感潮河段江滩湿地水体交换模拟与调控措施研究

丁磊 陈黎明 王逸飞 缴健 杨啸宇

摘要：保障湿地水体交换能力对完善湿地功能，维持湿地生态系统的健康至关重要。南京绿水湾湿地是长江江滩湿地，具备多种湿地特点，动力条件复杂。以绿水湾湿地为研究对象，通过构建二维水动力―水龄耦合数学模型，模拟了现状和不同闸、泵调控措施下各区域的水动力特征及水体交换能力。结果表明：现状工况湿地内部水面覆盖率低，水体交换能力差，大部分区域水体交换时间在7 d以上，甚至是14 d以上；建闸后虽然增加了枯季的水面覆盖率，但明显减弱了湿地内水动力，延长了各区域换水周期，换水周期大于14 d的区域明显增多；补水泵站的运用整体上缩短了大部分区域的换水周期，使得水域流速大于0.010 m/s的区域面积明显增加，换水周期大于14 d的区域面积减少。建闸蓄水后，为预防藻类暴发，需控制湿地内水体的换水周期在14 d内，结合各区域水动力和水体交换特点，提出了闸门生态调度、布置净水能力较强的挺水或沉水植物、增设补水点等调度策略。

关键词：湿地；数值模拟；水动力；水体交换能力；闸泵调控措施；感潮河段

中图分类号：X171.4        文献标志码：A        文章编号：1674-3075（2024）01-0032-10

湿地与森林、海洋并称为全球3大生态系统（范振宇等，2023），具有保持水源、净化水质、调洪蓄水、储碳固碳、调节气候、保护生物多样性等多种功能（Moomaw et al，2018；严思睿等，2021），被誉为“地球之肾”“生命摇篮”“文明发源地”“物种基因库”“气候稳定器”等。健康的湿地生态系统是国土生态安全体系的重要组成部分和经济社会可持续发展的重要自然生态基础。在气候变化和人类活动的双重胁迫下，湿地普遍呈水域面积减少、水环境质量下降、生态功能退化的不利趋势（夏少霞等，2022），亟需采取有效措施保护湿地资源，维持湿地生态系统的健康。

感潮河段是河流径流与海洋潮汐两种动力相互消长的过渡地段，是陆海相互作用最集中、最典型的区域，动力条件非常复杂（刘晓强等，2023）。南京绿水湾湿地是典型的感潮河段江滩湿地（隗岚琳等，2023），在自然动力与人类活动的影响下又兼具多种类型湿地特征：（1）绿水湾湿地分布在长江左岸江滩，整体呈条状分布，沿江长约14 km，面积约18 km2，从地理位置看是典型的河流湿地；（2）湿地周边与内部建有超40 km长的堤防，仅北部有约100 m与长江相通，且未来存在建闸的可能，从封闭环境看表现为湖泊湿地的特征；（3）受到长江潮位变动的影响，湿地内部水位、流速等水动力要素会周期变化，该特征与滨海湿地相似；（4）位于城市内部，现建有绿水湾湿地公园，未来地形还将进一步受规划设计影响，非冲淤形成的自然地貌，与人工湿地相似。因此绿水湾湿地与其他湿地相比，水体交换机制更加复杂，调控难度更大。目前针对绿水湾湿地的研究多是以健康评价（刘云等，2016；秦亚情和李升峰，2019；张童等，2022）、湿地功能（徐新洲等，2019；张丹奕等，2023）等为主，但湿地内部水体交换机制尚未摸清，提出以保障湿地健康、完善湿地功能为目标的调控措施会缺乏科学依据。

运用数值模拟的方式分析天然河流（王菲菲等，2021）、湖泊（饶贵康等，2023）、河口（Premathilake & Khangaonkar，2019）、海洋（Li et al，2019）的水动力状况已是成熟且常用的研究手段，流速、流向、水位等参数能够描述研究对象的水动力状况。但对湿地而言，尤其是经人工设计后水下地形变化较大的湿地，还需在流场分析的基础上引入其他水动力参数来描述水体交换特点。陈黎明等（2022）设计了二维水动力模型并引入水龄计算模块，明确了不同补水工程下湿地公园内部湖区水动力状况及水体交换特性。张伟星（2020）引入更新时间的概念，讨论了曹妃甸湿地水域在不同引水流量调控下的流场及水体置换情况。本文为厘清绿水湾湿地在复杂动力边界影响下水动力特点及在不同水文条件下的变化规律，构建了绿水湾湿地平面二维水动力―水龄耦合数学模型，模拟了绿水湾湿地在不同水文状态下水动力分布及过程，得到了复杂动力边界对水体交换的影响，并在此基础上提出了调节湿地蓄水量、改善湿地水体交换能力的工程措施，量化分析调控效果。研究成果可为绿水湾湿地水环境改善提供措施依据，也可为其他复杂动力边界湿地水体交换特性研究提供参考。

1   材料与方法

1.1   研究区域

长江在安徽大通以下开始受上游径流与外海潮汐双重影响，南京河段潮位为非正规半日潮混合型，呈现周期性变化，每日两涨两落。每日涨潮历时超过3 h，落潮历时超过8 h，水位年内变幅较大。潮位高低主要受长江径流控制，一般每年5-10月为洪季，11月至次年的4月为枯季。根据1950年以来南京潮水位站实测水位资料统计，历年最高潮位为8.48 m（2020年7月21日），历年最低潮位为-0.37 m（1956年1月9日）。

绿水湾湿地地处长江南京段北侧岸线，位于长江大堤东侧，以长江江滩、夹江水域及子堤内圩垸为主体，周边有五里河、七里河、城南河等河流流入湿地。西侧为主堤，东侧为血防堤，血防堤高程最低7.6 m，可将湿地与长江分隔，湿地仅北部有约100 m与长江相通。绿水湾湿地内部被子堤分隔，共形成6个相对独立区域（图1），区域1、区域2为城市客厅区；区域3为夹江；区域4、区域5、区域6为湿地公园区。区域间由涵洞或提水泵站连接，维持水体交换。本文所有高程均采用1985国家高程系统。

绿水湾湿地受气候变化和人类活动影响，地表径流的天然平衡条件已遭到破坏，蓄水量失调，现状水系不畅，同时受五里河、七里河、城南河来水影响，部分时段水质较差。虽然已采取补水措施，将长江引入七里河和城南河后下泄至湿地，但并未起到良好效果。

1.2   研究方法

本文采用数值模拟的手段对绿水湾湿地水体交换进行研究。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。为更好地分析湿地内水体交换特性，本文进一步引入水龄计算模块分析水体的交换能力。

1.2.1   模型原理   二维浅水方程和对流―扩散方程的守恒形式为：

[?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。

水体交换时间可用水龄来表征，即边界水体完全交换至各水体单元的时间（以天计）。因此基于可溶性物质平均水龄CART理论，在数学模型中，利用输运方程计算保守物质相对浓度和加权水龄积。考虑示踪物仅从1个河流边界进入，不考虑其他源、汇项，保守物质相对浓度和加权水龄积分别用如下方程计算（陈黎明等，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为保守物质相对浓度，α为加权水龄积，K为扩散系数。

平均水龄a可以表示为：

a=α/C ⑥

1.2.2   模型概化   模型东、南、西边界为堤防，北边界为城南河、七里河入江口下游400 m处。采用三角形网格对计算区域进行划分：网格尺寸10～50 m，共计54 660个节点，107 884个网格单元（图2）；其中最大网格面积为1 673.4 m2，最小网格面积为4.5 m2。由于绿水湾湿地内部水系复杂，河道狭窄，为了更精确的描述区域内河道连通情况，模型主要对城市客厅、湿地公园两部分区域进行局部加密，平均网格大小约为75 m2。模型地形采用设计水下地形，夹江区域高程略低，基本低于3 m，湿地公园内深槽高程为2.5 m，城市客厅南部深槽高程为2.8 m，北部深槽高程为3.5 m。

1.2.3   边界条件   初始条件：湿地水体水位按常水位控制，示踪物浓度和年龄浓度初始值均设为0。

水动力边界条件：上边界条件为五里河泵站、两河口（城南河、七里河）的流量过程。现状五里河泵站平均流量为1.6 m3/s，两河来水平均流量为4 m3/s，长江补水4 m3/s。

下边界条件为长江南京段的流量过程。

水体交换能力计算边界条件：外部支流及引水的示踪物浓度设为1，年龄浓度设为0，其余的开边界示踪物浓度和年龄浓度均设为0。

1.2.4   模型参数   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不断的修正水边线。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，置流速于零。模型中设置其干湿单元，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；紊动粘滞系数通过Smagorinsky方程进行求解获得。本模型参数的选取已在其他湿地水动力计算中得到验证。

2   结果与分析

2.1   水域面积计算

根据设计高程计算出绿水湾湿地水位―面积曲线（图3），分析不同水位条件下绿水湾湿地水域面积保证率。湿地内部水位达4 m时，可维持绿水湾内水面面积达到4 km2；湿地内部水位达4.5 m时，可维持绿水湾内水面面积达到6.4 km2；湿地内部水位达5 m时，可维持绿水湾内水面面积达到7.6 km2。

在近5年中，长江流域2022年为典型的枯水年，2020年为丰水年。2022年水域面积超过4 km2的保证率为21%，水域面积超过6 km2的保证率为15%，水域面积超过8 km2的保证率为2%；枯季水域面积超过2 km2的保证率仅为1%。2020年绿水湾湿地水域面积超过4 km2的保证率为42%，水域面积超过6 km2的保证率为38%，水域面积超过8 km2的保证率为31%；枯季水域面积超过2 km2的保证率仅为8%。因此，绿水湾湿地水面面积保证率低的问题非常突出。

2.2   水体交换模拟

2.2.1   湿地流场时空变化规律   绿水湾湿地内部水体交换受径潮动力的耦合影响，来自五里河、七里河和城南河的径流动力，以及长江的潮汐动力，在长江潮位涨落的影响下，导致湿地内部不会形成稳定流场。选择2021年2月、8月长江逐时潮位过程作为模型下边界（图4），模拟枯季和洪季绿水湾水动力状况受长江潮位变动的影响。2月时潮位基本在1～3 m间变化，8月时在4.5～6 m之间。枯季大潮时潮差可达2 m，洪季受径流顶托作用明显，大潮时潮差也在1 m以内。

枯季时长江潮差大，但在湿地内上溯距离短。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，流速随时间变化非常明显，最大涨潮流速接近0.200 m/s，其他时段为落潮流，流速基本稳定在0.150 m/s（图5）。洪季时湿地内部夹江区域表现出明显的往复流特征，两河口下游半日周期中约1/6时段表现为涨潮流，最大涨潮流速接近0.250 m/s，其他时段表现为落潮流特性，流速最大在0.120 m/s。湿地内部潮波发生明显变形，潮差大小仅为下游的1/4，两河口上游约7 km处夹江中心位置涨潮流最大0.030 m/s，落潮流最大0.020 m/s（图6）。

对大潮落急时刻流速平面分布进行比较（图7）。枯季仅有区域2、3、5过水。其中区域2上游部分不过水，仅有五里河下游被水覆盖，受五里河入流影响，约80%区域流速在0.010～0.050 m/s。区域3约80%区域几乎无流动（流速小于0.005 m/s）。区域5因有涵洞与夹江相同，有部分区域被水体覆盖，但总体流速较低，仅有不到2%区域流速高于0.010 m/s。洪季湿地公园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2五里河下游流速主要为0.005～0.010 m/s，因水深增大该区域流速与枯季比有所降低。区域3超过70%区域流速在0.010～0.050 m/s之间，约20%区域流速超过0.050 m/s。区域4仅有约5%区域流速超过0.010 m/s且集中在北部区域，约80%区域几乎无流动，总体表现为北部流速大于南部的特征。区域5约40%区域流速超过0.010 m/s，集中在深槽区域。区域6约60%区域流速大于0.010 m/s，约20%区域几乎无流动。

2.2.2   湿地水体交换特点   枯季、洪季湿地水龄分布如图8所示，枯季时总体表现为湿地上游水体交换时间比下游长。洪季时表现为汇入口附近及其下游交换时间短，其他区域交换时间长。水体交换进行统计，枯季时，在五里河入流影响下，区域2下游换水周期整体较短，基本在3 d内完成换水。区域3下游受区域2来水及两河来水影响，换水周期相对较小，基本可在7 d内完成换水，上游换水周期比下游长。区域5换水周期均在14 d以上。洪季区域2上游过水，但换水周期大于14 d，下游换水周期均在7 d内。区域3上游换水周期较长，两河下游换水周期均小于7 d。区域5有超过85%的区域换水周期大于14 d。区域1、4、6已蓄水但几乎无流动，换水周期均大于14 d。

根据水体交换模拟结果，绿水湾湿地水动力存在两个问题：（1）枯季水面覆盖率很低，除夹江外其他区域基本处于露滩状态；（2）水体交换能力很差，除两河口附近，其他区域水体交换时间基本在7 d以上（表1），需采取有效措施加以解决。

2.3   调控措施分析

2.3.1   调控思路   根据绿水湾湿地“三面封闭，一面感潮”的格局特点，可在下游与长江交汇处采取建闸的工程措施，使得枯季时绿水湾湿地内部全封闭，能够截留支流来水，将湿地水位控制在闸顶高程以上。同时，为增加湿地内部水体流通性，可在湿地上游合适位置布置补水点，进行生态补水。数学模型是确定闸顶高程、补水点位置、补水流量等关键参数的有效研究手段（王志鹏等，2021；贾瑞鹏等，2023），但为聚焦分析工程措施对水体交换的影响，本文将不进行不同参数的比选。本文对仅建闸和建闸与设置补水点共同作用的方案进行模拟。

拟建闸门位于两河（七里河和城南河）入江口下游400 m处，闸顶设计高程为4.5 m，长江潮位低于4.5 m时关闸，高于4.5 m时开闸。枯季长江潮位普遍低于4.5 m，建闸可使得湿地内水位维持在4.5 m以上；洪季长江潮位普遍高于4.5 m，因此洪季闸门常开，不考虑调控措施。在考虑补水方案后，在绿水湾内共设置6个补水泵站，控制进入湿地的总水量不变，将现有向两河补水的方式改变为对上游区域进行分散补水（图9）。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 m3/s（表2）。设置补水点后，两河流量降低为4 m3/s，其他参数与仅建闸方案保持一致。

2.3.2   调控效果   两河口下游建闸后，枯季关闸可使得湿地内水位维持在4.5 m以上，原无水区域（区域1、区域2上游部分、区域4～6）蓄水但几乎无流动（图10）。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%，流速超过0.010 m/s区域不到3%。配合补水泵站运用后，不仅能使水域面积明显增大，也使各区域流速有了明显提升，区域1从几乎静止到20%以上区域流速大于0.005 m/s，10%以上区域大于0.010 m/s，区域最大流速在0.050 m/s以上（表3）。区域2从约60%区域几乎静止下降到35%，而流速大于0.010 m/s区域面积为补水泵站运用前的4倍。区域3从约95%区域几乎静止下降到55%，流速大于0.010 m/s区域面积也为补水泵站运用前的4倍。区域4从几乎静止到20%以上区域流速大于0.005 m/s，10%以上区域大于0.010 m/s，区域最大流速在0.050 m/s以上。区域5从几乎静止到约30%以上区域流速大于0.005 m/s，10%以上区域大于0.010 m/s，区域最大流速在0.050 m/s以上。区域6并未发生明显改变，仍处于几乎静止状态。因此，补水泵站可使得关闸后几乎无流动的区域1、4、5中10%左右水域流速提升至0.010 m/s以上，针对流动性较弱的区域2、3也可有效提高流动性，流速大于0.010 m/s区域面积为补水泵站运用前的4倍。而针对同样水动力弱的区域6无作用。

换水周期方面，下游建闸后，原本不过水的区域1、区域4和区域6因水体几乎不流动，换水周期均在14 d以上。夹江区域水体交换能力也有一定的下降（图11）。在建闸的基础上设置补水口后，各区域换水周期明显降低。对于区域1，由活水泵站运用前换水周期均大于14 d变为仅有10%的区域换水周期大于7 d。区域2五里河上游开泵前基本均超过14 d，而开泵后换水周期基本全部小于14 d，另有超过40%区域换水周期达到7 d内。区域3内换水周期超过14 d区域的面积由75%下降至25%。区域4换水周期超过14 d区域的面积下降至37.5%，上游区域换水周期明显下降。区域5从换水周期几乎均大于14 d下降至仅有25%的区域换水周期大于14 d。而活水泵站对区域6的改善效果相对一般，仍有超过80%的区域换水周期大于14 d，并集中在东北角。

3   讨论

3.1   不同调控措施效果

保障湿地水体交换能力对完善湿地功能，维持湿地生态系统的健康至关重要。南京绿水湾湿地是长江江滩湿地，呈“三面封闭，一面感潮”的格局，是河流湿地的同时又具备湖泊湿地、滨海湿地以及人工湿地的特点，动力条件非常复杂，除在湿地下游受涨落潮影响与长江有水体交换外，也有江北岸线处五里河、城南河、七里河向湿地补充水源。根据数学模型模拟结果，现状湿地内部水面覆盖率低，水体交换能力差，湿地大部分区域水体交换在7 d以上，甚至是14 d以上。

在绿水湾湿地下游建闸是涵养湿地水源的有效方式，内部将不再受涨落潮影响可使得绿水湾湿地水位稳定保持在闸顶高程以上，水面面积明显增加，但虽然可使得原枯季无水区域（区域1、区域2上游部分、区域4～6）枯季蓄水但几乎无流动，区域3水动力相较关闸前明显减弱，并且各区域换水周期变长，换水周期大于14 d的区域明显增多。

现状采用的从长江向城南河、七里河补水再下泄进入湿地的方式只能改善两河口附近的水体能力，若将补水泵站分散布置在湿地上游，在总补水量不变的情况下，能够达到优化湿地流场，整体改善水体交换能力的目的。补水泵站可使得关闸后几乎无流动的区域1、4、5中10%左右水域流速提升至0.010 m/s以上，针对流动性较弱的区域2、3也可有效提高流动性，流速大于0.010 m/s区域面积为补水泵站运用前的4倍，而针对同样水动力弱的区域6无作用，从区域换水周期的角度来看，泵站的运用整体上减小了大部分区域的换水周期。但对于区域6的改善效果相对一般，仍有超过80%的区域换水周期大于14 d，并集中在东北角。

3.2   建闸后存在的风险

在绿水湾湿地建闸蓄水后，湿地特点将从河流湿地转变为湖泊湿地，易发生藻类暴发等问题（文晔等，2023）。藻类的生长周期通常为30 d，分为3个阶段，其中生长期10 d，高峰期10 d，老化期10 d，因此为了预防藻类暴发，通常需要水体的换水周期在两周内。一般情况下，每年的4月气温开始逐步回升，水温也同步升高，基本可以达到藻类最适宜的生长所需水温，4-5月份长江潮位接近模型计算中的枯季工况，存在局部藻类暴发的风险，还需通过闸门生态调度的方式来改变其水动力条件，提升其水体交换能力。

3.3   未来调控措施建议

根据不同区域的水动力特征及水体交换能力分析结果，本文提出方案已对区域1、2水体交换能力有明显改善，针对其他区域提出相应的调度策略及建议：（1）针对区域3，当上游来水水质较差时，建议可通过闸门调度方式减少五里河泵站以及城南河、七里河上游径流污染带来的影响；夹江水体交换时间较长，建议可通过闸门生态调度的方式，结合涨落潮动力条件，综合考虑外江的潮位，在4-5月以及夏季开展生态调度，尽可能增加水体交换能力，降低夹江区域的水体富营养化风险。（2）针对区域4和区域5中生态补水难以置换到的主槽外坑塘区域，建议可以结合湿地植被重构考虑布置净水能力较强的挺水或沉水植物，提高其区域水体自净能力。（3）针对区域6，整体水体交换能力较差，可建议增设补水点，加强其水体交换。

志谢：感谢南京水利科学研究院窦希萍正高级工程师在论文选题、构思方面给予的指导，感谢《中国海洋工程（英文版）》编辑部王玉丹编审在英文摘要撰写上提供的帮助。

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（责任编辑   熊美华）

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

基金项目：国家重点研发计划（2021YFC3200304-06）；河口海岸保护与治理创新团队项目（Y220013）；中央级公益性科研院所基本科研业务费重大项目（Y223002）。

作者简介：丁磊，1993年生，男，工程师，硕士，主要从事港口海岸及近海工程研究。E-mail： lding@nhri.cn

通信作者：陈黎明，1983年生，男，正高级工程师，硕士，主要从事水资源、水环境与水生态规划研究。E-mail： lmchen@nhri.cn