網(wǎng)河區(qū)河湖聯(lián)合水環(huán)境調(diào)控分析

張曉艷，董 明，倪培桐，唐造造

(廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635)

1 概述

網(wǎng)河區(qū)特別是感潮河網(wǎng)地區(qū)，河涌交錯，水情復雜多變，為擋潮、灌溉、引水等修建了眾多不同功能的水閘和泵站，使得水流運動更為復雜，流向多變，隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和城市化進程的推進，城市河流的水質(zhì)普遍受到嚴重污染。徐峰俊、劉潔等利用數(shù)學模型等研究手段研究感潮網(wǎng)河區(qū)的水環(huán)境問題[1-2]，倪培桐、林蓉璇等對網(wǎng)河區(qū)群閘聯(lián)控以及平原網(wǎng)河區(qū)城市河涌水環(huán)境改善進行了研究與探討[3-8]，研究表明，如何利用水閘、泵站等水利工程借助潮汐動力創(chuàng)造排污通道或者引入清潔水源等都是改善城市河涌水環(huán)境的有效措施。本文以廣州市海珠區(qū)為例，研究了水閘、泵站聯(lián)合調(diào)度下不同補水方案對河涌水環(huán)境的影響，并探討群閘聯(lián)控下網(wǎng)河區(qū)有無調(diào)蓄區(qū)(湖)對周邊水環(huán)境的影響，本文的研究可為網(wǎng)河區(qū)水利規(guī)劃建設以及改善河涌水環(huán)境提供借鑒與技術參考。

2 河湖聯(lián)控水環(huán)境調(diào)控分析

2.1 海珠區(qū)水系及水環(huán)境概況

海珠區(qū)是廣州市中部的一個島區(qū)，地處北緯23°52′～23°59′、東經(jīng)113°29′～113°46′之間。海珠區(qū)四面環(huán)水，北臨珠江前航道與天河區(qū)、越秀區(qū)隔江相望，南接珠江后航道與番禺區(qū)相鄰，東與黃埔區(qū)、西與荔灣區(qū)隔江相望。全區(qū)面積為90.45 km2，整個行政區(qū)域由海珠島、琶洲島、官洲島等島組成，全區(qū)由新滘圍、共和圍、琶洲圍、北帝沙圍、丫髻沙圍、官洲圍和陳沙圍等組成防護堤。外江堤線總長為81.9 km，由北面的珠江前航道、南面的珠江后航道、官洲水道、侖頭水道等分隔開來。海珠區(qū)四面臨江，區(qū)內(nèi)河流、河涌交錯，據(jù)統(tǒng)計，海珠區(qū)內(nèi)現(xiàn)有大小河涌70余條，其中主要河涌19條。根據(jù)海珠區(qū)河涌水系規(guī)劃深化實施方案[9-10]，通過連通和梳理水系構(gòu)建該區(qū)“六環(huán)七線”的水系格局，構(gòu)成海珠區(qū)水系的整個骨架，形成相互聯(lián)系又相對獨立的水系格局。六環(huán)即將本區(qū)劃分為琶洲島片、共和圍片、石榴崗河北部片、石榴崗河南部片、北濠涌—石溪涌片及獨立河涌片共6片；七線為黃埔涌、赤沙涌、石榴崗河、土華涌、北濠涌、墩和涌和海珠涌(水系見圖1所示)。

圖1 海珠區(qū)河涌水系以及補水方案示意

工業(yè)廢水和城市生活污水的直接排放導致區(qū)內(nèi)河涌水質(zhì)不容樂觀，幾十年來污染物不斷積累，嚴重影響了沿岸居民生活質(zhì)量和城市生態(tài)景觀。為了改善水環(huán)境、水生態(tài)、水景觀，還涌于民，海珠區(qū)進行了引水補水規(guī)劃，并引入雨洪調(diào)蓄區(qū)(海珠湖)，構(gòu)筑生態(tài)城市框架，充分利用現(xiàn)有的水利工程體系，通過引水、補水工程建設與調(diào)度，實現(xiàn)大部分主要河涌的單向流動，改善河涌水質(zhì)，維護城市區(qū)域生態(tài)環(huán)境和水體景觀。受篇幅所限，本文僅列舉1個補引水方案以及在區(qū)內(nèi)設置人工湖，在群閘聯(lián)控條件下，研究補引水工程實施后以及有無人工湖的情況下河涌水體的交換情況。

2.2 數(shù)學模型的建立

2.2.1計算模式

本次建立一維水動力、水質(zhì)數(shù)學模擬，分析海珠區(qū)水環(huán)境調(diào)控的狀況與規(guī)律。

描述一維非恒定流運動的圣維南方程組其控制方程為：

(1)

式中：

x、t——距離和時間的坐標；

A——過水斷面面積；

Q——流量；

h——水位；

q——旁側(cè)入流流量；

C——謝才系數(shù)；

R——水力半徑；

α——動量校正系數(shù)；

g——重力加速度。

河網(wǎng)水質(zhì)模型的控制方程為：

(2)

式中：

C——物質(zhì)濃度，mg/L；

D——縱向擴散系數(shù),m2/s；

C2——源/匯濃度,mg/L；

K——線性衰減系數(shù),1/d 。

MIKE 11的水動力模塊(HD)是用以模擬河流及河網(wǎng)水流的隱式有限差分模型。模型利用常用的Abbott六點隱式格式離散上述控制方程組，該離散格式在每一個網(wǎng)格點不同時計算水位和流量，而是按順序交替計算水位或流量，分別稱為h點和Q點。

海珠區(qū)河網(wǎng)有大量的水閘、泵站等水工構(gòu)筑物，在這些構(gòu)筑物處，根據(jù)閘、泵的水力學特征作特殊處理。海珠區(qū)河網(wǎng)水系的水閘絕大多數(shù)屬于寬頂堰式水閘，在模型中閘、泵通常作為流量點處理，根據(jù)相鄰水位點水位關系采用寬頂堰水閘的堰流或孔流流量公式計算過閘流量。

雨洪調(diào)蓄區(qū)與河涌相通，有較大的水面面積，通過引水和排水，能對區(qū)域的水量進行調(diào)節(jié)。模型通過在調(diào)蓄區(qū)位置添加與其規(guī)模相應的調(diào)蓄容積來模擬和反映海珠湖或低洼地調(diào)蓄區(qū)的影響[11]。

模型的邊界、范圍、控制參數(shù)取值以及模型的驗證等已經(jīng)過率定[12-13]，本文不再贅述。

2.2.2水體交換指標

在上述一維水動力、物質(zhì)輸運模型的基礎上，利用溶解態(tài)保守物質(zhì)的濃度為示蹤劑，建立海珠區(qū)水體交換數(shù)值模式。

設海珠區(qū)內(nèi)河涌水體初始濃度場為C(r,l,t0)，瞬時濃度場為C(r,l,t)，則不同時刻、不同河涌、不同里程的海珠區(qū)內(nèi)河涌被外江水體(外江是指前航道、后航道，示蹤物濃度為0，內(nèi)河涌示蹤物濃度為1)置換的比率R(r,l,t)，即換水率為：

(3)

對于內(nèi)河涌，令C(r,l,t0)=1,則：

R(r,l,t)=[1-C(r,l,t)]×100%

(4)

式中：

r——河涌；

l——河涌特定位置里程標示；

t0——初始時刻。

假定進入海珠區(qū)內(nèi)河涌的外江水體與內(nèi)河涌水體完全混合,混合后的水體在落潮或漲潮隨河涌排水時排出內(nèi)河涌。當換水率為1或100%則表示內(nèi)河涌水體已被完全置換。

2.3 計算方案

本次在考慮推薦的海珠區(qū)引水補水工程規(guī)劃方案的基礎上，考慮計算對石榴崗河以上各斷頭涌進行補水的方案，當對石榴崗河以北的五鳳涌、康樂涌、墩和涌、大塘涌等斷頭涌進行補水時，在打開石榴崗水閘引水的同時關閉西祿水閘及土華西閘；反之則打開西祿水閘、土華西閘。在楊灣涌與淋沙涌交界處建楊灣泵站，當對康樂涌及五鳳涌補水時開啟楊灣泵站，以保證水量。上游斷頭涌五鳳涌、康樂涌、墩和涌、大塘涌仍然采取二級提水來進行補水，并設節(jié)制閘，以保證污水不被重復利用。本次選擇一組斷頭涌補水流量方案以及增加雨洪調(diào)蓄區(qū)(人工湖)，進行海珠區(qū)河湖聯(lián)控的水體交換計算，雨洪調(diào)蓄區(qū)規(guī)模按40 hm2考慮。

對于區(qū)內(nèi)的水閘、泵站的調(diào)度規(guī)則，根據(jù)《廣州市海珠區(qū)引水補水工程規(guī)劃深化實施方案》及《廣州市海珠區(qū)引水補水工程規(guī)劃深化實施方案調(diào)整》，結(jié)合海珠區(qū)不同片區(qū)或區(qū)域的景觀水位和河網(wǎng)水系特點，分片或分區(qū)擬定引水補水方案和水閘調(diào)度運行方式?？偟脑瓌t是通過水閘群的聯(lián)合調(diào)控，實現(xiàn)大部分河涌的單向流動，形成漲潮時引水、落潮時排水的運行格局，改善河涌水環(huán)境，保持河涌景觀水位。根據(jù)海珠區(qū)各分片或分區(qū)水閘、泵站詳細的調(diào)度運行方式和人工湖的汛期、非汛期調(diào)度運行方式[11]，擬定計算方案。本次的計算方案組次見表1。

表1 計算方案組次

2.4 成果分析

采用海珠區(qū)河網(wǎng)水動力與水質(zhì)數(shù)學模型，對選擇的海珠區(qū)河涌水系引水補水工程規(guī)劃方案及雨洪調(diào)蓄區(qū)方案進行水體交換計算，模擬內(nèi)河涌污染物相對濃度隨時間變化過程。

計算的部分河涌典型斷面位置24 h、72 h內(nèi)平均相對濃度，24 h、72 h內(nèi)平均換水率見表2、表3以及圖2。

圖2 河涌典型斷面不同方案濃度變化對比示意

表2 部分河涌典型斷面位置24 h、72 h內(nèi)平均相對濃度統(tǒng)計

表3 部分河涌典型斷面位置24 h、72 h內(nèi)平均換水率統(tǒng)計

方案0是海珠區(qū)引水補水工程規(guī)劃方案，由計算知，石榴崗河北部片的斷頭涌五鳳涌、康樂涌、墩和涌、大塘涌等的典型斷面72 h內(nèi)平均濃度在0.65～0.75之間，平均換水率為25%～35%。在增加五鳳涌等斷頭涌進行泵站提水補水后(方案1)，石榴崗河北部片的斷頭涌大部分典型斷面72 h平均濃度變化基本在0.05以內(nèi)，平均換水率變化基本在5%以內(nèi)，兩方案的水體濃度和換水率差別不大，沒有質(zhì)的飛越，說明通過泵站提引水質(zhì)濃度相差不大的水補充進斷頭涌，對改善斷頭涌水質(zhì)濃度和水體交換的作用并不明顯，但補水有利于實現(xiàn)河涌內(nèi)的活水、動水。

在泵站補水的情況下，增加人工湖(方案2)，由計算知，增加相同水質(zhì)濃度的人工湖，除了進水通道比如石榴崗河的水體交換加快外，區(qū)內(nèi)部分河涌包括斷頭涌的水體交換稍有變慢。因此，增加了在斷頭涌排放點源污染的情況[2]，以論述人工湖建設前后區(qū)內(nèi)河涌濃度的改變情況，由計算知，五鳳涌、康樂涌、墩和涌、大塘涌等斷頭涌相對濃度略有降低、平均換水率略有增加，但有無人工湖差別不明顯，與人工湖臨近的淋沙涌、后滘涌、上沖涌以及作為排水通道的西祿涌、北濠涌、黃沖涌、土華涌西段等河涌相對濃度有所降低、平均換水率有所增加，河涌水質(zhì)有所改善。從上述分析知，新建人工湖改善斷頭涌水質(zhì)的作用不明顯，但可在一定程度上改善其臨近河涌和排水通道河涌的水質(zhì)。

3 結(jié)語

1) 本文采用海珠區(qū)河網(wǎng)水動力與水質(zhì)數(shù)學模型，對選擇的海珠區(qū)河涌水系引水補水工程規(guī)劃方案及雨洪調(diào)蓄區(qū)方案進行水體交換計算，模擬內(nèi)河涌污染物相對濃度隨時間變化過程。由模擬知，利用泵站提水與受水河涌水質(zhì)相差不大的水補充進斷頭涌，對改善斷頭涌水質(zhì)濃度和水體交換的作用并不明顯，但有利于實現(xiàn)河涌內(nèi)的活水、動水。

2) 雨洪調(diào)蓄區(qū)的存在使得周邊河涌與外江的水體交換周期略有增加，但其存在增加了區(qū)域環(huán)境容量，可在一定程度上改善其臨近河涌和排水通道河涌的水質(zhì)，改善當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。

3) 網(wǎng)河區(qū)城市河涌水環(huán)境的改善，可充分利用水閘、泵站的調(diào)度，使河涌中的水流動起來，有條件的情況下可利用泵站引入清潔水源可改善河涌水質(zhì)，同時結(jié)合興建雨洪調(diào)蓄區(qū)等水利工程措施，在增大區(qū)域環(huán)境容量改善生態(tài)環(huán)境的同時，對于當?shù)嘏艥骋彩怯欣?。實際運用中，選擇何種方式應結(jié)合當?shù)貙嶋H情況進行論證。

4) 本文探討了感潮網(wǎng)河區(qū)河湖聯(lián)合、群閘聯(lián)控下，引補水和新建雨洪調(diào)蓄區(qū)等措施對周邊河涌水環(huán)境的影響，可為今后指導網(wǎng)河區(qū)的水利規(guī)劃建設以及改善河涌水環(huán)境提供借鑒與參考。