基于數(shù)學(xué)模型的東江南支流臨時擋潮防咸方案分析

陳鎮(zhèn)杰

（東莞市水務(wù)局（東莞市運河治理中心），廣東 東莞 523000）

1 應(yīng)急工程方案

根據(jù)咸潮活動規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，擬定了3個擋潮防咸方案：①方案1：在支流上設(shè)置高埗水閘、厚街水閘、赤滘水閘3座，通過關(guān)閉閘門來實現(xiàn)外海擋潮。 ②方案2：通過設(shè)置圍堰封堵大王洲南汊及南北汊之間的連通水道， 實現(xiàn)東江三角洲擋潮防咸。 ③方案3：通過設(shè)置圍堰封堵大王洲南汊以及北汊，保證東江三角洲壓咸效果。 方案對比如圖1。

圖1 應(yīng)急擋潮防咸方案

2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

2.1 三維咸潮模型構(gòu)建

采用SCHISM模型模擬珠江河口的咸淡水混合過程，計算東江三角洲咸潮活動規(guī)律。模型是一個三維斜壓、 跨尺度環(huán)流模型， 其計算范圍為112.6°E～113.6°E；21°N～23.6°N，計算選取西江的高要、北江的石角、東江的博羅、流溪河及潭江上游作為上邊界，下邊界取約100m等深線處。 計算模型采用全三角形的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，可比較精確地貼合復(fù)雜的河岸邊界。經(jīng)分析，模型網(wǎng)格共計101265個節(jié)點，172246個網(wǎng)格單元，網(wǎng)格單元的大小為10～12000m。 模型垂向上采用Sigma坐標(biāo)，共分10層，分層厚度隨水深而變化。

模型參數(shù)設(shè)定為：①采用斜壓模式進行計算，其中外海鹽度邊界取34 （取值依據(jù)為邊界點處的WOA09鹽度資料的年平均值），上游邊界鹽度均設(shè)為0。②水平網(wǎng)格內(nèi)部各節(jié)點的初始鹽度采用以下方法設(shè)定：海域節(jié)點采用WOA09鹽度資料進行插值，網(wǎng)河節(jié)點則直接設(shè)為0。 模型的干濕判定水深選取0.01m。③模型計算的基準(zhǔn)面為珠基，計算時間步長為120s，冷啟動，網(wǎng)格內(nèi)各節(jié)點初始水位均設(shè)為0m，模型計算50h后水位穩(wěn)定，計算約15d后鹽度場達(dá)到穩(wěn)定。

2.2 一維水流水質(zhì)模型構(gòu)建

一維水流水質(zhì)計算模型是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程，即一維非恒定流Saint-Venant方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)。

計算模型范圍包含東江三角洲干流及各類主要支流共34條， 模擬的物質(zhì)包括氨氮、BOD兩種物質(zhì)，物質(zhì)在輸移過程中通過物理、 化學(xué)及生物的作用發(fā)生濃度衰減， 其衰減系數(shù)反映了污染物在水體作用下降解速度的快慢。為使模型盡快收斂，設(shè)置一定的初始水位與污染物濃度：模型的初始水位設(shè)定為0m，溶解氧初始濃度設(shè)為6mg/L， 氨氮濃度0.5mg/L，BOD初始濃度為1.5mg/L。

3 模型驗證

3.1 三維咸潮模型驗證

（1）水動力驗證。采用2019年東江三角洲同步觀測水文數(shù)據(jù)對模型進行水動力驗證。驗證結(jié)果顯示，潮位的模擬值與實測值符合性較好， 計算時段內(nèi)實測斷面水位誤差平均值均小于0.1m， 流量相對誤差均在10%以內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)范的要求，可見模型中各河道糙率的選取是符合實際情況的。

（2）水位及鹽度驗證。采用2021年4月份的泗盛、大盛水位及東莞市第二水廠、第三水廠、第四水廠和萬江水廠的取水口含氯度對模型進行驗證。 結(jié)果顯示，各測站潮位過程模型相位與實測基本一致，潮位平均誤差最大偏差為0.18m，結(jié)果良好；且鹽度的模擬值與實測值吻合較好， 基本上能反映東江三角洲網(wǎng)河區(qū)咸潮活動情況。 綜上，模型驗證情況良好，可用于下一步模擬計算。

3.2 一維水流水質(zhì)模型驗證

（1）水動力模型的率定及驗證。糙率范圍控制在0.023～0.045之間， 其中低糙率主要集中在下游平原河網(wǎng)區(qū)域。 驗證結(jié)果顯示，潮位、流量相位之間的誤差小于0.10h， 潮位的模擬值與實測值吻合較好；計算時段內(nèi)實測斷面水位誤差平均值均小于0.1m，流量相對誤差均在10%以內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)范要求。 可見模型中各河道糙率的選取是符合實際情況的， 可用于下一步水質(zhì)模擬計算。

（2）水質(zhì)模型的率定及驗證。應(yīng)用率定好的水質(zhì)參數(shù)運行模型，并提取模擬結(jié)果。 氨驗證結(jié)果顯示，模型中各項物質(zhì)的濃度變化趨勢與規(guī)律基本與實測結(jié)果一致， 除部分區(qū)域受支流排水的影響出現(xiàn)波動外，其他位置的物質(zhì)濃度與實測結(jié)果匹配度較高，可認(rèn)為模型能夠較準(zhǔn)確反映模擬時段內(nèi)各類物質(zhì)的濃度變化過程與規(guī)律。

4 模型計算結(jié)果分析

4.1 防咸效果分析

模型下邊界采用2021年12月至2022年1月的潮邊界過程， 上游博羅水文站采用2022年1月平均流量，即220m3/s，計算兩個月的咸潮活動情況，并采用后一個月的咸潮情況進行分析， 水質(zhì)咸度超標(biāo)小時數(shù)如表1。 經(jīng)分析可知，各方案均能起到一定的擋潮防咸效果，方案3最優(yōu)，其次為方案1，最后為方案2。從結(jié)果來看，各方案對第三水廠、東城及新塘水廠是利好的，而對第二水廠則不利。 綜合以上情況，從防咸效果方面推薦方案3作為防咸應(yīng)急方案。

表1 不同方案下各水廠水質(zhì)咸度超標(biāo)小時數(shù)

4.2 水質(zhì)影響分析

4.2.1 常規(guī)水質(zhì)影響分析

計算模型初始條件及污染物以2020年東江干流實測水質(zhì)資料為基礎(chǔ)， 結(jié)合排污口分布及污染物濃度的沿程變化，設(shè)置水質(zhì)初始值及排污情況。水動力方面，上游以2021年12月至2022年1月的流量平均值作為邊界，下游為對應(yīng)的潮位過程。 由于前述方案3是以方案2為基礎(chǔ)， 故水質(zhì)的影響計算僅考慮方案2及方案3。 各廠平均水質(zhì)統(tǒng)計如表2。

表2 工程實施后各主要水廠平均水質(zhì)統(tǒng)計

結(jié)果表明：①實施應(yīng)急工程后，兩方案下第二水廠、第三水廠、第六水廠取水口處水質(zhì)均有好轉(zhuǎn)，且全部堵住后水質(zhì)更好，這主要是因為東江南支流水質(zhì)沿程變差，越往下游污染物濃度越高，因此當(dāng)堵住分汊后，下游污染物無法上溯到上游，因此水質(zhì)總體好轉(zhuǎn)。說明水質(zhì)的變化主要是沿程污染物的輸入，當(dāng)堵住分汊后，可大大減小流域上游污染物下泄量。 ②新塘水廠取水口處水質(zhì)較工程前稍變差，且全部堵住后水質(zhì)最差，主要是因為東江南支流堵住后，東江北干流分流比將增加，相應(yīng)的污染物濃度也會有所增加。

4.2.2 突發(fā)水污染影響分析

計算模型初始條件為水質(zhì)濃度0mg/L。 水動力方面，上游以2021年12月—2022年1月的流量平均值作為邊界，下游為對應(yīng)的潮位過程。假設(shè)從上游博羅水文站有一突發(fā)污染源，從計算開始后開始排放，結(jié)合污染物的擴散規(guī)律研究應(yīng)急工程在突發(fā)污染情況下的影響。實施應(yīng)急工程后各主要水廠平均水質(zhì)統(tǒng)計如表3。

表3 各主要水廠突發(fā)污染物平均濃度統(tǒng)計

4.3 防洪影響分析

防洪影響分析選取5年一遇洪水遭遇5年一遇外江設(shè)計潮位，并采用恒定流計算。工程實施后東江北干流、南支流水位變化統(tǒng)計如表4。

表4 工程實施后干、支流水位變化統(tǒng)計

結(jié)果表明，作為推薦工程的方案3對行洪具有較大不利影響。 因此，若為了防咸保供水，確需實施該方案時，則必須制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，做好氣象、水文預(yù)報，提前預(yù)測上游來水情況，并針對來水預(yù)判防洪形勢，必要時須及時、迅速拆除工程圍堰，恢復(fù)河道行洪過流能力。

5 結(jié)語

（1）建立了覆蓋東江三角洲網(wǎng)河區(qū)及干流的大范圍三維咸潮計算模型、一維水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，通過對模型進行率定及驗證，其誤差滿足相關(guān)規(guī)范要求，可用于后續(xù)模擬計算。

（2）根據(jù)模擬計算結(jié)果，3種方案有一定的擋潮防咸效果，經(jīng)綜合分析，方案3最優(yōu)，其次為方案1，最后為方案2。 水質(zhì)影響計算結(jié)果表明，工程實施后對東江南支流沿線水廠水質(zhì)不會產(chǎn)生負(fù)面影響， 而對于東江北干流的新塘水廠，水質(zhì)會較現(xiàn)狀稍差。在遭遇干流突發(fā)污染事件時，各廠水質(zhì)均會較現(xiàn)狀稍差。且實施應(yīng)急工程后對河道行洪均有不利影響。

（3）根據(jù)三維咸潮模型的計算結(jié)果，方案3能夠防止咸潮上溯，而其他方案僅能應(yīng)對部分情況，因此從實施條件、經(jīng)濟性、有效性等方面考慮，方案3較優(yōu)。 但方案3依然存在水污染、防洪、通航等風(fēng)險。 實施該工程必須加強突發(fā)污染事件的監(jiān)測， 同時做好防洪應(yīng)急預(yù)案， 可為我國沿海區(qū)域枯水期抗旱防咸工作積累一定的現(xiàn)實經(jīng)驗。