[19]提出了隨機(jī)水資源分配優(yōu)化模型，與現(xiàn)有供水運(yùn)行方案相比，提出的優(yōu)化方案能以較低的總成本減少供水量，同時滿足了濕地生態(tài)系統(tǒng)植物生長的需求。Alafifi等[20]構(gòu)建了美國猶他州Lower Bear河流域系統(tǒng)優(yōu)化模型，提出在8—12月通過生態(tài)補(bǔ)水增加濕地面積，提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。目前針對城市濕地生態(tài)補(bǔ)水整體水量水質(zhì)研究較多，但在細(xì)小尺度層面上對補(bǔ)水線路設(shè)計的優(yōu)化研究偏少，對其水動力特征量化方面研究則更少。本文采用水動力模型結(jié)合水齡模塊對濕地生態(tài)補(bǔ)水方案進(jìn)行模擬，從細(xì)小尺度層面上更為直觀地表現(xiàn)不同生態(tài)補(bǔ)水調(diào)度方案的特征，進(jìn)一步挖掘并發(fā)揮濕地公園的景觀和水質(zhì)凈化功能，以期與城市的發(fā)展之間形成良性互動。

1 研究區(qū)概況

某城市濕地公園位于城市功能主軸和綠色景觀帶上，是未來城市重要的綠色空間，公園定位為接軌城市發(fā)展，呼應(yīng)生態(tài)文明建設(shè)號召，打造以自然水韻、浪漫氛圍為主的生態(tài)郊野公園。濕地公園整體以“生態(tài)”為設(shè)計理念，融入當(dāng)?shù)靥厣幕_(dá)到人與自然和諧相處。根據(jù)規(guī)劃，公園總占地面積約110.9萬m2，其中水面面積為23.8萬m2。公園的設(shè)計和建設(shè)注重生態(tài)修復(fù)，設(shè)計在最小干預(yù)的條件下，植入豐富的游賞體驗、浪漫體驗和運(yùn)動場所，自然水系貫穿全園，全區(qū)景色優(yōu)美，氣候宜人。

根據(jù)規(guī)劃方案，濕地公園依托場地自然基底現(xiàn)狀，為區(qū)域小氣候、生物棲息、游賞游憩等多維度需求提供多樣的自然生境。根據(jù)公園內(nèi)不同的景觀特色，最大化保留原有的大型草木與河道、溝渠，對水資源進(jìn)行凈化處理，打造湖區(qū)和多塘2種凈化區(qū)(圖1)；擬布設(shè)浮動濕地3 000 m2，布置微生物附著基-生態(tài)基1萬m2；恢復(fù)沉水植物17萬m2，挺水植物2.5萬m2，浮葉植物1萬m2；生物操縱工程擬投放生物量為8 000 kg的水生生物，充分利用濕地對水質(zhì)的凈化作用，營造可親水的濱水活力空間，使人們在體驗不同景色時，了解不同濕地凈化類型的凈化原理，寓教于樂。

濕地公園內(nèi)湖水系獨(dú)立，與外部水系分別形成2個系統(tǒng)，受外部條件限制，公園擬從西南角引入外部水源，作為濕地公園主要的生態(tài)補(bǔ)水水源(圖1)。由于濕地公園內(nèi)水系連通狀況復(fù)雜，原有水體連通情況下部分區(qū)域易形成死水區(qū)，不能有效發(fā)揮濕地作為生態(tài)緩沖區(qū)的水質(zhì)凈化功能。因此，在濕地公園規(guī)劃建設(shè)中，有必要掌握湖區(qū)小尺度以及精細(xì)化尺度下的水動力狀況及水體交換特性，為工程設(shè)計及生態(tài)補(bǔ)水調(diào)度方案的比選和優(yōu)化提供決策支撐，從而合理規(guī)劃濕地公園的水系連通方案及生態(tài)補(bǔ)水路線。

2 湖區(qū)水動力模型構(gòu)建

2.1 模型原理

二維淺水方程和對流-擴(kuò)散方程的守恒形式為

(1)

(2)

(3)

式中：h為水深；u、v分別為x、y方向上平均流速分量；t為時間；g為重力加速度；s0x、sfx分別為x方向上的水底底坡、摩阻坡度；s0y、sfy分別為y方向上的水底底坡、摩阻坡度。

水體交換時間可用水齡來表征，即邊界水體完全交換至各水體單元的時間(以天計)，因此基于可溶性物質(zhì)平均水齡CART(constituent-oriented age and residence time theory)理論，在數(shù)學(xué)模型中，利用輸運(yùn)方程計算保守物質(zhì)相對濃度和加權(quán)水齡積?？紤]示蹤物僅從一個河流邊界進(jìn)入，不考慮其他源、匯項，保守物質(zhì)相對濃度和加權(quán)水齡積分別用如下方程計算：

(4)

(5)

式中：C為保守物質(zhì)相對濃度；α為加權(quán)水齡積；K為擴(kuò)散系數(shù)。

平均水齡a可以表示為

a=α/C

(6)

2.2 模型概化

采用三角形網(wǎng)格對計算區(qū)域中水域范圍進(jìn)行劃分。水域范圍內(nèi)，溝渠及綠島眾多(圖1)，特別是多塘凈化1區(qū)和2區(qū)之間，渠系彎曲復(fù)雜，綠島密布，部分溝渠總寬約5 m，其中多塘凈化1區(qū)和2區(qū)之間的連接渠道最窄處僅3 m左右，因此需對多塘凈化區(qū)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密，取其網(wǎng)格單元尺寸約為3 m，略小于湖區(qū)，保證其過水通道?？傮w上水域范圍內(nèi)網(wǎng)格單元尺寸為3～5 m，共計9 254個節(jié)點(diǎn)，15 264個網(wǎng)格單元(圖2)。

圖2 網(wǎng)格概化Fig.2 Grid generalization

采用設(shè)計水下地形資料對模型進(jìn)行概化。由于水域范圍內(nèi)渠系復(fù)雜且網(wǎng)格單元尺寸較小，在提取湖區(qū)水下地形等高線的基礎(chǔ)上，為避免地形概化時水域附近陸域高程對鄰近水域水下地形的影響，采用網(wǎng)格單元內(nèi)所有高程點(diǎn)的平均值作為網(wǎng)格單元的地形值，盡可能使每個網(wǎng)格單元的水下地形與設(shè)計等高線保持一致，概化后的網(wǎng)格單元地形可充分反映溝渠的槽蓄量以及過流能力?？傮w上水下地形比較平坦，地形高程基本為-2.0～2.0 m，除湖區(qū)和部分塘底高程略低于0 m外，其余區(qū)域水下地形高程基本為1.0～2.0 m(圖3)。

圖3 水下地形概化Fig.3 Underwater topography

2.3 邊界條件及主要參數(shù)

2.3.1邊界條件

曾經(jīng)有人指出，課堂教學(xué)是一個向著未知方向不斷深入的探索歷程，意外而美麗的風(fēng)景隨時都可能出現(xiàn)在路邊，因此我們的教學(xué)不能循著固定的路徑來進(jìn)行，否則課堂將缺乏意外的生成，也就無法激起學(xué)生創(chuàng)造的熱情.所以，教師應(yīng)該意識到高中化學(xué)的教學(xué)不應(yīng)該是一個預(yù)約的過程，而應(yīng)該是一個學(xué)生與教師、學(xué)生與教材碰撞和溝通的過程，只有將這一思想貫徹在化學(xué)教學(xué)中，學(xué)生才能看到那些意外而美麗的風(fēng)景.

a.初始條件。湖區(qū)水體水位按常水位控制，設(shè)定為2.3 m；保守物質(zhì)相對濃度和加權(quán)水齡積初始值均設(shè)為0。

b.水動力邊界條件。湖區(qū)的生態(tài)補(bǔ)水?dāng)M從西南角的南部湖區(qū)補(bǔ)水點(diǎn)引入，補(bǔ)水量為日均7萬t；出湖為北部泵站抽排，抽排能力與入湖水量保持一致。具體位置分布見圖1。

c.水體交換能力計算邊界條件。假定補(bǔ)水中某保守物質(zhì)相對濃度為1，加權(quán)水齡積為0；其余開邊界保守物質(zhì)相對濃度和加權(quán)水齡積均設(shè)為0。

2.3.2主要參數(shù)

為了反映水邊線的變化，采用富裕水深法根據(jù)水位變化不斷修正水邊線。在計算中判斷每個單元的水深，當(dāng)單元水深大于富裕水深時，將單元開放，作為計算水域，反之，將單元關(guān)閉，置流速為0。模型中干濕單元的判別標(biāo)準(zhǔn)為：水深小于0.005 m為完全干單元，水深大于0.01 m則為完全濕單元。紊動黏滯系數(shù)通過Smagorinsky方程求解獲得。

糙率不僅與河床底部的粗糙程度、河道形態(tài)、河道彎曲程度及水位高低有關(guān)，還受到河道內(nèi)植被的生長狀況、河槽沖淤、河道內(nèi)的涉水建筑物等因素的影響。天然情況下，考慮河床組成、床面特征與平面形態(tài)、水流形態(tài)及岸壁特性等影響因素，對于順直、無沙灘、無潭的河床，糙率取值一般為0.025～0.033；對于無沙灘、無潭、多石多草的河床，糙率取值一般為0.030～0.040；對于彎曲、稍許淤灘和潭坑、有草石的河床，糙率取值一般為0.035～0.050?？紤]到濕地內(nèi)均為人工規(guī)劃渠道，形態(tài)較為規(guī)整，且湖區(qū)、湖區(qū)凈化區(qū)、多塘凈化區(qū)等區(qū)域水生植被分布不一，其中，湖區(qū)內(nèi)以浮葉植物和浮動濕地為主，湖區(qū)凈化區(qū)近岸以挺水植物為主，多塘凈化區(qū)以沉水植物為主，參考天然糙率取值范圍，各區(qū)域糙率取值分別為0.025、0.030、0.035，具體分布見圖4。

3 方案對比分析

3.1 計算方案

為滿足濕地公園湖區(qū)行洪排水要求，濕地公園用水、戲水、水上游樂功能性要求以及區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的要求，設(shè)計不同的工程分布方案及措施：方案1主要是為了在現(xiàn)狀方案的基礎(chǔ)上，盡可能充分利用多塘凈化3區(qū)對湖區(qū)水體的凈化作用, 該方案中，在湖區(qū)凈化1區(qū)與多塘凈化3區(qū)之間布設(shè)連通管，生態(tài)補(bǔ)水量達(dá)7萬t/d，外排能力與生態(tài)補(bǔ)水量保持一致；方案2主要是為了盡可能利用中部湖區(qū)的水體調(diào)蓄能力，加強(qiáng)湖區(qū)的水體交換，該方案中，在多塘凈化2區(qū)與中部湖區(qū)之間增設(shè)連通管；方案3則是把方案1和2統(tǒng)籌考慮，保持湖區(qū)水位不變。對比分析3種方案下湖區(qū)的水動力狀況，以期優(yōu)化湖區(qū)的水動力條件，提升整個湖區(qū)的水體交換能力。連通管具體位置分布見圖1。

圖4 糙率分布Fig.4 Roughness distribution

3.2 不同方案結(jié)果對比分析

表1和表2分別給出了4種方案下湖區(qū)流速分布和水體交換時間的對比結(jié)果。整體上各方案湖區(qū)流速都相對較小，基本都小于0.05 m/s；從空間分布上來看，流速大于0.01 m/s的水域主要集中在出(入)湖口處、南部、中部和北部3個多塘凈化區(qū)以及湖區(qū)凈化1區(qū)，流速大于0.05 m/s的區(qū)域主要集中于上述幾個區(qū)域的河道連接處。流速空間分布與水深以及水域范圍呈一定的相關(guān)性，其中，湖區(qū)的流速總體偏小，而各多塘凈化區(qū)水深較淺處河道流速明顯大于水深較深處河道流速，總體上流速分布基本合理。

表1 各方案流速分布對比結(jié)果Table 1 Comparison results of velocity distribution of each scheme

表2 各方案水體交換時間對比結(jié)果Table 2 Comparison results of water exchange time of each scheme

方案1較現(xiàn)狀方案主要在原有連通基礎(chǔ)上加強(qiáng)了湖區(qū)凈化1區(qū)與多塘凈化3區(qū)之間的連通性，其流速分布(圖5(b))和水體交換時間(圖6(b))與現(xiàn)狀方案(圖5(a)和6(a))相比，僅在多塘凈化3區(qū)局部區(qū)域有所改變，其余變化不大。

(a) 現(xiàn)狀方案

(a) 現(xiàn)狀方案

方案2則加強(qiáng)了多塘凈化2區(qū)與中部湖區(qū)之間的連通性，使湖區(qū)流速分布更加均勻(圖5(c))，流速>0.01～0.05 m/s的水域面積在總水域面積中的占比與現(xiàn)狀方案和方案1相比，從約19%降低至約16%；流速>0.005～0.01 m/s的水域面積占比與現(xiàn)狀方案和方案1相比，從約13%上升至約19%。方案2水體交換時間>3～7 d的水域面積占比與現(xiàn)狀方案和方案1相比，從約33%上升至約49%；水體交換時間為14 d以上的水域面積占比與現(xiàn)狀方案和方案1相比，從約13%降低至約0.38%(圖6(c))。方案2改善的主要區(qū)域為中部滯水區(qū)，但由于受引水總量一定的影響，部分引水量進(jìn)入了中部湖區(qū)，多塘凈化3區(qū)水體交換時間則較之前略有延長。

方案3(圖5(d))結(jié)合了方案1和方案2的設(shè)計，整體改善效果與方案2類似，同樣明顯改善了現(xiàn)狀方案和方案1中部湖區(qū)滯水區(qū)的水動力條件，同時由于方案3加強(qiáng)了湖區(qū)凈化1區(qū)與多塘凈化3區(qū)之間的連通性，進(jìn)一步提升了多塘凈化3區(qū)水體交換能力(圖6(d))?？傮w上，方案3和方案2水體交換時間在7 d以內(nèi)的水域面積占比在92%以上，基本上1周內(nèi)可以將整個湖區(qū)水體置換1次。

4 結(jié) 語

本文通過二維水動力模型并引入水齡計算模塊，模擬計算了不同方案下濕地公園內(nèi)部湖區(qū)水動力狀況及水體交換特性，綜合對比現(xiàn)狀和3個不同方案的計算結(jié)果表明，方案2和方案3的水動力狀況相當(dāng)，僅在中部湖區(qū)和多塘凈化3區(qū)中部局部水域存在滯水區(qū)，明顯優(yōu)于現(xiàn)狀方案和方案1；方案3較方案2在一定程度上提升了多塘凈化3區(qū)水體交換能力，但仍存在局部滯水區(qū)。為進(jìn)一步改善這些區(qū)域的水動力狀況，建議在水體相對滯緩的水域布設(shè)推流曝氣設(shè)備，加強(qiáng)其水體流動和水體交換能力。因此，針對城市濕地公園這類小尺度水域范圍，通過數(shù)學(xué)模型計算，能夠從精細(xì)化尺度層面上更為直觀地掌握其湖區(qū)的水動力狀況及水體交換特性，最終結(jié)合其他因素確定具體的調(diào)度方案，為其湖區(qū)水系連通及生態(tài)補(bǔ)水提供決策支撐。