水系连通工程对近海潮汐水域水动力的影响

摘 要：潮汐水域是指沿海地区受外海潮汐影响，存在周期性水位及流速变化的河道、湖泊等水体。水系连通工程是采取一系列人工或自然措施连通水系，在河道之间实现水力联系。本研究利用二维水动力数学模型，对龙江河水系连通工程建设前后龙江塘内水动力情况进行模拟。研究表明，工程前后大部分区域水体流速均小于2 cm/s，部分换水能力较差的区域水体流速小于0. 5 cm/s，北湖区水动力条件明显弱于南湖区，旱季及雨季水动力整体相差不大。水体净通量在工程前后基本相似，但工程后水体交换总量远大于工程前。涨潮时刻湖区内及连接段工程后流速明显减小，而落潮时刻湖区内及连接段工程后流速则明显增加。由于工程本身无附加动力，因此工程仅对2个连通工程通道附近水域的水体动力有明显改善，故建议可在两水系连通通道增设泵站，或在部分改善效果较差的区域增设补水点等措施，增加局部水体流动性。

关键词：潮汐水域；水系连通；二维水动力数学模型；水动力；水体净通量；水体交换总量

中图分类号：TV131. 2 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2025）01-0078-10

Influence of Water System Connectivity Project on Hydrodynamics of Offshore Tidal Waters

WANG Yifei1，2， WANG Yanhong1， YANG Xiaoyu1， JIAO Jian1， DING Lei1

（1. Key Laboratory of Port， Waterway and Sedimentation Engineering of Ministry of Transport， Nanjing Hydraulic Research Institute，"Nanjing 210029， China; 2. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering， Sichuan University，"Chengdu 610065， China）

Abstract： Tidal waters refer to rivers， lakes， and other water bodies with periodic water level and velocity changes in coastal areas affected by offshore tides. The water system connectivity project adopts a series of artificial or natural measures to connect the water system and realize the hydraulic connection between the rivers. In this study， a two-dimensional hydrodynamic mathematical model was used to simulate the hydrodynamic conditions in the Longjiang Pond before and after the construction of the Longjiang River System Connectivity Project. The results show that the water flow velocity in most areas before and after the construction of the project is smaller than 2 cm/s， and the water flow velocity in some areas with poor water exchange capacity is smaller than 0. 5 cm/s. The hydrodynamic conditions in the north lake area are obviously weaker than those in the south lake area， and the hydrodynamic conditions in the dry season and the rainy season are not much different. The net water flux before and after the construction of the project is basically similar， but the total amount of water exchange after the construction of the project is much larger than that before the construction of the project. During the flood tide， the flow velocity in the lake area and the connection section after the construction of the project is significantly reduced， while the flow velocity in the lake area and the connection section after the construction of the project is significantly increased during the ebb tide. Since the project itself has no additional power， the project only significantly"improves the water dynamics in the waters near the two connected engineering channels. Therefore， it is recommended to add pumping stations in the connected channels of the two water systems or add water replenishment points in some areas with poor improvement effects to increase local water mobility.

Keywords： tidal waters; water system connectivity; two-dimensional hydrodynamic mathematical model; hydrodynamic; net water flux; total water exchange

潮汐水域是指沿海地区受外海潮汐影响，存在周期性水位及流速变化的河道、湖泊等水体。本文研究区域龙江河上下游均与外海相接，受潮汐影响，属于典型的潮汐水域，而龙江塘目前通过单一通道与龙江河连接，仅靠潮汐性水位变化来进行水体交换，河湖间水循环能力较弱，自净能力已呈现出逐渐退化的趋势。

水系连通工程是调整水土资源匹配关系、提升河湖服务功能、提高水资源调配能力、改善生态环境状况、降低洪涝灾害风险的重要手段与措施，目前已经在全国各地得到广泛运用［1］。水系连通是指采取一系列人工或自然措施连通水系，在河道之间实现水力联系，通过恢复河流与湖泊之间的水文连通性，促进了水体交换和物质循环，提高河道的水动力条件［2-4］，从而增强湖泊自循环更新能力和水生态自我修复能力，提高水资源承载能力与水环境容量，是维持人水关系和谐、构建健康河湖关系和提高水生态文明水平的有效举措［5］。目前国内外已有诸多学者用不同角度开展此方面研究。王少波等［6］以广州市猎德涌为例，通过构建河湖连通的水动力及污染物运移数学模型，探讨水系连通对再生水补给型城市河道水质改善及生态恢复的水文水动力作用。窦明等［7］借助图论法构建了城市水系河网图模型，在此基础上构建了多闸联合调度的水系连通方案优选模型，优选得到在不同工况下的最佳水系连通方案，为城市水系连通格局优化提供典型案例。崔广柏等［8］以常熟城区为例，基于MIKE11水动力、水质数学模型，根据区域特点着力于探索河网水力连通的方法，提出适用于平原河网地区的水系连通改善水环境的研究体系。何理等［9］以“引江济巢”工程为研究对象，从水系连通工程的影响机理出发，构建“结构－环境－生态－经济”评价指标体系，提出综合效应指数，分析水系连通工程对不同空间尺度区域的综合效应，为科学地开展水系连通工程建设提供参考，对生态环境良性循环和社会经济健康发展具有重要意义。此外，一些国外的学者也针对水系连通对于提升河流水质和生态系统整体功能［10］、河流生态系统恢复［11］及生物多样性［12-14］开展了相关研究研究。可以看出，目前针对水系连通工程影响的研究多是针对城市河网，对于潮汐水域的研究相对较少，而由于潮汐水域同城市河网在动力上存在较大差异，因此开展水系连通工程对于潮汐水域水动力影响的研究是非常有必要的。

本研究利用二维水动力数学模型，开展水系连通工程建设前后龙江塘内水动力情况模拟，从而分析水系连通工程的建设对于龙江塘内水体流动性的改善效果，并针对模拟结果提出进一步改善意见，为工程建设提供科学有效的决策和借鉴。

1 研究区域概况

本文研究区域位于三亚市海棠区（图1）。海棠区在南中国海之滨，海南岛南端，三亚市东部，是三亚市的东大门，距三亚市区28 km，东北与陵水县英州镇接壤，南临南海，西连吉阳区及亚龙湾旅游开发区，北靠南田农场及保亭县，总面积384. 2 km2。根据国家海洋局三亚海洋监测站的验潮资料（1996—2005年），三亚的潮汐特征统计如下：最高潮位2. 64 m、最低潮位-0. 433 m、平均潮位0. 707 m、平均高潮位1. 80 m、平均低潮位0. 067 m、平均潮差0. 79 m、最大潮差2. 03 m。本文所有高程均采用1985国家高程系统。

龙江河位于三亚市海棠区，河道全长15. 19 km，上下游均与外海相接，受潮汐影响，属于典型的潮汐水域。本文主要研究区域龙江塘位于龙江河中段位置，目前仅通过宽约60 m、长约500 m的河道与龙江塘相接。受降雨量不足、水源供应不稳定等影响，龙江塘存在季节性缺水的问题，仅靠龙江河的潮汐性水位变化来进行水体交换。目前，河湖间水循环能力较弱，龙江塘自净能力已呈现出逐渐退化的趋势。在龙江河和龙江塘间开展水系连通工程建设是改善龙江塘水体流动性和不断优化龙江河周边水域生态环境的有效手段。拟建2条人工河道从龙江河引水至龙江塘，新建1号水系连通河道中轴线总长541 m，2号水系连通河道中轴线总长257 m（图1）。为进一步量化水系连通工程对龙江塘水体流动能力的提升效果，拟开展数学模型研究，模拟工程前后龙江塘内水体流速的变化。另外为更加准确的分析龙江塘内不同区域水动力的改善效果，将龙江塘划分为8个区域进行统计分析，分别为北湖区西部区域（区域1）、北湖区中部区域（区域2）、北湖区东部区域（区域3）、西通道（区域4）、东通道（区域5）、南湖区西部区域（区域6）、南湖区中部区域（区域7）、南湖区东部区域（区域8）。

2 模型构建

2. 1 模型原理

本文采用二维水动力数学模型，对水动力进行模拟分析。水体流动通过二维非恒定流浅水方程组描述。

二维浅水方程和对流-扩散方程的守恒形式可表达为［15］：

式中：h为水深；u、v分别为x、y方向垂线平均水平流速分量；g为重力加速度；s0x、sfx分别为x向的水底底坡、摩阻坡度；s0y、sfy分别为y向的水底底坡、摩阻坡度。

2. 2 模型概化

本文采用三角形网格分别对工程前后研究区域进行划分。网格尺寸在10～100 m之间，共计8 821个节点，14 926个网格单元；其中最大网格面积约6 000 m2，最小网格面积约0. 2 m2。模型主要对龙江塘工程区域进行局部加密，平均网格大小约为6. 5 m2，加密后的网格可以很精确地反映出工程后通道内的高程变化，见图2。

2. 3 边界条件及初始条件

a））初始条件，见式（4）：

ìu t，h=u0

式中：u0、v0分别为初始流速在x和y上的分量，计算时取流速u0= 0和v0= 0，初始水位h0，可以根据实测资料给定。

b））边界条件。对龙江河各入流边界处采用潮位过程控制，由于研究区域南北边界位置无可用水文站或潮位站为模型提供边界条件，因此本研究利用调和分析计算得到模型南北边界位置连续潮位过程作为边界条件。为保证边界条件合理性，同时利用海棠湾潮位站及蜈支洲潮位站实测潮位过程对调和分析计算结果进行调整及验证，结果表明调和分析计算的潮位过程可以很好的反应研究区域的实际潮位过程，潮位过程见图3，雨季边界最大潮差约为1. 55 m，旱季边界最大潮差约为1. 86 m。龙江塘南边界位于铁炉港入海口，受潮汐作用影响，水位及流速均呈现周期性变化；龙江河北边界由海棠湾1号泵闸对水位进行调控（图4），泵闸位于海棠湾旅游度假区的北侧，藤桥河南侧，外侧与藤桥河入海口相连接。水闸堰顶高程-1. 5 m，水闸孔口尺寸16 m×2。泵站设计流量30 m3/s，泵站孔口尺寸5. 5 m×3，水泵安装高程-3. 17 m。海棠湾1号泵闸整体运行思路为潮位上涨期间，潮位高于内河水位开闸重力流引水，闸内水位随潮位上涨而上升，当潮位达到最高值开始下降则关闭水闸，停止重力流引水。当潮位超过1. 8 m则关闭水闸停止引水。因此北边界水体的流向基本为由外海向龙江河内流动。

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；紊动黏滞系数通过Smagorinsky方程进行求解获得。

3 模型计算

3. 1 计算方案

共设置4组计算方案（表1），以研究不同水文条件下连通工程建设对龙江塘内水动力特征的影响。

3. 2 工程前水动力结果

对工程前龙江塘内8个区域在雨季及旱季大潮涨急、大潮落急及1个月的平均流速进行统计。雨季大潮涨急及大潮落急时刻（表2、图5），除区域4、5、7外，其余区域流速均小于1 cm/s，其中区域1、3、6流速最小，均小于0. 5 cm/s，涨急时刻的水体流动性强于落急时刻，其中区域7在大潮涨急时刻的平均流速显著大于大潮落急时刻的平均流速。雨季各区域1个月的平均流速均小于2 cm/s，北湖区由于不与龙江塘连接，水动力条件明显弱于南湖区；旱季相较于雨季湖区内水动力更强（表3），大潮涨急时刻东、西两通道内（区域4、5）水体流速均接近4 cm/s，区域7流速也超过2 cm/s，同雨季相同，涨急时刻的水体流动性也强于落急时刻。旱季各区域1个月的平均流速均小于2 cm/s，旱季各区域平均流速均略大于雨季，但整体相差不大。

3. 3 工程后水动力结果

对工程后龙江塘内8个区域在雨季及旱季大潮涨急、大潮落急及1个月的平均流速进行统计。雨季大潮涨急及大潮落急时刻（表4、图6），除区域4、5外，其余区域流速均小于2 cm/s，其中仅区域7平均流速大于1 cm/s，南北湖区除区域6外，其余区域在大潮涨急时刻平均流速均大于大潮落急时刻平均流，大潮涨急时刻东、西两通道内（区域4、5）的流速均小于大潮落急时刻。雨季各区域1个月的平均流速均小于2 cm/s，北湖区由于仅由1号水系连通工程与龙江塘连接，水动力条件明显弱于南湖区；旱季相较于雨季湖区内水动力更强（表5、图6），大潮涨急时刻东、西两通道内（区域4、5）水体平均流速均超过3 cm/s，区域7流速也超过2 cm/s，除区域6、8外，其余区域在大潮涨急时刻的平均流速均大于大潮落急时刻。旱季各区域1个月的平均流速均小于2cm/s，旱季各区域平均流速均略大于雨季，但整体相差不大。

4 结果分析

4. 1 工程前后水体交换量对比

水体通量包括入湖水量、出湖水量、净通量和水体交换总量。其中，净通量=入湖水量-出湖水量；水体交换总量=出湖水量+入湖水量。单日潮汐过程的水体交换量与潮汐动力强度密切相关，动力越强，水体交换总量越大。选取典型大小潮，根据数学模型计算得到工程前后单日潮汐过程水体交换量（表6），工程前方案雨季单日潮汐过程内入湖水量为39. 8～54. 5万m³，出湖水量为35. 2～51. 9万m³；旱季单日潮汐过程内入湖水量为20. 4～57. 6万m³，出湖水量为24. 9～63. 3万m³。工程后雨季单日潮汐过程内入湖水量为46. 1～64. 3万m³，出湖水量为41. 5～61. 7万m³；旱季单日潮汐过程内入湖水量为25. 8～74. 4万m³，出湖水量为30. 3～80. 2万m³。可以看出不论雨季还是旱季，典型大潮及小潮单日潮汐过程水体的净通量在工程前后基本相似，但工程后入湖水量及出湖水量均显著大于工程前，即工程后单日潮汐过程水体交换总量远大于工程前单日潮汐过程水体交换总量。本文还统计了工程前后月水体通量，包括工程后3条通道的入湖水量、出湖水量及净通量（表7），从表中可以看出雨季工程前后总净通量为负值，即雨季出湖水量大于入湖水量，旱季工程前后总净通量为正值，即旱季入湖水量大于出湖水量，而不论雨季还是旱季，工程前后的总净通量均基本相等，但工程后入湖总水量及出湖总水量均显著大于工程前，即工程后月水体交换总量远大于工程月水体交换总量，且工程后连接段出湖水量均大于入湖水量，2号通道的水体交换总量远大于1号通道的水体交换总量。

4. 2 工程前后水动力对比

本文通过数学模型计算得到了龙江塘内雨季及旱季大潮涨急及大潮落急时刻，以及月平均流速工程前后的变化（图7），图中柱状图代表工程前后8个区域平均流速的变化。从图中可以看出，涨潮时刻由于工程后三个通道同时进水，两条水系连通通道分担了工程前部分由连接段进入湖区的水量，导致湖区内及连接段工程后流速明显减小，而两通道进水口位置流速则有所增加，即区域4、5、7平均流速在工程后有明显降低，区域3平均流速在工程后则有所增加；落潮时刻湖区内及连接段工程后流速明显增加，区域2、3、4、5、7工程后平均流速显著大于工程前；由于工程本身无附加动力，因此对湖区整体流场不会有太大改变，除区域7外，其余各区域月平均流速工程前后均无明显变化，工程仅对2个连通工程通道附近水域的水体动力有所改善，另外，工程使得龙江河在连接段与1号水系连通通道之间的河段流速显著降低。

5 结论

以龙江塘为研究对象，开展二维水动力数学模型研究，统计分析了水系连通工程建设前后龙江塘内不同区域水体流速的变化及工程建设前后龙江塘与龙江河的水体交换量的变化，结论如下。

a））工程前及工程后涨落急时刻除东、西两通道及南湖区中部外，其余区域水体流速均小于2 cm/s，而湖区内所有区域月平均水体流速均小于2 cm/s；部分换水能力较差的区域（北湖区西部、北湖区东部及南湖区西部）在涨落急时刻水体流速小于0. 5 cm/s，月平均流速则基本小于0. 3 cm/s；北湖区由于不与龙江塘连接，水动力条件明显弱于南湖区；旱季各区域平均流速均略大于雨季，但整体相差不大。

b））不论雨季还是旱季，典型大潮及小潮单日潮汐过程水体的净通量在工程前后基本相似，但工程后单日潮汐过程水体交换总量远大于工程前单日潮汐过程水体交换总量；不论雨季还是旱季，工程前后的总净通量均基本相等，但工程后月水体交换总量远大于工程月水体交换总量；工程后连接段出湖水量均大于入湖水量，2号通道的水体交换总量远大于1号通道的水体交换总量。

c））涨潮时刻湖区内及连接段工程后流速明显减小，而两通道进水口位置流速则有所增加；落潮时刻湖区内及连接段工程后流速明显增加；由于工程本身无附加动力，因此对湖区整体流场不会有太大改变，除区域7外，其余各区域月平均流速工程前后均无明显变化，工程仅对2个连通工程通道附近水域的水体动力有所改善；工程使得龙江河在连接段与1号水系连通通道之间的河段流速显著降低。

d））根据以上计算结果不难看出，目前水系连通工程对于龙江塘内水体流动性在局部区域有一定改善作用，但整体改善效果一般，因此建议可在两水系连通通道增设泵站，或在部分改善效果较差的区域（北湖区西部、南湖区西部）增设补水点等措施，增加局部水体流动性。

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