考慮供需平衡的龍崗河流域水資源調(diào)度方案研究

張 悅，李曉娟

(深圳市龍崗河坪山河流域管理中心，廣東 深圳 518000)

隨著城鎮(zhèn)人口的增長及經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市河湖水污染問題日益嚴(yán)重，水環(huán)境問題成為城市發(fā)展進程中亟待解決的問題之一[1-3]。城市水環(huán)境治理過程中，通過水資源調(diào)度工程，引入清潔水源，補充河道生態(tài)水量，可以有效改善河道水環(huán)境，已經(jīng)成為治理水體污染的常用手段[4]。然而現(xiàn)有研究多集中于龍崗河流域綜合整治[5]、雨污管網(wǎng)建設(shè)[6]等工程措施，對龍崗河水資源調(diào)度的研究資料不多、深度不足，更缺乏對水資源供需平衡的有效分析?；诖?，本文在考慮龍崗河水資源供需平衡的基礎(chǔ)上，通過預(yù)測河道生態(tài)需水量、計算補水量，以滿足龍崗河流域河道生態(tài)需水量為主要目標(biāo)，對龍崗河流域水資源調(diào)度方案進行研究。

1 龍崗河概況

龍崗河流域位于深圳市東北部，干流發(fā)源于梧桐山北麓，流經(jīng)深圳市龍崗區(qū)所轄的橫崗、龍崗、龍城、坪地街道，以及坪山區(qū)的坑梓街道，在坑梓街道下陂村附近進入惠州市境內(nèi)。河流進入惠州市蜿蜒曲折4.89 km后，從坑梓街道沙田村的北面開始，成為深圳市與惠州市的界河，界河長度為2.8 km，接納田坑水與田腳水后，流入惠州境內(nèi)。龍崗河在深圳市境內(nèi)河長為21.1 km，在深圳市境內(nèi)流域總匯水面積為364.4 km2(田坑水河口以上)，河床平均比降為1.03‰。

龍崗河流域內(nèi)共有河流36條，其中干流1條(即龍崗河)，一級支流包括梧桐山河、大康河、愛聯(lián)河、龍西河、龍崗中學(xué)排水渠、南約河、新生排水渠、丁山河、和尚徑水、黃沙河等15條，二、三、四級支流20條。

2 水資源供需平衡分析

2.1 河道生態(tài)需水量預(yù)測

河道生態(tài)需水量預(yù)測的常用方法有：R2CROSS法、濕周法等，本次結(jié)合深圳市特點，以蒙大拿法作為生態(tài)需水量預(yù)測方法。蒙大拿法即 Tennant法，是將全年分為2個計算時段，根據(jù)多年平均流量百分比和河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況的對應(yīng)關(guān)系，直接計算維持河道一定功能的生態(tài)環(huán)境需水量。根據(jù)Tennant法，維持河道一定功能需水量計算式如下：

(1)

式中WR為多年平均條件下維持河道一定功能的需水量；Mi為第i月天數(shù)；Qi為i月多年平均流量；Pi為第i月生態(tài)環(huán)境需水百分比。

Tennant法將1 a分為2個計算時段，4—9月為汛期，10—3月為非汛期，不同時期流量百分比有所不同。不同的河流水系其河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境功能不同，同一河流的不同河段也有差異，因此，根據(jù)實際情況選取合理的河流生態(tài)環(huán)境目標(biāo)確定流量百分比。非汛期通常選取多年平均流量的10%～20%作為河道生態(tài)環(huán)境需水量、汛期選取多年平均流量的30%～40%。經(jīng)比選分析，本次龍崗河生態(tài)需水量同時按保證全年河流流量在非汛期不低于20%，汛期不低于30%進行計算(見表1)。

表1 龍崗河生態(tài)需水量預(yù)測

2.2 可利用水量分析

根據(jù)深圳市水資源配置，水源主要包括地表水、地下水和非常規(guī)水資源。根據(jù)《深圳市人民政府關(guān)于印發(fā)地下水禁采區(qū)和限采區(qū)劃分方案的通知(深府規(guī)〔2018〕16號)》，為合理開發(fā)、有效利用和保護地下水資源，本次可利用水量分析不考慮地下水。

1) 可利用地表水

可利用地表水資源主要依靠水庫、山塘的集雨和蓄水能力。本文在對龍崗河流域水庫、山塘的基本特征和水資源利用情況進行詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，綜合評估各水庫、山塘作為生態(tài)補水水源的可能性。由于汛期以防洪為主，水庫、山塘按照來水即放的原則進行管理，生態(tài)補水主要考慮非汛期。通過調(diào)查，龍崗河流域可用于補水的水庫、山塘及其興利庫容和非汛期、汛期來水分別見表2所示。

表2 龍崗河流域可補水的水庫山塘 萬m3

根據(jù)深圳市各水庫管理部門上報資料，深圳市小型水庫水質(zhì)多滿足地表水III類標(biāo)準(zhǔn)。龍崗河流域水質(zhì)較好或達(dá)到Ⅲ類水的山塘、水庫有22座；達(dá)到Ⅳ類水的山塘、水庫有4座；達(dá)到Ⅴ類水的山塘、水庫有3座；水質(zhì)劣于地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的有2座，分別為上禾塘和新生水庫，其水質(zhì)較差主要是由于庫區(qū)歷史上或現(xiàn)在有部分養(yǎng)殖現(xiàn)象，加強管理后水質(zhì)有較大改善空間。

2) 可利用再生水

經(jīng)調(diào)查，龍崗河流域6座水質(zhì)凈化廠非汛期日處理量為75.2萬m3/d(春節(jié)期間為65萬m3/d)，汛期處理量為82～91萬m3/d。此外，龍崗河流域深圳側(cè)還有7座污水處理站，合計處理能力為16.2萬m3/d；惠州側(cè)4座分散式污水處理站，合計處理能力9.25萬m3/d。龍崗河流域再生水提標(biāo)后出水標(biāo)準(zhǔn)均可達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。

龍崗河流域水質(zhì)凈化廠的尾水大部分直排龍崗河干流，少部分通過補水管道和加壓泵站轉(zhuǎn)輸，龍崗河流域現(xiàn)狀及已設(shè)計補水管總長度約 22.0 km，補水設(shè)計規(guī)模為10萬m3/d，管網(wǎng)主要沿河道藍(lán)線敷設(shè)，其次是沿道路敷設(shè)；已建成的加壓泵站主要布置在水質(zhì)凈化廠內(nèi)，部分河道需要設(shè)置沿途加壓泵站轉(zhuǎn)輸再生水(花園河、新塘河)。

2.3 水資源平衡分析

由于相關(guān)各級支流中的補水最終也會匯集到干流與一級支流，本文將效果評估限定在重要的干流斷面和主要一級支流的河口斷面位置，即龍崗河悠悠河岸、龍園、嚇陂、西湖村4個干流斷面，梧桐山河、愛聯(lián)河、南約河、大康河、龍西河、丁山河、黃沙河、田坑水、田腳水9個主要支流的河口斷面。

水資源平衡根據(jù)以下原則進行配置：① 水質(zhì)較優(yōu)：補水水源水質(zhì)需優(yōu)于河道水質(zhì)目標(biāo)，近期達(dá)到V類及以上標(biāo)準(zhǔn)；② 經(jīng)濟可行：優(yōu)先利用有補水管道的再生水，其次考慮非供水水庫補水，最后考慮供水水庫。

據(jù)此分別對龍崗河流域汛期和非汛期水資源平衡進行分析。

1) 非汛期水資源平衡分析

非汛期天然降水量較少，平均只占年降水量的11.8%。11月和12月降水量近乎為0，考慮蒸發(fā)、下滲等因素，天然降水難以匯集為河道徑流。因此，應(yīng)側(cè)重補給河道非汛期的生態(tài)需水量，主要水源有再生水和水庫山塘的蓄水。

① 再生水

龍崗河干流的悠悠河岸和龍園斷面上游有橫崗污水處理廠，嚇陂斷面和西湖村斷面上游有橫嶺污水處理廠的尾水進行補給，補水量較充裕。各一級支流中，有補水管道或污水處理站補水的包括梧桐山河、大康河、龍西河、丁山河、南約河、田坑水、田腳水，其中丁山河、田坑水和田腳水的污水處理站建設(shè)規(guī)模較大，依靠尾水即可滿足生態(tài)需水量的要求。

② 非供水水庫山塘

非供水水庫的可補給水量，采用興利庫容加上非汛期水庫集雨面積的徑流量進行計算，可釋放水量合計為1 840.96萬m3/a。水庫和河道對應(yīng)關(guān)系見表3。

③ 供水水庫

由表3可知，在非供水水庫山塘聯(lián)合補給河道生態(tài)需水的情況下，龍西河存在的生態(tài)需水量缺口較大，為729.6萬m3，愛聯(lián)河的生態(tài)需水量缺口為517.09萬m3，其次是黃沙河、梧桐山河。

表3 龍崗河流域非供水水庫補水路徑和補水量—非汛期 萬m3

④ 缺水量

梧桐山河和黃沙河無供水水庫，在非供水水庫山塘和已有再生水補水管道調(diào)蓄的前提下，分別存在107.91萬m3和200.5萬m3生態(tài)需水量缺口。由于橫崗水質(zhì)凈化廠距梧桐山河較近，橫嶺水質(zhì)凈化廠距離黃沙河較近，橫崗及橫嶺水質(zhì)凈化廠富余量可滿足梧桐山河及黃沙河生態(tài)需求量的缺口，因此,可考慮新建橫崗水質(zhì)凈化廠至梧桐山河、橫嶺水質(zhì)凈化廠至黃沙河再生水補水管道，計算非汛期補水管道所需補水規(guī)模分別為0.6 m3/d和1.1 m3/d。

2) 汛期水資源平衡分析

龍崗河流域汛期來水量較大，在剔除水庫集雨量的情況下，干流主要斷面和各一級支流的月徑流量如表4～5，相比于河道汛期的生態(tài)需水量較大，不再需要進行生態(tài)補水。

表4 龍崗河流域汛期生態(tài)需水量和徑流量 萬m3

表5 龍崗河流域生態(tài)需水量調(diào)度路徑-非汛期

3 龍崗河水資源調(diào)度方案

3.1 非汛期水資源調(diào)度方案

由以上分析可知，在非汛期內(nèi)，龍崗河干流各主要斷面有污水處理廠的尾水進行補給，補水量較充裕。龍崗河流域各一級支流的生態(tài)水量有較大的區(qū)別，愛聯(lián)河需要截污，下游的橡膠壩長期處于起壩狀態(tài)，不考慮補水；丁山河、大康河、田坑水、田腳水依靠現(xiàn)狀已有的污水處理廠，可滿足生態(tài)需水；龍西河需上游供水水庫放水保障生態(tài)需水；黃沙河和梧桐山河存在一定的生態(tài)需水量缺口，建議新建補水管分別由橫嶺及橫崗水質(zhì)凈化廠補水至黃沙河及梧桐山河。

3.2 汛期水資源調(diào)度方案

由于當(dāng)龍崗河流域汛期遭遇降水時需進行防洪調(diào)度，因此，龍崗河流域汛期水資源調(diào)度方案主要分為日常水資源調(diào)度和防洪調(diào)度。

1) 日常水資源調(diào)度

水資源平衡分析表明，龍崗河流域汛期來水量較大，在剔除水庫集雨量的情況下，干流主要斷面和各一級支流的月徑流量遠(yuǎn)大于河道生態(tài)需水量，因此，不再需要進行生態(tài)補水，主要考慮改善河道水質(zhì)的環(huán)境補水。

同時，為充分利用水資源，汛期非雨天可考慮利用梧桐山河、大康河、龍西河和南約河、丁山河、黃沙河、田坑水、田腳水上游水質(zhì)較好的水庫山塘和已有的再生水補水管道設(shè)施進行河道補水。

表6 龍崗河流域汛期環(huán)境改善型補水路徑

2) 防洪調(diào)度

汛期遭遇降水時，水庫運行優(yōu)先考慮防洪調(diào)度，為減輕下游的洪水災(zāi)害，再生水補水管道和設(shè)施關(guān)閉。

3.3 重大節(jié)日或體育賽事水資源調(diào)度方案

重大節(jié)日或體育賽事，特別是涉及到河道的體育賽事(如龍舟賽、賽艇比賽、景觀巡游等)，應(yīng)遵循實際需要，對水資源進行實時調(diào)度。

以龍舟賽為例，龍舟賽活動區(qū)域為龍園橡膠壩上游，龍園公園內(nèi)，活動期間在汛期日常調(diào)度的基礎(chǔ)上，提前兩天，將龍園橡膠壩充氣起壩，壅高水位，以保障活動期間河道需水。

4 結(jié)語

本文通過分析龍崗河流域汛期和非汛期水資源供需平衡，分別提出了龍崗河汛期、非汛期和重大節(jié)日或體育賽事水資源調(diào)度方案。結(jié)論如下：① 非汛期，龍崗河流域干流各主要斷面有污水處理廠的尾水進行生態(tài)補水補給、補水量較充裕，各一級支流根據(jù)生態(tài)需水量和實際補水工程情況的不同進行補給；② 汛期日常情況不需進行生態(tài)補水、部分河段可根據(jù)需要充分利用水資源進行補水，遇降雨時以防洪調(diào)度為主、關(guān)閉河道補水水源；③ 遇重大節(jié)日或體育賽事時，特別是涉及到河道的體育賽事應(yīng)遵循實際需要，對水資源進行實時調(diào)度；④ 上述方案能夠指導(dǎo)龍崗河的實際調(diào)度運行，對改善流域水生態(tài)、水環(huán)境具有一定的作用。龍崗河屬雨源型河流，且隨著區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟社會發(fā)展，面臨的水生態(tài)環(huán)境壓力越來越大，本次水資源調(diào)度從河道生態(tài)需水量角度出發(fā)，后續(xù)實施過程中仍應(yīng)根據(jù)實際情況，與時俱進，切實實現(xiàn)水資源供需平衡和調(diào)度之間的最優(yōu)化。