?？谑旋埨纤邓空{(diào)度數(shù)值模擬

黃國如，冼卓雁，馮 杰，翁白莎

(1.華南理工大學 土木與交通學院, 廣東 廣州 510640;2.中國水利水電科學研究院 水資源研究所, 北京 100038)

海口市龍昆溝水系水量調(diào)度數(shù)值模擬

黃國如1，冼卓雁1，馮 杰2，翁白莎2

(1.華南理工大學 土木與交通學院, 廣東 廣州 510640;2.中國水利水電科學研究院 水資源研究所, 北京 100038)

龍昆溝是位于?？谑兄鞒菂^(qū)的排洪河道,受人類活動破壞和潮水頂托影響,水體污染嚴重。擬利用現(xiàn)有水利工程對龍昆溝水系進行聯(lián)合調(diào)度,以改善其水環(huán)境現(xiàn)狀。為確定合理調(diào)水方案,以不同潮位和調(diào)水流量作為邊界條件,構建水動力水質(zhì)模型，模擬水量水質(zhì)變化過程。結(jié)果表明,枯水大潮和枯水小潮期應分別采用間斷性和連續(xù)性調(diào)水，紅城湖與東西湖聯(lián)合調(diào)水可有效地解決龍昆溝、大同溝及東西湖水質(zhì)問題。

?？谑?；水量調(diào)度；水動力模型；水質(zhì)模型

“以動治靜、以凈釋污、以豐補枯、改善水質(zhì)”的水環(huán)境調(diào)度是河網(wǎng)地區(qū)迅速改善水環(huán)境的一種有效措施,通過對現(xiàn)有閘站等水利工程聯(lián)合調(diào)度,使河涌由往復流變?yōu)閱蜗蛄?增加凈泄量,使長期回蕩的污水及時排出,達到改善河涌水質(zhì)，初步消除黑臭現(xiàn)象的目標[1-3]。近年來很多學者通過構建河流水量水質(zhì)模型,合理確定水量調(diào)度方案并實現(xiàn)方案最優(yōu)化,在大量的水環(huán)境規(guī)劃管理實踐中得到成功應用[4-7]。龍昆溝為海口市中心城區(qū)的主要排洪河道,因管理不善及潮水頂托,工農(nóng)業(yè)和生活廢污水蓄積回蕩在河道內(nèi),造成河道污染，嚴重影響居民生活。為改善龍昆溝現(xiàn)狀,擬利用河湖水體動力特性,實行龍昆溝水系聯(lián)合調(diào)度。本文分析不同潮位和流量情形下龍昆溝下游河段水流和水質(zhì)變化狀況,以便確定合理的調(diào)水方案,改善?？谑兄行某菂^(qū)的水環(huán)境質(zhì)量。

1 研究區(qū)域概況

龍昆溝水系位于?？谑兄行某菂^(qū),主要由四條河流和三個湖泊組成(圖1和表1)。上游連接紅城湖,在中游處分為東崩潭和西崩潭,東崩潭起自解放軍187醫(yī)院附近,沿龍昆南路東側(cè),經(jīng)目客村、道客村等地;西崩潭起自金牛嶺人工湖閘下,沿海秀大道自南向東直至與東崩潭匯合,匯合后河道沿龍昆北路經(jīng)九孔涵入海;下游有大同溝與東西湖相連。

圖1 龍昆溝水系示意圖

表1 龍昆溝水系各水體概況

水體名稱長度/km平均河寬/m面積/km2龍昆溝3.72817.0西崩潭1.4007.5東崩潭0.5955.0大同溝1.50015.0紅城湖0.36金牛嶺人工湖0.20東西湖0.10

綜合考慮該水系及周邊河流實際情況,預設紅城湖與東西湖聯(lián)合調(diào)水方案(圖1),利用美舍河流域的河口溪泵站,抽南渡江水至紅城湖,再以一定流量出流稀釋龍昆溝中下游水體，考慮到紅城湖比河口溪泵站高約5 m,需在河口溪泵站處修建長度約2.5 km的涵管至紅城湖;利用美舍河橡膠壩工程調(diào)水至東西湖,使原來水體間的往復流變?yōu)閱蜗蛄?讓東西湖及大同溝水在大同溝口匯入龍昆溝后出流入海,改善整個龍昆溝水系水質(zhì)。

2 模型構建

為確定合理調(diào)度方案并實現(xiàn)方案最優(yōu)化,水流水質(zhì)的數(shù)值模擬在水環(huán)境規(guī)劃管理中尤為重要。河網(wǎng)水流數(shù)值模擬通常分為組合單元法[8]和一維圣維南方程組數(shù)值解法[9],圣維南方程組是描述河道中漸變非恒定水流運動規(guī)律的偏微分方程組,由反映質(zhì)量守恒定律的連續(xù)方程和反映動量守恒定律的運動方程組成,利用有限差分法求解該方程組,構建該河網(wǎng)水系水動力模型[10]。

水質(zhì)數(shù)值模擬方法與水流模擬相似,也分為組合單元法[11]和一維對流擴散方程求解法[12]。后者假定物質(zhì)在橫斷面上完全混合,物質(zhì)守恒或者遵守一階反應動力學,符合Fick擴散定律,擴散速率與濃度梯度成正比,設定一個恒定的衰減系數(shù)模擬非保守物質(zhì),基于質(zhì)量守恒原理,建立一維對流擴散方程,采用時間和空間中心隱式差分格式對模型進行求解,模擬物質(zhì)在水體的對流擴散過程[10]。

龍昆溝水系河道斷面形式較為規(guī)則,斷面間距約50 m～400 m,對重點研究區(qū)域則加密斷面,如龍昆溝中下游、大同溝口等。上游流量邊界條件由不同調(diào)水方案確定,考慮到已建水利工程規(guī)模,紅城湖、東西湖分別采用1 m3/s、2 m3/s和3 m3/s共9種流量組合進行分析?？紤]感潮河段受潮位變化牽引影響,龍昆溝下游水位邊界分別采用?？谡?006年1月3日和2006年1月21日潮位過程線,如圖2所示。兩個潮位過程頗具代表性:(1) 前者潮差較大且高低潮位分明,可利用高潮漲憩后的退水牽引力使河涌污水順流出海;(2) 后者潮差較小且高潮位較低,對龍昆溝下游感潮河段影響較小,可實行小流量連續(xù)調(diào)水措施。

圖2 潮位過程線

龍昆溝水系河湖水質(zhì)較差,總體只有Ⅴ類水標準,部分河段達到劣Ⅴ類水。根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標準和工程實際情況,選取COD作為水質(zhì)控制因子,龍昆溝水系各水質(zhì)邊界條件取值為40 mg/L,河道糙率n取0.025,擴散系數(shù)為0.05 m2/s[13-14]。

3 結(jié)果分析

紅城湖和東西湖同時出流,分別采用1 m3/s、2 m3/s和3 m3/s共9種組合,分別考慮枯水大潮和枯水小潮兩種情況。

(1) 枯水大潮情況

下游水位邊界條件采用枯水大潮,為區(qū)分河段斷面,龍昆溝下游指大同溝口到出?？诙?中游指龍昆溝與東崩潭交匯處到大同溝口段。

通常來說,下游潮位較高時,使用較大流量下壓頂托潮水,更有可能利用水動力實現(xiàn)理想的水質(zhì)改善[15]。故直接考慮紅城湖與東西湖同時出流3 m3/s時大同溝口附近區(qū)域流量數(shù)值模擬結(jié)果,如圖3所示,漲潮期間,龍昆溝上游持續(xù)來水,下游潮水頂托,水難以排出外海,只能在龍昆溝內(nèi)回蕩,部分分流至大同溝,出現(xiàn)逆流現(xiàn)象。開始退潮后,退潮力牽引和上游來水下壓共同作用,龍昆溝下游和大同溝均改變水流流向,且流量迅速增大,遠大于上游調(diào)水流量。

圖3 紅城湖與東西湖同時出流3 m3/s時

大同溝口附近區(qū)域流量模擬過程

因此,枯水大潮期間想要調(diào)水整治水環(huán)境,最好選擇在高潮漲憩后調(diào)水,這樣可充分利用高潮漲憩后的退潮牽引力,可適當減少調(diào)水量,更好地達到調(diào)水改善水質(zhì)目的。

由于上游感潮河段存在退潮時間的延遲性,當出?？诟叱睗q憩后2 h,感潮河段末端(大同溝口附近)流量才逐漸變?yōu)檎?。故假定在高潮漲憩后2 h,紅城湖和東西湖同時出流3 m3/s,龍昆溝水系水流數(shù)值模擬過程如圖4所示。

從圖4可看出,龍昆溝下游基本上不受潮水頂托,未出現(xiàn)長時間大流量的逆流現(xiàn)象,紅城湖和東西湖水均能順利地流至龍昆溝,繼而出流入海,實現(xiàn)水質(zhì)改善目標,與預期設想基本吻合,也驗證了高潮漲憩后2 h開始調(diào)水為較為理想的調(diào)水方案。

在此調(diào)水方案情景下模擬該河網(wǎng)水系的水質(zhì)變化過程,選取大同溝口到出?？诤拥赖娜齻€斷面,斷面1靠近出?？?斷面3靠近大同溝口,斷面2位于兩者中間,結(jié)果見圖5。開始調(diào)水后,龍昆溝下游河段污染物濃度迅速降低,水質(zhì)有很大改善,證明這是一種行之有效的水環(huán)境整治方法。

圖4 高潮漲憩后2 h調(diào)水龍昆溝流量模擬過程

圖5 紅城湖和東西湖均調(diào)水3 m3/s情況下

龍昆溝水質(zhì)變化過程

因此,在枯水大潮期間調(diào)水,最好選擇高潮漲憩后1 h～2 h開始,且河涌內(nèi)必須實行截污控源等綜合措施,以保證調(diào)水整治水環(huán)境的良好效果。

(2) 枯水小潮情況

采用枯水小潮為下游水位邊界條件,各流量組合情形下龍昆溝水流數(shù)值模擬結(jié)果見圖6。

由圖6可知,枯水小潮期間,如果調(diào)水量太小,遇到下游高潮位時,龍昆溝下游與大同溝也會出現(xiàn)短時間的倒流現(xiàn)象?？菟〕逼陂g最好實行連續(xù)調(diào)水,同時實際調(diào)水過程中應根據(jù)潮位起伏來選擇相應的調(diào)水量,調(diào)水量太小,調(diào)水水動力效果不理想,盲目地增大調(diào)水量,容易造成水資源浪費。

當采用紅城湖出流1 m3/s、東西湖出流2 m3/s這一流量組合進行調(diào)水時,既不出現(xiàn)倒流又不浪費水資源,為較為合理的調(diào)水方案。為了解該調(diào)水方案下污染物濃度變化過程,利用與枯水大潮時相同的模擬算法,進行水質(zhì)模擬計算,結(jié)果見圖7。從圖7中可以看出,龍昆溝下游感潮河段污染物濃度迅速降低,水質(zhì)得到明顯改善,說明該方案為行之有效的水環(huán)境治理方案。

圖6 紅城湖與東西湖各種調(diào)水流量組合下龍昆溝流量模擬過程

圖7 紅城湖調(diào)水3 m3/s且東西湖調(diào)水2 m3/s情況下龍昆溝水質(zhì)變化過程

4 結(jié) 語

建立龍昆溝水系水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度模型,模擬不同潮位過程和調(diào)水流量下控制斷面的水流水質(zhì)過程,可得出如下結(jié)論:

(1) 龍昆溝水系感潮特性決定了水流水質(zhì)模擬時必須考慮外海潮位對水流的頂托或牽引作用。枯水大潮期間,潮位頂托會使污水難以排出外海,調(diào)水應盡量避開高潮漲潮,故應采用間斷性調(diào)水方式,高潮漲憩后2 h開始調(diào)水,可以充分利用退潮牽引力,達到事半功倍效果;而枯水小潮期間調(diào)水,潮位變化對污水排放影響不顯著,可實行連續(xù)調(diào)水方式,采用較小流量可實現(xiàn)水環(huán)境整治目的,且不會浪費水資源；

(2) 采用紅城湖與東西湖聯(lián)合調(diào)水可利用東西湖調(diào)水量下壓大同溝逆流的污染物,可同時解決龍昆溝、大同溝及東西湖水質(zhì)問題,在實際調(diào)水過程中,具體調(diào)水時間及調(diào)水量還須根據(jù)龍昆溝水系的實際情況加以確定；

(3) 利用相對干凈水體對污水進行沖刷能快速改善河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境,但僅依靠水動力完成水體更新只是治標不治本的方法。建議在進行調(diào)水沖污的同時,實行截污控源等綜合措施,力求從源頭上減少污水量,雙管齊下才能達到整治水環(huán)境的良好效果。

[1] 錢 玲，劉 媛，晁建穎.我國水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].環(huán)境科學與技術，2013,36(6):484-487.

[2] 游進軍，薛小妮，牛存穩(wěn).水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控思路與研究進展[J].水利水電技術,2010,41(11):7-9，18.

[3] 方子云.中美水庫水資源調(diào)度策略的研究和進展[J].水利水電科技進展,2005,25(1):1-5.

[4] 徐貴泉,唐迎洲.崇明島引清調(diào)水方式優(yōu)化研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2011(2):4-7.

[5] 徐貴泉,陳長太,唐迎洲,等.上海市水資源調(diào)度現(xiàn)狀的分析評估[J].水資源保護,2013,29(1):51-54.

[6] 張大偉.南水北調(diào)中線干線水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控關鍵技術研究[D].上海：東華大學,2014.

[7] 吳浩云.大型平原河網(wǎng)地區(qū)水量水質(zhì)耦合模擬及聯(lián)合調(diào)度研究[D].南京:河海大學，2006.

[8] 韓龍喜,張書農(nóng),金忠青.復雜河網(wǎng)非恒定流計算模型——單元劃分法[J].水利學報,1994,25(2):52-56.

[9] 韓龍喜,陸 冬.平原河網(wǎng)水流水質(zhì)數(shù)值模擬研究展望[J].河海大學學報：自然科學版，2004,32(2):127-130.

[11] 金忠青,韓龍喜.一種新的平原河網(wǎng)水質(zhì)模型——組合單元水質(zhì)模型[J].水科學進展,1998,9(1):35-41.

[12] 褚君達,徐惠慈.河網(wǎng)水質(zhì)模型及其數(shù)值模擬[J].河海大學學報,1992(1):16-22.

[13] 國家環(huán)境保護總局，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標準[S].北京：中國水利水電出版社，2002.

[14] 吳持恭.水力學(上冊)[M].第四版.北京:高等教育出版社,2003.

[15] 郭新蕾.河網(wǎng)的一維水動力及水質(zhì)分析研究[D].武漢：武漢大學,2005.

Numerical Simulation of Longkungou River Integrated Dispatch in Haikou

HUANG Guoru1, XIAN Zhuoyan1, FENG Jie2, WENG Baisha2

(1.SchoolofCivilEngineeringandTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510640,China;2.DepartmentofWaterResources,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China)

Longkungou, which is located in Haikou, is the main drainage channel of the city. It has been seriously polluted by the human activities and tide push. Regarding to this situation, it was proposed to divert clearer water from other lakes and rivers in Longkungou river system into Longkungou by adopting the existing hydraulic channels, so as to improve its water environment. In order to determine a suitable water diversion plan, a hydrodynamic water quality model was established to simulate the changing process of the flow and quality with different tide levels and water diversion amounts as the boundary conditions. The results suggest that intermittent mode and continuous mode should be adopted during the low water high tide and low tide period respectively. Besides, the combined water diversion from Hongcheng lake and Dongxi lake can solve the water quality problems of Longkungou river, Datonggou river and Dongxi lake at the same time.

Haikou city; water diversion; hydrodynamic model; water quality model

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.05.002

2015-04-10

2015-05-15

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201401048)

黃國如(1969—)，男，江蘇南京人，教授，博導，主要從事水文水資源研究工作。 E-mail:huanggr@scut.edu.cn

P333

A

1672—1144(2015)05—0005—04