天角潭水利枢纽工程近、远期供水方案对北门江河口水环境影响研究

张志广，李 准，金 弈，王 浪，邓景军，赵高磊

(1.中国电建北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；2.海南省水利电力集团有限公司，海南 海口 570203；3.四川大学水力学与山区河口开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065)

0 引 言

入海河口作为一种特殊的水体，往往成为人类活动密集的地区或经济中心[1-2]。如，我国的长江口、珠江口和黄河口等。近年来，人类活动对河口带来的一系列生态环境问题已成为河口研究的热点。Andrew等[3]采用Mike21模型得到旧金山河口水质恶化的原因为上游水资源的过度开发利用；赵高磊等[4]研究了北门江径流变化对河口段水环境的影响；周荣香等[5]采用一、三维耦合水流盐度模型研究了珠江河口咸潮上溯机制；Burchard等[6]提出河口环流强度随盐度梯度的增大而明显增大；潘明婕等[7]通过采用三维水流盐度模型研究了台风过境期间磨刀门水道咸潮上溯的动力机制；姚姗姗等[8]采用二维数学模型研究了海棠湾规划水系水体交换能力。天角潭水利枢纽建成后，改变了坝下河道的水文过程，丰水期水量有所减少，枯水期水量有所增加，这些变化可能引起北门江河口咸潮上溯、盐度、河口海域冲淡水区变化等生态环境问题。为此，需要定量分析天角潭水利枢纽运行后对河口水环境的影响程度和范围。

本文以天角潭水利枢纽工程近期、远期供水方案为依据，采用平面二维数学模型定量分析了天角潭水利枢纽工程两种供水方案对河口水环境的影响。

1 工程概况

1.1 流域概况

北门江流域位于海南岛西北部，东经109°18′～109°39′和北纬19°24′～19°48′之间，流域集雨面积为621 km2，干流河长67 km，干流平均坡降0.21%。北门江从东南向西北流，地形总的趋势东南高，西北低，由东南内陆向西北沿海逐渐降低。流域上游属丘陵区，下游属阶地和海滨平原区，地势平坦。北门江有东西两源，其中西支沙河为干流，发源于儋州市的纱帽岭，向北流经西培农场至沙河村从左岸汇入牙拉河，流域面积84.7 km2；东支为南茶河，发源于莲花岭，向北流经南洋农场、新村至牙拉河苗圃从右岸汇入牙拉河，流域面积110 km2，河长19.4 km，干流平均坡降0.43%。东西两支于儋州市沙河村汇合后称“牙拉河”，再北流与巴黎河汇合后始称“北门江”，经长坡、东成、中和等乡镇，于新英湾出海。沿途小支流较多，较大的分叉支流主要位于西庆二十五队、西联光明队以及天角潭水陂附近，北门江流域水系图见图1。

图1 北门江流域水系

1.2 工程概况

天角潭水利枢纽工程位于北门江干流天角潭水陂上游500 m处，是国家172项重大水利工程项目，也是《海南省北门江流域规划(修编)》《海南水网规划》中确定的近期建设的大(2)型水利枢纽工程。工程任务以工业供水、农业灌溉为主，兼顾发电等综合利用。水库正常蓄水位58.0 m，兴利库容为1.54亿m3，总库容1.94亿m3，具有多年调节性能。工程近期(2030年)多年平均供水量为7 974万m3，全部用于农业灌溉；远期(2040年)多年平均供水量为13 557万m3，其中工业供水量为6 138万m3，农业灌溉供水量为7 419万m3。工程主要建设内容包括1座主坝、4座副坝、引水隧洞、渠首电站、坝后电站、天角潭总干渠、过鱼设施、增殖放流站等。其中，主坝最大坝高52 m，副坝最大坝高32 m，渠首和坝后电站总装机容量5 000 kW。

2 数学模型

2.1 水动力方程

水动力控制方程为经Navier-Stokes方程沿深积分的二维浅水方程组

(1)

(2)

(3)

式中，h=η+d为总水深；η为自由面高程；d为静水深；x和y分别表示横轴和纵轴坐标；t为时间；g为重力加速度；U和V分别为沿x和y方向的垂向平均流速；ρ=ρ(T，S)为与温度、盐度相关的水体密度；ρ0为参考密度；Tij为应力项，包括粘性应力、紊流应力和对流等，与流速梯度相关。

(4)

式中，cf为拖曳力系数，cf=g/C2。

水平涡粘性系数采用Samagorinsky亚网格尺度模型求解，涡粘系数

(5)

式中，Cs为可调系数；Sij为变形速率，与速度梯度相关。

2.2 盐度扩散方程

盐度扩散模拟采用对流扩散方程

(6)

式中，S为盐度；Dh为水平扩散系数，Dh=A/σT，σT为Prandtl数。

表1 计算工况 m3/s

3 计算结果分析

3.1 研究范围

根据北门江河口洋浦港潮位观测资料和北门江实测地形数据，并结合历史水质观测资料，萍塘村断面是感潮河段的主要分界断面。本文以萍塘村断面上游约2 km处为盐度扩散模拟计算的上游边界，下游至新英湾至开源大道外7.5 km的部分海域(洋浦鼻外海域约3.5 km)，图2和图3分别为研究范围和计算网格示意图。

图2 研究范围示意

图3 计算网格示意

3.2 咸潮上溯距离

3.2.1 计算工况

根据天角潭水利枢纽工程近期和远期供水方案典型丰、平、枯水年水库下泄流量情况，并结合河口潮汐特征，确定了北门江河口咸潮上溯距离计算工况(见表1)。从表1可以看出，远期供水方案丰水年7月由于水库供水增加，致使北门江河口流量由近期方案的37.81 m3/s减小到15.42 m3/s，其余工况近期、远期供水方案下北门江河口处流量无差异。

3.2.2 计算结果

近期供水方案和远期供水方案北门江河口咸潮上溯预测结果对比见表2。近期供水方案天角潭水库建库后，丰水年6月、丰水年7月、平水年6月河口咸潮上溯距离均较天角潭水库运行前有所增加，分别增加了1 680、299、1 240 m，咸潮上溯最大增加距离为1 680 m，发生在丰水年6月；丰水年4月和平水年11月，河口咸潮上溯距离较天角潭建库前有所减少，分别减少了686 m和100 m；丰水年9月由于天角潭水库建库前后河口处流量较大，均在60.0 m3/s以上，在河口大流量的作用下，北门江河口不会发生咸潮上溯情况。因远期供水方案与近期供水方案北门江河口处流量差异主要体现在丰水年7月，天角潭水库建库后咸潮上溯距离较建库前增加了1 940 m，咸潮上溯最大增加距离较近期方案增加260 m。

表2 近、远期供水方案下北门江河口咸潮上溯预测结果 m

3.3 沿程盐度

3.3.1 计算工况

本文以天角潭水库建库前后北门江河口流量差异最大的月份为典型代表工况，研究天角潭水库建库后北门江河口沿程盐度变化特征，计算工况见表1中的工况1～工况3。

3.3.2 计算结果

河口是海水和河水的混合区。近期供水方案，丰水年6月天角潭水库建库前河口盐度较小，仅为13.9‰，建库后由于河口流量减少，河口盐度升高至24.1‰。从图4a中可以看出，丰水年6月建库前河道中盐度沿程下降速度较快，从13.9‰降至0.5‰的距离仅550 m左右，建库后自河口1 000 m(谭龙断面)以内，盐度下降较快(从24.1‰下降至12.6‰左右)，2 000 m内(攀步断面)盐度降低至2.0‰；在2 400 m以内盐度降低到0.5‰，咸潮上溯距离为2 230 m，与建库前比，咸潮上溯距离增加约1 680 m。图4b给出了丰水年7月建库前后河口沿程盐度分布图，建库前河口断面最大盐度为13.1‰，建库后河口盐度为17.3‰，自河口230 m左右，盐度从17.31‰降至1.53‰，降低幅度约91.16%，建库后的盐度降低速度明显低于建库前。图4c给出了平水年6月建库前后河口沿程盐度分布图，建库前河口断面最大盐度约为20.9‰，建库后河口断面盐度为24.9‰，建库后的盐度降低速度明显低于建库前。

图4 近期供水方案典型丰水年6月、7月和平水年6月天角潭运行前后河口沿程盐度变化

表3 新英湾海域冲淡区计算工况 m3/s

表4 近、远期供水方案下新英湾海域冲淡水区面积预测结果

远期供水方案较近期供水方案在丰水年7月天角潭水库下泄流量有较大改变，其余时段与近期供水方案基本一致。图5给出了远期方案下丰水年7月天角潭建库前后河口沿程盐度变化图，建库后河口断面(陋陈断面)盐度增加到23.02‰，谭龙断面的盐度为4.54‰，河口(陋陈断面)到近攀步村断面(距离河口1 850 m)，盐度由河口断面的23.02‰降至1.53‰，降低幅度约93.2%，建库后的盐度降低速度明显低于建库前。

图5 远期供水方案丰水年7月天角潭运行前后河口沿程盐度变化

丰水年6月和平水年6月，天角潭水库建设前后近期供水方案和远期供水方案河口沿程盐度变化过程一致；丰水年7月，远期供水方案由于水库下泄流量建少，建库后河口(陋陈断面)断面较近期方案增加了盐度5.72‰。

3.4 新英湾海域冲淡水区预测

3.4.1 计算工况

北门江河口新英湾海域冲淡区主要受上游来流和潮汐影响，本研究根据天角潭水利枢纽工程近、远期供水方案河口处流量变化特征及洋浦港潮汐变化特征，确定新英湾海域冲淡区计算工况，见表3。

3.4.2 计算结果

表4给出了天角潭水利枢纽工程近、远期供水方案下新英湾海域冲淡水区面积变化情况。近期供水方案，丰水年6月最低潮位时，建库前新英湾海域面积18.25 km2，其中冲淡区面积达17.50 km2，占总海域面积的95.89%，建库后新英湾海域面积在最低潮位时，为18.00 km2，其中冲淡区面积略有下降为15.40 km2，占整个海域面积的85.56%，与建库前相比，冲淡区面积和冲淡区在海域的占比均有一定程度的下降，海域中冲淡区面积占比降低了为10.33%；平水年9月在最低潮位时，建库前的冲淡区面积约为9.90 km2，占海域面积的52.69%，建库后冲淡区面积为9.85 km2，占海域面积的52.53%，建库后新英湾海域中冲淡区面积占比降低了0.16%；枯水年10月在最低潮位时，建库前新英湾海域冲淡区面积为9.85 km2，占新英湾海域面积的51.30%，建库后的冲淡区面积为7.50 km2，占海域面积的39.26%，建库后新英湾海域中冲淡区面积降低了12.04%。远期供水方案，工况1和工况3天角潭水利枢纽工程项目与近期供水方案下泄流量一致，对新英湾冲淡水区的影响也无差别。平水年9月(工况2)，远期供水方案由于供水量增加，导致河口处流量减少，新英湾海域中冲淡区面积由建库前的9.90 km2减小到8.40 km2，冲淡区占比由建库前的52.69%减小到45.16%，冲淡区面积占比较建库前减小了7.53%。

近期2030年方案和远期2040年方案建库后河口海域冲淡区占比最大减少比例为12.04%；均发生在枯水年10月。在平水年9月，远期方案，建库前后新英湾海域中冲淡区面积占比差值较近期方案增加了7.37%。

4 结 论

(1)本文在分析天角潭水利枢纽工程近、远期供水方案和北门江河口潮汐特征的基础上，采用平面二维盐度扩散数学模型，定量预测评估了天角潭水利枢纽工程两种供水方案对北门江河口咸潮上溯距离、沿程盐度和新英湾海域冲淡区的影响。

(2)近期供水方案北门江河口最大咸潮上溯距离的最大增量为1 680 m，发生在丰水年6月。远期供水方案北门江河口最大咸潮上溯距离的最大增量为1 940 m，发生在丰水年7月(见表2)；较近期供水方案增加了260 m。

(3)天角潭水库建成后，河口盐度减低速度明显减缓。丰水年6月和平水年6月，天角潭水库建设前后近期供水方案和远期供水方案河口沿程盐度变化过程一致；丰水年7月，远期供水方案由于水库下泄流量建少，建库后河口(陋陈断面)断面较近期方案增加了盐度5.72‰。

(4)近期供水方案和远期供水方案建库后新英湾海域冲淡区占比最大减少比例均为12.04%，发生在枯水年10月。平水年9月，远期供水方案较近期供水方案，新英湾海域中冲淡区面积占比减少比例增加了7.37%。

(5)两供水方案对北门江河口水环境影响无显著差别。