感潮河段江灘濕地水體交換模擬與調(diào)控措施研究

丁磊 陳黎明 王逸飛 繳健 楊嘯宇

摘要：保障濕地水體交換能力對(duì)完善濕地功能，維持濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康至關(guān)重要。南京綠水灣濕地是長(zhǎng)江江灘濕地，具備多種濕地特點(diǎn)，動(dòng)力條件復(fù)雜。以綠水灣濕地為研究對(duì)象，通過(guò)構(gòu)建二維水動(dòng)力―水齡耦合數(shù)學(xué)模型，模擬了現(xiàn)狀和不同閘、泵調(diào)控措施下各區(qū)域的水動(dòng)力特征及水體交換能力。結(jié)果表明：現(xiàn)狀工況濕地內(nèi)部水面覆蓋率低，水體交換能力差，大部分區(qū)域水體交換時(shí)間在7 d以上，甚至是14 d以上；建閘后雖然增加了枯季的水面覆蓋率，但明顯減弱了濕地內(nèi)水動(dòng)力，延長(zhǎng)了各區(qū)域換水周期，換水周期大于14 d的區(qū)域明顯增多；補(bǔ)水泵站的運(yùn)用整體上縮短了大部分區(qū)域的換水周期，使得水域流速大于0.010 m/s的區(qū)域面積明顯增加，換水周期大于14 d的區(qū)域面積減少。建閘蓄水后，為預(yù)防藻類(lèi)暴發(fā)，需控制濕地內(nèi)水體的換水周期在14 d內(nèi)，結(jié)合各區(qū)域水動(dòng)力和水體交換特點(diǎn)，提出了閘門(mén)生態(tài)調(diào)度、布置凈水能力較強(qiáng)的挺水或沉水植物、增設(shè)補(bǔ)水點(diǎn)等調(diào)度策略。

關(guān)鍵詞：濕地；數(shù)值模擬；水動(dòng)力；水體交換能力；閘泵調(diào)控措施；感潮河段

中圖分類(lèi)號(hào)：X171.4? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-3075（2024）01-0032-10

濕地與森林、海洋并稱(chēng)為全球3大生態(tài)系統(tǒng)（范振宇等，2023），具有保持水源、凈化水質(zhì)、調(diào)洪蓄水、儲(chǔ)碳固碳、調(diào)節(jié)氣候、保護(hù)生物多樣性等多種功能（Moomaw et al，2018；嚴(yán)思睿等，2021），被譽(yù)為“地球之腎”“生命搖籃”“文明發(fā)源地”“物種基因庫(kù)”“氣候穩(wěn)定器”等。健康的濕地生態(tài)系統(tǒng)是國(guó)土生態(tài)安全體系的重要組成部分和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要自然生態(tài)基礎(chǔ)。在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的雙重脅迫下，濕地普遍呈水域面積減少、水環(huán)境質(zhì)量下降、生態(tài)功能退化的不利趨勢(shì)（夏少霞等，2022），亟需采取有效措施保護(hù)濕地資源，維持濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康。

感潮河段是河流徑流與海洋潮汐兩種動(dòng)力相互消長(zhǎng)的過(guò)渡地段，是陸海相互作用最集中、最典型的區(qū)域，動(dòng)力條件非常復(fù)雜（劉曉強(qiáng)等，2023）。南京綠水灣濕地是典型的感潮河段江灘濕地（隗嵐琳等，2023），在自然動(dòng)力與人類(lèi)活動(dòng)的影響下又兼具多種類(lèi)型濕地特征：（1）綠水灣濕地分布在長(zhǎng)江左岸江灘，整體呈條狀分布，沿江長(zhǎng)約14 km，面積約18 km2，從地理位置看是典型的河流濕地；（2）濕地周邊與內(nèi)部建有超40 km長(zhǎng)的堤防，僅北部有約100 m與長(zhǎng)江相通，且未來(lái)存在建閘的可能，從封閉環(huán)境看表現(xiàn)為湖泊濕地的特征；（3）受到長(zhǎng)江潮位變動(dòng)的影響，濕地內(nèi)部水位、流速等水動(dòng)力要素會(huì)周期變化，該特征與濱海濕地相似；（4）位于城市內(nèi)部，現(xiàn)建有綠水灣濕地公園，未來(lái)地形還將進(jìn)一步受規(guī)劃設(shè)計(jì)影響，非沖淤形成的自然地貌，與人工濕地相似。因此綠水灣濕地與其他濕地相比，水體交換機(jī)制更加復(fù)雜，調(diào)控難度更大。目前針對(duì)綠水灣濕地的研究多是以健康評(píng)價(jià)（劉云等，2016；秦亞情和李升峰，2019；張童等，2022）、濕地功能（徐新洲等，2019；張丹奕等，2023）等為主，但濕地內(nèi)部水體交換機(jī)制尚未摸清，提出以保障濕地健康、完善濕地功能為目標(biāo)的調(diào)控措施會(huì)缺乏科學(xué)依據(jù)。

運(yùn)用數(shù)值模擬的方式分析天然河流（王菲菲等，2021）、湖泊（饒貴康等，2023）、河口（Premathilake & Khangaonkar，2019）、海洋（Li et al，2019）的水動(dòng)力狀況已是成熟且常用的研究手段，流速、流向、水位等參數(shù)能夠描述研究對(duì)象的水動(dòng)力狀況。但對(duì)濕地而言，尤其是經(jīng)人工設(shè)計(jì)后水下地形變化較大的濕地，還需在流場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上引入其他水動(dòng)力參數(shù)來(lái)描述水體交換特點(diǎn)。陳黎明等（2022）設(shè)計(jì)了二維水動(dòng)力模型并引入水齡計(jì)算模塊，明確了不同補(bǔ)水工程下濕地公園內(nèi)部湖區(qū)水動(dòng)力狀況及水體交換特性。張偉星（2020）引入更新時(shí)間的概念，討論了曹妃甸濕地水域在不同引水流量調(diào)控下的流場(chǎng)及水體置換情況。本文為厘清綠水灣濕地在復(fù)雜動(dòng)力邊界影響下水動(dòng)力特點(diǎn)及在不同水文條件下的變化規(guī)律，構(gòu)建了綠水灣濕地平面二維水動(dòng)力―水齡耦合數(shù)學(xué)模型，模擬了綠水灣濕地在不同水文狀態(tài)下水動(dòng)力分布及過(guò)程，得到了復(fù)雜動(dòng)力邊界對(duì)水體交換的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了調(diào)節(jié)濕地蓄水量、改善濕地水體交換能力的工程措施，量化分析調(diào)控效果。研究成果可為綠水灣濕地水環(huán)境改善提供措施依據(jù)，也可為其他復(fù)雜動(dòng)力邊界濕地水體交換特性研究提供參考。

1? ?材料與方法

1.1? ?研究區(qū)域

長(zhǎng)江在安徽大通以下開(kāi)始受上游徑流與外海潮汐雙重影響，南京河段潮位為非正規(guī)半日潮混合型，呈現(xiàn)周期性變化，每日兩漲兩落。每日漲潮歷時(shí)超過(guò)3 h，落潮歷時(shí)超過(guò)8 h，水位年內(nèi)變幅較大。潮位高低主要受長(zhǎng)江徑流控制，一般每年5-10月為洪季，11月至次年的4月為枯季。根據(jù)1950年以來(lái)南京潮水位站實(shí)測(cè)水位資料統(tǒng)計(jì)，歷年最高潮位為8.48 m（2020年7月21日），歷年最低潮位為-0.37 m（1956年1月9日）。

綠水灣濕地地處長(zhǎng)江南京段北側(cè)岸線，位于長(zhǎng)江大堤?hào)|側(cè)，以長(zhǎng)江江灘、夾江水域及子堤內(nèi)圩垸為主體，周邊有五里河、七里河、城南河等河流流入濕地。西側(cè)為主堤，東側(cè)為血防堤，血防堤高程最低7.6 m，可將濕地與長(zhǎng)江分隔，濕地僅北部有約100 m與長(zhǎng)江相通。綠水灣濕地內(nèi)部被子堤分隔，共形成6個(gè)相對(duì)獨(dú)立區(qū)域（圖1），區(qū)域1、區(qū)域2為城市客廳區(qū)；區(qū)域3為夾江；區(qū)域4、區(qū)域5、區(qū)域6為濕地公園區(qū)。區(qū)域間由涵洞或提水泵站連接，維持水體交換。本文所有高程均采用1985國(guó)家高程系統(tǒng)。

綠水灣濕地受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)影響，地表徑流的天然平衡條件已遭到破壞，蓄水量失調(diào)，現(xiàn)狀水系不暢，同時(shí)受五里河、七里河、城南河來(lái)水影響，部分時(shí)段水質(zhì)較差。雖然已采取補(bǔ)水措施，將長(zhǎng)江引入七里河和城南河后下泄至濕地，但并未起到良好效果。

1.2? ?研究方法

本文采用數(shù)值模擬的手段對(duì)綠水灣濕地水體交換進(jìn)行研究。應(yīng)用二維非恒定流淺水方程組，采用有限體積法對(duì)方程組進(jìn)行數(shù)值求解，模擬計(jì)算綠水灣濕地水動(dòng)力狀況。為更好地分析濕地內(nèi)水體交換特性，本文進(jìn)一步引入水齡計(jì)算模塊分析水體的交換能力。

1.2.1? ?模型原理? ?二維淺水方程和對(duì)流―擴(kuò)散方程的守恒形式為：

[?h?t+][?（hu）?x+?（hv）?y=0] ①

[?（hu）?t+][?（hu2+gh2/2）?x+?（hv）?y=gh（S0x-Sfx）] ②

[?（hv）?t+][?（huv）?x+?hv2+gh2/2）?y=gh（S0y-Sfy）] 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(shí)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(shí)間可用水齡來(lái)表征，即邊界水體完全交換至各水體單元的時(shí)間（以天計(jì)）。因此基于可溶性物質(zhì)平均水齡CART理論，在數(shù)學(xué)模型中，利用輸運(yùn)方程計(jì)算保守物質(zhì)相對(duì)濃度和加權(quán)水齡積?？紤]示蹤物僅從1個(gè)河流邊界進(jìn)入，不考慮其他源、匯項(xiàng)，保守物質(zhì)相對(duì)濃度和加權(quán)水齡積分別用如下方程計(jì)算（陳黎明等，2022）：

[?C?t+][?（uC）?x+?（uC）?y]-K[?2C?x2+?2C?2x] [=0] ④

[?α?t+][?（uα）?x+?（uα）?y]-K[?2α?x2+?2α?2y] = C? ⑤

式中：C為保守物質(zhì)相對(duì)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

1.2.2? ?模型概化? ?模型東、南、西邊界為堤防，北邊界為城南河、七里河入江口下游400 m處。采用三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分：網(wǎng)格尺寸10～50 m，共計(jì)54 660個(gè)節(jié)點(diǎn)，107 884個(gè)網(wǎng)格單元（圖2）；其中最大網(wǎng)格面積為1 673.4 m2，最小網(wǎng)格面積為4.5 m2。由于綠水灣濕地內(nèi)部水系復(fù)雜，河道狹窄，為了更精確的描述區(qū)域內(nèi)河道連通情況，模型主要對(duì)城市客廳、濕地公園兩部分區(qū)域進(jìn)行局部加密，平均網(wǎng)格大小約為75 m2。模型地形采用設(shè)計(jì)水下地形，夾江區(qū)域高程略低，基本低于3 m，濕地公園內(nèi)深槽高程為2.5 m，城市客廳南部深槽高程為2.8 m，北部深槽高程為3.5 m。

1.2.3? ?邊界條件? ?初始條件：濕地水體水位按常水位控制，示蹤物濃度和年齡濃度初始值均設(shè)為0。

水動(dòng)力邊界條件：上邊界條件為五里河泵站、兩河口（城南河、七里河）的流量過(guò)程?，F(xiàn)狀五里河泵站平均流量為1.6 m3/s，兩河來(lái)水平均流量為4 m3/s，長(zhǎng)江補(bǔ)水4 m3/s。

下邊界條件為長(zhǎng)江南京段的流量過(guò)程。

水體交換能力計(jì)算邊界條件：外部支流及引水的示蹤物濃度設(shè)為1，年齡濃度設(shè)為0，其余的開(kāi)邊界示蹤物濃度和年齡濃度均設(shè)為0。

1.2.4? ?模型參數(shù)? ?為了反映水邊線的變化，采用富裕水深法根據(jù)水位的變化連續(xù)不斷的修正水邊線。在計(jì)算中判斷每個(gè)單元的水深：當(dāng)單元水深大于富裕水深時(shí)，將單元開(kāi)放，作為計(jì)算水域；反之，將單元關(guān)閉，置流速于零。模型中設(shè)置其干濕單元，其中完全干單元設(shè)置為0.005 m，完全濕單元為0.100 m。模型糙率的取值范圍為0.030～0.035，深槽和灘地略有不同；紊動(dòng)粘滯系數(shù)通過(guò)Smagorinsky方程進(jìn)行求解獲得。本模型參數(shù)的選取已在其他濕地水動(dòng)力計(jì)算中得到驗(yàn)證。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?水域面積計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)高程計(jì)算出綠水灣濕地水位―面積曲線（圖3），分析不同水位條件下綠水灣濕地水域面積保證率。濕地內(nèi)部水位達(dá)4 m時(shí)，可維持綠水灣內(nèi)水面面積達(dá)到4 km2；濕地內(nèi)部水位達(dá)4.5 m時(shí)，可維持綠水灣內(nèi)水面面積達(dá)到6.4 km2；濕地內(nèi)部水位達(dá)5 m時(shí)，可維持綠水灣內(nèi)水面面積達(dá)到7.6 km2。

在近5年中，長(zhǎng)江流域2022年為典型的枯水年，2020年為豐水年。2022年水域面積超過(guò)4 km2的保證率為21%，水域面積超過(guò)6 km2的保證率為15%，水域面積超過(guò)8 km2的保證率為2%；枯季水域面積超過(guò)2 km2的保證率僅為1%。2020年綠水灣濕地水域面積超過(guò)4 km2的保證率為42%，水域面積超過(guò)6 km2的保證率為38%，水域面積超過(guò)8 km2的保證率為31%；枯季水域面積超過(guò)2 km2的保證率僅為8%。因此，綠水灣濕地水面面積保證率低的問(wèn)題非常突出。

2.2? ?水體交換模擬

2.2.1? ?濕地流場(chǎng)時(shí)空變化規(guī)律? ?綠水灣濕地內(nèi)部水體交換受徑潮動(dòng)力的耦合影響，來(lái)自五里河、七里河和城南河的徑流動(dòng)力，以及長(zhǎng)江的潮汐動(dòng)力，在長(zhǎng)江潮位漲落的影響下，導(dǎo)致濕地內(nèi)部不會(huì)形成穩(wěn)定流場(chǎng)。選擇2021年2月、8月長(zhǎng)江逐時(shí)潮位過(guò)程作為模型下邊界（圖4），模擬枯季和洪季綠水灣水動(dòng)力狀況受長(zhǎng)江潮位變動(dòng)的影響。2月時(shí)潮位基本在1～3 m間變化，8月時(shí)在4.5～6 m之間?？菁敬蟪睍r(shí)潮差可達(dá)2 m，洪季受徑流頂托作用明顯，大潮時(shí)潮差也在1 m以?xún)?nèi)。

枯季時(shí)長(zhǎng)江潮差大，但在濕地內(nèi)上溯距離短。漲潮流在夾江上溯過(guò)程中受兩河入流頂托影響，僅兩河口下游有限范圍內(nèi)表現(xiàn)出往復(fù)流特征，半日周期中約1/6時(shí)段表現(xiàn)為漲潮流，流速隨時(shí)間變化非常明顯，最大漲潮流速接近0.200 m/s，其他時(shí)段為落潮流，流速基本穩(wěn)定在0.150 m/s（圖5）。洪季時(shí)濕地內(nèi)部夾江區(qū)域表現(xiàn)出明顯的往復(fù)流特征，兩河口下游半日周期中約1/6時(shí)段表現(xiàn)為漲潮流，最大漲潮流速接近0.250 m/s，其他時(shí)段表現(xiàn)為落潮流特性，流速最大在0.120 m/s。濕地內(nèi)部潮波發(fā)生明顯變形，潮差大小僅為下游的1/4，兩河口上游約7 km處夾江中心位置漲潮流最大0.030 m/s，落潮流最大0.020 m/s（圖6）。

對(duì)大潮落急時(shí)刻流速平面分布進(jìn)行比較（圖7）?？菁緝H有區(qū)域2、3、5過(guò)水。其中區(qū)域2上游部分不過(guò)水，僅有五里河下游被水覆蓋，受五里河入流影響，約80%區(qū)域流速在0.010～0.050 m/s。區(qū)域3約80%區(qū)域幾乎無(wú)流動(dòng)（流速小于0.005 m/s）。區(qū)域5因有涵洞與夾江相同，有部分區(qū)域被水體覆蓋，但總體流速較低，僅有不到2%區(qū)域流速高于0.010 m/s。洪季濕地公園水面面積有明顯增加。區(qū)域1與區(qū)域2五里河上游已蓄水但幾乎無(wú)流動(dòng)，區(qū)域2五里河下游流速主要為0.005～0.010 m/s，因水深增大該區(qū)域流速與枯季比有所降低。區(qū)域3超過(guò)70%區(qū)域流速在0.010～0.050 m/s之間，約20%區(qū)域流速超過(guò)0.050 m/s。區(qū)域4僅有約5%區(qū)域流速超過(guò)0.010 m/s且集中在北部區(qū)域，約80%區(qū)域幾乎無(wú)流動(dòng)，總體表現(xiàn)為北部流速大于南部的特征。區(qū)域5約40%區(qū)域流速超過(guò)0.010 m/s，集中在深槽區(qū)域。區(qū)域6約60%區(qū)域流速大于0.010 m/s，約20%區(qū)域幾乎無(wú)流動(dòng)。

2.2.2? ?濕地水體交換特點(diǎn)? ?枯季、洪季濕地水齡分布如圖8所示，枯季時(shí)總體表現(xiàn)為濕地上游水體交換時(shí)間比下游長(zhǎng)。洪季時(shí)表現(xiàn)為匯入口附近及其下游交換時(shí)間短，其他區(qū)域交換時(shí)間長(zhǎng)。水體交換進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，枯季時(shí)，在五里河入流影響下，區(qū)域2下游換水周期整體較短，基本在3 d內(nèi)完成換水。區(qū)域3下游受區(qū)域2來(lái)水及兩河來(lái)水影響，換水周期相對(duì)較小，基本可在7 d內(nèi)完成換水，上游換水周期比下游長(zhǎng)。區(qū)域5換水周期均在14 d以上。洪季區(qū)域2上游過(guò)水，但換水周期大于14 d，下游換水周期均在7 d內(nèi)。區(qū)域3上游換水周期較長(zhǎng)，兩河下游換水周期均小于7 d。區(qū)域5有超過(guò)85%的區(qū)域換水周期大于14 d。區(qū)域1、4、6已蓄水但幾乎無(wú)流動(dòng)，換水周期均大于14 d。

根據(jù)水體交換模擬結(jié)果，綠水灣濕地水動(dòng)力存在兩個(gè)問(wèn)題：（1）枯季水面覆蓋率很低，除夾江外其他區(qū)域基本處于露灘狀態(tài)；（2）水體交換能力很差，除兩河口附近，其他區(qū)域水體交換時(shí)間基本在7 d以上（表1），需采取有效措施加以解決。

2.3? ?調(diào)控措施分析

2.3.1? ?調(diào)控思路? ?根據(jù)綠水灣濕地“三面封閉，一面感潮”的格局特點(diǎn)，可在下游與長(zhǎng)江交匯處采取建閘的工程措施，使得枯季時(shí)綠水灣濕地內(nèi)部全封閉，能夠截留支流來(lái)水，將濕地水位控制在閘頂高程以上。同時(shí)，為增加濕地內(nèi)部水體流通性，可在濕地上游合適位置布置補(bǔ)水點(diǎn)，進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。數(shù)學(xué)模型是確定閘頂高程、補(bǔ)水點(diǎn)位置、補(bǔ)水流量等關(guān)鍵參數(shù)的有效研究手段（王志鵬等，2021；賈瑞鵬等，2023），但為聚焦分析工程措施對(duì)水體交換的影響，本文將不進(jìn)行不同參數(shù)的比選。本文對(duì)僅建閘和建閘與設(shè)置補(bǔ)水點(diǎn)共同作用的方案進(jìn)行模擬。

擬建閘門(mén)位于兩河（七里河和城南河）入江口下游400 m處，閘頂設(shè)計(jì)高程為4.5 m，長(zhǎng)江潮位低于4.5 m時(shí)關(guān)閘，高于4.5 m時(shí)開(kāi)閘?？菁鹃L(zhǎng)江潮位普遍低于4.5 m，建閘可使得濕地內(nèi)水位維持在4.5 m以上；洪季長(zhǎng)江潮位普遍高于4.5 m，因此洪季閘門(mén)常開(kāi)，不考慮調(diào)控措施。在考慮補(bǔ)水方案后，在綠水灣內(nèi)共設(shè)置6個(gè)補(bǔ)水泵站，控制進(jìn)入濕地的總水量不變，將現(xiàn)有向兩河補(bǔ)水的方式改變?yōu)閷?duì)上游區(qū)域進(jìn)行分散補(bǔ)水（圖9）。其中補(bǔ)水點(diǎn)1-1、補(bǔ)水點(diǎn)1-2、補(bǔ)水點(diǎn)2-1、補(bǔ)水點(diǎn)2-2的補(bǔ)水流量為0.5 m3/s，補(bǔ)水點(diǎn)2-3、補(bǔ)水點(diǎn)2-4的補(bǔ)水流量為1 m3/s（表2）。設(shè)置補(bǔ)水點(diǎn)后，兩河流量降低為4 m3/s，其他參數(shù)與僅建閘方案保持一致。

2.3.2? ?調(diào)控效果? ?兩河口下游建閘后，枯季關(guān)閘可使得濕地內(nèi)水位維持在4.5 m以上，原無(wú)水區(qū)域（區(qū)域1、區(qū)域2上游部分、區(qū)域4～6）蓄水但幾乎無(wú)流動(dòng)（圖10）。區(qū)域3受關(guān)閘影響水動(dòng)力明顯減弱，幾乎無(wú)流動(dòng)區(qū)域占比高達(dá)95%，流速超過(guò)0.010 m/s區(qū)域不到3%。配合補(bǔ)水泵站運(yùn)用后，不僅能使水域面積明顯增大，也使各區(qū)域流速有了明顯提升，區(qū)域1從幾乎靜止到20%以上區(qū)域流速大于0.005 m/s，10%以上區(qū)域大于0.010 m/s，區(qū)域最大流速在0.050 m/s以上（表3）。區(qū)域2從約60%區(qū)域幾乎靜止下降到35%，而流速大于0.010 m/s區(qū)域面積為補(bǔ)水泵站運(yùn)用前的4倍。區(qū)域3從約95%區(qū)域幾乎靜止下降到55%，流速大于0.010 m/s區(qū)域面積也為補(bǔ)水泵站運(yùn)用前的4倍。區(qū)域4從幾乎靜止到20%以上區(qū)域流速大于0.005 m/s，10%以上區(qū)域大于0.010 m/s，區(qū)域最大流速在0.050 m/s以上。區(qū)域5從幾乎靜止到約30%以上區(qū)域流速大于0.005 m/s，10%以上區(qū)域大于0.010 m/s，區(qū)域最大流速在0.050 m/s以上。區(qū)域6并未發(fā)生明顯改變，仍處于幾乎靜止?fàn)顟B(tài)。因此，補(bǔ)水泵站可使得關(guān)閘后幾乎無(wú)流動(dòng)的區(qū)域1、4、5中10%左右水域流速提升至0.010 m/s以上，針對(duì)流動(dòng)性較弱的區(qū)域2、3也可有效提高流動(dòng)性，流速大于0.010 m/s區(qū)域面積為補(bǔ)水泵站運(yùn)用前的4倍。而針對(duì)同樣水動(dòng)力弱的區(qū)域6無(wú)作用。

換水周期方面，下游建閘后，原本不過(guò)水的區(qū)域1、區(qū)域4和區(qū)域6因水體幾乎不流動(dòng)，換水周期均在14 d以上。夾江區(qū)域水體交換能力也有一定的下降（圖11）。在建閘的基礎(chǔ)上設(shè)置補(bǔ)水口后，各區(qū)域換水周期明顯降低。對(duì)于區(qū)域1，由活水泵站運(yùn)用前換水周期均大于14 d變?yōu)閮H有10%的區(qū)域換水周期大于7 d。區(qū)域2五里河上游開(kāi)泵前基本均超過(guò)14 d，而開(kāi)泵后換水周期基本全部小于14 d，另有超過(guò)40%區(qū)域換水周期達(dá)到7 d內(nèi)。區(qū)域3內(nèi)換水周期超過(guò)14 d區(qū)域的面積由75%下降至25%。區(qū)域4換水周期超過(guò)14 d區(qū)域的面積下降至37.5%，上游區(qū)域換水周期明顯下降。區(qū)域5從換水周期幾乎均大于14 d下降至僅有25%的區(qū)域換水周期大于14 d。而活水泵站對(duì)區(qū)域6的改善效果相對(duì)一般，仍有超過(guò)80%的區(qū)域換水周期大于14 d，并集中在東北角。

3? ?討論

3.1? ?不同調(diào)控措施效果

保障濕地水體交換能力對(duì)完善濕地功能，維持濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康至關(guān)重要。南京綠水灣濕地是長(zhǎng)江江灘濕地，呈“三面封閉，一面感潮”的格局，是河流濕地的同時(shí)又具備湖泊濕地、濱海濕地以及人工濕地的特點(diǎn)，動(dòng)力條件非常復(fù)雜，除在濕地下游受漲落潮影響與長(zhǎng)江有水體交換外，也有江北岸線處五里河、城南河、七里河向濕地補(bǔ)充水源。根據(jù)數(shù)學(xué)模型模擬結(jié)果，現(xiàn)狀濕地內(nèi)部水面覆蓋率低，水體交換能力差，濕地大部分區(qū)域水體交換在7 d以上，甚至是14 d以上。

在綠水灣濕地下游建閘是涵養(yǎng)濕地水源的有效方式，內(nèi)部將不再受漲落潮影響可使得綠水灣濕地水位穩(wěn)定保持在閘頂高程以上，水面面積明顯增加，但雖然可使得原枯季無(wú)水區(qū)域（區(qū)域1、區(qū)域2上游部分、區(qū)域4～6）枯季蓄水但幾乎無(wú)流動(dòng)，區(qū)域3水動(dòng)力相較關(guān)閘前明顯減弱，并且各區(qū)域換水周期變長(zhǎng)，換水周期大于14 d的區(qū)域明顯增多。

現(xiàn)狀采用的從長(zhǎng)江向城南河、七里河補(bǔ)水再下泄進(jìn)入濕地的方式只能改善兩河口附近的水體能力，若將補(bǔ)水泵站分散布置在濕地上游，在總補(bǔ)水量不變的情況下，能夠達(dá)到優(yōu)化濕地流場(chǎng)，整體改善水體交換能力的目的。補(bǔ)水泵站可使得關(guān)閘后幾乎無(wú)流動(dòng)的區(qū)域1、4、5中10%左右水域流速提升至0.010 m/s以上，針對(duì)流動(dòng)性較弱的區(qū)域2、3也可有效提高流動(dòng)性，流速大于0.010 m/s區(qū)域面積為補(bǔ)水泵站運(yùn)用前的4倍，而針對(duì)同樣水動(dòng)力弱的區(qū)域6無(wú)作用，從區(qū)域換水周期的角度來(lái)看，泵站的運(yùn)用整體上減小了大部分區(qū)域的換水周期。但對(duì)于區(qū)域6的改善效果相對(duì)一般，仍有超過(guò)80%的區(qū)域換水周期大于14 d，并集中在東北角。

3.2? ?建閘后存在的風(fēng)險(xiǎn)

在綠水灣濕地建閘蓄水后，濕地特點(diǎn)將從河流濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楹礉竦?，易發(fā)生藻類(lèi)暴發(fā)等問(wèn)題（文曄等，2023）。藻類(lèi)的生長(zhǎng)周期通常為30 d，分為3個(gè)階段，其中生長(zhǎng)期10 d，高峰期10 d，老化期10 d，因此為了預(yù)防藻類(lèi)暴發(fā)，通常需要水體的換水周期在兩周內(nèi)。一般情況下，每年的4月氣溫開(kāi)始逐步回升，水溫也同步升高，基本可以達(dá)到藻類(lèi)最適宜的生長(zhǎng)所需水溫，4-5月份長(zhǎng)江潮位接近模型計(jì)算中的枯季工況，存在局部藻類(lèi)暴發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，還需通過(guò)閘門(mén)生態(tài)調(diào)度的方式來(lái)改變其水動(dòng)力條件，提升其水體交換能力。

3.3? ?未來(lái)調(diào)控措施建議

根據(jù)不同區(qū)域的水動(dòng)力特征及水體交換能力分析結(jié)果，本文提出方案已對(duì)區(qū)域1、2水體交換能力有明顯改善，針對(duì)其他區(qū)域提出相應(yīng)的調(diào)度策略及建議：（1）針對(duì)區(qū)域3，當(dāng)上游來(lái)水水質(zhì)較差時(shí)，建議可通過(guò)閘門(mén)調(diào)度方式減少五里河泵站以及城南河、七里河上游徑流污染帶來(lái)的影響；夾江水體交換時(shí)間較長(zhǎng)，建議可通過(guò)閘門(mén)生態(tài)調(diào)度的方式，結(jié)合漲落潮動(dòng)力條件，綜合考慮外江的潮位，在4-5月以及夏季開(kāi)展生態(tài)調(diào)度，盡可能增加水體交換能力，降低夾江區(qū)域的水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。（2）針對(duì)區(qū)域4和區(qū)域5中生態(tài)補(bǔ)水難以置換到的主槽外坑塘區(qū)域，建議可以結(jié)合濕地植被重構(gòu)考慮布置凈水能力較強(qiáng)的挺水或沉水植物，提高其區(qū)域水體自?xún)裟芰?。?）針對(duì)區(qū)域6，整體水體交換能力較差，可建議增設(shè)補(bǔ)水點(diǎn)，加強(qiáng)其水體交換。

志謝：感謝南京水利科學(xué)研究院竇希萍正高級(jí)工程師在論文選題、構(gòu)思方面給予的指導(dǎo)，感謝《中國(guó)海洋工程（英文版）》編輯部王玉丹編審在英文摘要撰寫(xiě)上提供的幫助。

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（責(zé)任編輯? ?熊美華）

Water Exchange Simulation and Regulation of a Yangtze Estuary Wetland

DING Lei1，2， CHEN Li‐ming2，3， WANG Yi‐fei1，2， JIAO Jian1，2， YANG Xiao‐yu1，2

（1.? Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing? ?210029， P. R. China;

2. Key Laboratory of Port， Waterway and Sedimentation Engineering of Ministry of Transport，

Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing? ?210029， P. R. China;

3. The National Key Laboratory of Water Disaster Prevention， Nanjing? ?210029， P. R. China）

Abstract：A strong and stable water exchange capacity is crucial to maintain wetland function and health. Nanjing Lvshuiwan wetland， located in the Yangtze River estuary， is a typical tidal wetland and characterized by complex hydrodynamics and numerous features. For this study， Lvshuiwan wetland was selected for research， and the hydrodynamics were simulated with and without sluice-pump regulation.? A developed two-dimensional hydrodynamic-water age coupled model was used to explore the water exchange capacity of the wetland under different hydrological conditions. Various scenarios were posed for conserving water and increasing the water exchange capacity. Our aim was to provide guidance for improving the aquatic environment of Lvshuiwan wetland. Results show that the current water surface coverage was low and water exchange capacity was weak in Lvshuiwan wetland. In most areas of the wetland， the water exchange time was over 7 days， and in some areas， the exchange time exceeded 14 days. Although water surface coverage in dry seasons increased after construction of the sluice， the hydrodynamics within the wetland were clearly weakened， water exchange time increased， and areas with an exchange time of over 14 days increased significantly. The use of a pumping station decreased the water exchange time in most wetland regions， significantly increased the area where water flow velocity exceeded 0.01 m/s， and reduced the area with an exchange time of over 14 days. To control algae blooms， the water exchange time in the wetland should not exceed 14 days after the sluice is built. Measures proposed to improve hydrodynamics and water exchange of the region include ecological regulation of sluice operation， adding emergent or submerged plants with strong water purification capacity and setting up additional water replenishment points.

Key words：wetland; numerical simulation; hydrodynamic; water exchange capacity; sluice and pump regulation measures; tidal river reach

收稿日期：2023-10-31

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFC3200304-06）；河口海岸保護(hù)與治理創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（Y220013）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)重大項(xiàng)目（Y223002）。

作者簡(jiǎn)介：丁磊，1993年生，男，工程師，碩士，主要從事港口海岸及近海工程研究。E-mail： lding@nhri.cn

通信作者：陳黎明，1983年生，男，正高級(jí)工程師，碩士，主要從事水資源、水環(huán)境與水生態(tài)規(guī)劃研究。E-mail： lmchen@nhri.cn