基于閘泵調(diào)控引水的感潮河網(wǎng)水質(zhì)改善研究

黃春華，江星耀，王 斌，唐榆森

(1.珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611；2.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100034)

隨著城市化的快速發(fā)展，城市的水循環(huán)過(guò)程受到人類(lèi)活動(dòng)的影響愈發(fā)強(qiáng)烈，伴生的一系列城市水環(huán)境問(wèn)題是我國(guó)城市水環(huán)境治理工作需面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1- 3]。水污染作為城市水環(huán)境問(wèn)題的重要一類(lèi)，以城市河涌的黑臭水體現(xiàn)象為典型，嚴(yán)重制約著城市水循環(huán)的健康發(fā)展[4]。城市河涌黑臭水體的產(chǎn)生，受多方因素的作用，其中城市河涌的水動(dòng)力不足是重要的影響因素[5- 6]。在平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，受外江潮汐的影響，感潮河網(wǎng)內(nèi)的水體運(yùn)動(dòng)相對(duì)于單向流更為復(fù)雜，水流的循環(huán)往復(fù)導(dǎo)致河涌水體置換受阻，將進(jìn)一步加劇河涌的水污染現(xiàn)象[7]。

感潮河網(wǎng)地區(qū)的水污染是水科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，以往學(xué)者多從河網(wǎng)水系連通、水閘調(diào)度引水補(bǔ)水等工程措施方面改善河網(wǎng)的水質(zhì)：杜建等[8]針對(duì)珠江三角洲中順大圍區(qū)域水環(huán)境問(wèn)題，提出上、下游水閘分別引排水的聯(lián)合調(diào)度方案，數(shù)值模擬結(jié)果表明該方案可取得良好的水體改善效果；高強(qiáng)等[9]研究認(rèn)為改善平原感潮河網(wǎng)地區(qū)的水環(huán)境應(yīng)優(yōu)先考慮水系連通、河道流向和輸水流量等治水工程的實(shí)施；許益新等[10]基于水動(dòng)力水質(zhì)模型評(píng)估了張家港市內(nèi)感潮河網(wǎng)不同引水流量與水質(zhì)改善、引水服務(wù)面積之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果顯示通過(guò)增加河網(wǎng)的引水量可有效削減網(wǎng)河水體的氨氮濃度。馬克等[11]研究揭示了佛山水道在運(yùn)用不同閘門(mén)開(kāi)度和引水量的組合情景下，河道內(nèi)的水動(dòng)力條件和水質(zhì)改善效果；王菲等[12]采用水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型研究分析了東莞市河口型城市水系利用潮汐水源對(duì)水系進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水的水質(zhì)改善效果，研究認(rèn)為僅擴(kuò)大引潮河涌的寬度對(duì)提升河涌的水動(dòng)力水質(zhì)現(xiàn)狀條件是有限的，需進(jìn)一步配置合理的水閘調(diào)度規(guī)則。

目前，對(duì)于通過(guò)閘泵聯(lián)合調(diào)控引水改善平原感潮河網(wǎng)水質(zhì)的研究仍有待深入，特別是綜合考慮外江潮汐往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間特征，建立具有針對(duì)性的不同外江潮位情景下的閘泵調(diào)控引水規(guī)則。因此，本文以中山市小隱涌流域感潮河網(wǎng)為例，結(jié)合流域外江橫門(mén)水道的潮位變化特征，開(kāi)展基于閘泵調(diào)控引水的感潮河網(wǎng)水質(zhì)污染改善方案研究，以期為平原感潮河網(wǎng)地區(qū)的水污染治理提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域小隱涌流域位于粵港澳大灣區(qū)中山市的火炬區(qū)，北接珠江口門(mén)的橫門(mén)水道，火炬區(qū)內(nèi)的流域面積為80.96km2。小隱涌流域內(nèi)的河道縱橫交錯(cuò)，河網(wǎng)復(fù)雜，呈現(xiàn)南方典型感潮河網(wǎng)的特點(diǎn)。按照子流域劃分，可將小隱涌流域劃分為5個(gè)片區(qū)，即小隱涌片區(qū)、八公里河片區(qū)、張家邊涌片區(qū)、濠頭涌片區(qū)和獨(dú)流入海片區(qū)，共有河涌30條。小隱涌流域整體表現(xiàn)為南高北低態(tài)勢(shì)，南側(cè)屬丘陵地區(qū)、北側(cè)為平原，除八公里河和獨(dú)流入海片區(qū)內(nèi)的部分河涌流向?yàn)樽晕飨驏|外，其余河涌均為自南向北流動(dòng)，最終匯入岐江河和橫門(mén)水道。

近些年來(lái)，中山市火炬區(qū)針對(duì)流域內(nèi)水環(huán)境問(wèn)題的治理力度逐步加大，河涌水質(zhì)得到了明顯改善，但是小隱涌流域河網(wǎng)水環(huán)境目前仍舊存在著一些頑疾：①獨(dú)流入海片區(qū)的河涌常年水位偏低、水體流速緩慢、生態(tài)流量較小，河涌生態(tài)環(huán)境容量較低；②流域內(nèi)城鎮(zhèn)化程度較高，污水的排放量較大，大部分河涌受潮汐影響使得水流循環(huán)往復(fù)，廢水累積不能外排；③部分內(nèi)河涌為斷頭涌，水體復(fù)氧功能喪失，處于黑臭狀態(tài)。根據(jù)中山市當(dāng)?shù)氐暮佑克h(huán)境治理規(guī)劃，未來(lái)小隱涌流域內(nèi)的河涌將全面消除黑臭水體。

2 感潮河網(wǎng)閘泵調(diào)控引水方案

2.1 引水水源分析

小隱涌流域的西南部為中山市長(zhǎng)江水庫(kù)，水質(zhì)優(yōu)良，但是根據(jù)當(dāng)?shù)厮畮?kù)運(yùn)行規(guī)劃，長(zhǎng)江水庫(kù)只在雨季進(jìn)行排洪泄水，平時(shí)無(wú)法進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，所以長(zhǎng)江水庫(kù)不能直接作為引水水源。小隱涌流域內(nèi)的感潮河網(wǎng)主要與橫門(mén)水道進(jìn)行水體交換，橫門(mén)水道作為珠江水系一個(gè)重要出?？?，水量大且水質(zhì)良好，因此橫門(mén)水道可作為通過(guò)閘泵調(diào)控進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，提升小隱涌流域內(nèi)河網(wǎng)水質(zhì)的優(yōu)選水源地。

橫門(mén)水道和岐江河在自然水動(dòng)力條件下的潮位過(guò)程如圖1所示。當(dāng)所有外江閘及內(nèi)河節(jié)制閘全部開(kāi)啟時(shí)，小隱涌流域內(nèi)的各河涌水流流向基本隨漲落潮而變化，因此可根據(jù)外江潮位過(guò)程進(jìn)一步建立不同外江潮位情景下的閘泵調(diào)控引水規(guī)則。

圖1 小隱涌流域外江潮位過(guò)程(單位：m)

2.2 高潮位閘控引水方案

當(dāng)橫門(mén)水道潮位為高潮位(旱季高于1m，雨季高于1.4m，珠江基面)時(shí)，在漲潮時(shí)段，調(diào)度洋關(guān)水閘開(kāi)閘引潮水至小隱涌，孖涌水閘、私鹽涌水閘開(kāi)閘引潮水至小隱片區(qū)內(nèi)河涌，當(dāng)小隱涌水位達(dá)到最高控制水位(旱季1.6m，雨季1.7m)后關(guān)閘。落潮時(shí)段，當(dāng)洋關(guān)水閘的閘內(nèi)外水位形成設(shè)計(jì)水頭差0.3m后，洋關(guān)水閘開(kāi)閘將小隱涌?jī)?nèi)水排出，小隱片區(qū)內(nèi)河涌水通過(guò)八公里河流向小隱涌、張家邊涌將水排至橫門(mén)水道和岐江河。對(duì)于部分位于獨(dú)流入海片區(qū)以及河道里程較短的河涌，采用局部提升泵站的方案將閘引潮水和污水廠尾水輸送至該河涌?jī)?nèi)。

2.3 低潮位泵站引水方案

當(dāng)橫門(mén)水道潮位為低潮位(旱季低于1m，雨季低于1.4m)時(shí)，在漲潮時(shí)段通過(guò)孖涌泵站提升引潮水至孖涌，旱季引水流量為6.67m3/s，雨季引水流量為20m3/s。孖涌水流至八公里河交匯處時(shí)向東西二方向配水，沿交匯處向東通過(guò)鋼壩流入小隱涌下游，向西流至八公里河上游暗涵處，通過(guò)此處泵站提升后的水流向岐江河方向流出。對(duì)于部分位于獨(dú)流入海片區(qū)以及河道里程較短的河涌，采用與高潮位相同的局部泵站提升補(bǔ)水。

3 小隱涌流域河網(wǎng)水質(zhì)模型構(gòu)建

為量化閘泵調(diào)控引水方案對(duì)小隱涌流域感潮河網(wǎng)水質(zhì)的改善效果，本文基于MIKE 11軟件建立流域內(nèi)河網(wǎng)的一維水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型。水動(dòng)力模型的控制方程遵循一維圣維南方程組，方程離散求解采用Preissmann四點(diǎn)隱式差分格式。水質(zhì)模型的控制方程為一維對(duì)流擴(kuò)散方程，方程離散求解采用中心和空間的隱式差分格式。小隱涌流域河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型以小隱涌和八公里河主干河涌為基礎(chǔ)，河道概化共30條。模型的潮位開(kāi)邊界處條件采用入海河涌水閘的實(shí)測(cè)潮位過(guò)程控制，流量開(kāi)邊界按照小隱涌流域排入河涌的設(shè)計(jì)洪水流量過(guò)程控制。依據(jù)中山市環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(shū)的主要水環(huán)境污染物分類(lèi)，水質(zhì)模型選取COD、NH3-N和TP作為水質(zhì)污染模擬因子，污染源考慮小隱涌流域內(nèi)源污染的輸入，包括工業(yè)污水、生活污水和農(nóng)業(yè)面源污染等。水動(dòng)力水質(zhì)模型通過(guò)率定驗(yàn)證后，模型的模擬工況設(shè)置見(jiàn)表1，考慮了不同季節(jié)情景以及基礎(chǔ)工程措施實(shí)施中是否配置閘泵引水方案對(duì)河網(wǎng)水質(zhì)的影響。

4 結(jié)果與討論

4.1 閘泵引水前河網(wǎng)水質(zhì)分析

圖2為小隱涌流域內(nèi)各條河涌實(shí)施了清淤工程和控源截污工程后，河涌水質(zhì)污染因子COD、NH3-N和TP在大潮漲落急特征時(shí)刻的濃度空間分布。該工況下，小隱涌流域并無(wú)實(shí)施閘泵引水方案，各水質(zhì)污染因子的濃度分布在總體上與外江距離呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即距離外江較遠(yuǎn)的流域內(nèi)部河涌污染濃度相對(duì)較高，這是因?yàn)楹佑烤嚯x的增加將導(dǎo)致河涌水體與外江的置換受到制約。不同潮汐特征時(shí)刻下，落急時(shí)刻的COD濃度分布較漲急時(shí)刻有所改善，而NH3-N和TP的濃度相對(duì)變化則不明顯。

表1 小隱涌流域模擬工況

圖2 引水前大潮特征時(shí)刻的COD、NH3-N和TP濃度分布

閘泵引水前小隱涌流域內(nèi)各河涌的水質(zhì)分類(lèi)結(jié)果見(jiàn)表2，實(shí)施清淤工程和控源截污后，小隱涌流域內(nèi)各河涌水質(zhì)情況均有所提高，除私鹽涌、孖涌、小隱涌、八公里河下游和小隱涌中下游部分河段可達(dá)到Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)外，剩余河涌基本為劣Ⅴ類(lèi)。該工況下，由于控源截污減少了流域內(nèi)生活污水、工業(yè)污水和農(nóng)業(yè)面源的入河污染量，加之流域下游受外江橫門(mén)水道潮汐漲落潮的影響，水動(dòng)力效果稍強(qiáng)，因此小隱涌流域下游部分河段的水質(zhì)污染因子濃度值可滿足Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。

表2 閘泵引水前河涌水質(zhì)類(lèi)別

4.2 旱季閘泵引水后河網(wǎng)水質(zhì)分析

圖3為旱季小隱涌流域內(nèi)各條河涌實(shí)施了清淤工程、控源截污工程和閘泵調(diào)控引水后，河涌水質(zhì)污染因子COD、NH3-N和TP在大潮漲落急特征時(shí)刻的濃度空間分布，各河涌的水質(zhì)分類(lèi)結(jié)果見(jiàn)表3。

實(shí)施閘泵調(diào)控引水的方案后，該工況條件下的小隱涌流域內(nèi)各河涌水質(zhì)情況均有質(zhì)的提升，除關(guān)帝涌、上傾九涌和水洲涌3條未閘泵引水循環(huán)的河涌外，其余河涌均可達(dá)到Ⅳ類(lèi)或Ⅴ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)施閘泵引水前，小隱涌流域的下游河涌受橫門(mén)水道潮汐往復(fù)循環(huán)流的影響，河涌的廢水累積且不能有效地外排，尤其是在流域上游，例如八公里河、濠頭涌、小隱涌上游，由于地勢(shì)較高潮汐水流無(wú)法抵達(dá)該位置，使得污染物不斷蓄積在河道內(nèi)。而在實(shí)施閘泵引水循環(huán)后，使整個(gè)流域河涌的水體明顯流動(dòng)起來(lái)，增強(qiáng)了小隱涌流域的水動(dòng)力條件并提高了水體環(huán)境容量，使得補(bǔ)水循環(huán)的水體均達(dá)到除黑臭的要求。

圖3 旱季引水后大潮特征時(shí)刻的COD、NH3-N和TP濃度分布

表3 旱季閘泵引水后河涌水質(zhì)類(lèi)別

4.3 雨季閘泵引水后河網(wǎng)水質(zhì)分析

圖4為雨季小隱涌流域內(nèi)各河涌在小雨結(jié)束后0h和36h時(shí)刻的水質(zhì)污染因子COD、NH3-N和TP濃度空間分布。由圖4可見(jiàn)，水質(zhì)污染因子TP的濃度變化趨勢(shì)與COD變化趨勢(shì)基本相似。通過(guò)分析NH3-N發(fā)現(xiàn)，小雨降雨結(jié)束時(shí)刻水洲涌和上傾九涌上游NH3-N濃度較高，在經(jīng)過(guò)閘泵補(bǔ)水循環(huán)36h后，水洲涌和上傾九涌雖然仍舊為劣Ⅴ類(lèi)水體，但是并未達(dá)到黑臭水體標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 雨季小雨結(jié)束特征時(shí)段后的COD、NH3-N和TP濃度分布

工況3條件下，通過(guò)閘泵引水36h后的河涌水質(zhì)分類(lèi)結(jié)果見(jiàn)表4。小隱涌流域內(nèi)的各條河涌在雨季小雨條件下，經(jīng)過(guò)36h的閘泵調(diào)控補(bǔ)水循環(huán)后，除關(guān)帝涌、上傾九涌和水洲涌3條未實(shí)施閘泵補(bǔ)水循環(huán)的河涌仍為劣Ⅴ類(lèi)水體外，其余河涌均可達(dá)到Ⅳ類(lèi)或Ⅴ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)流域可消除黑臭水體現(xiàn)象。

表4 雨季閘泵引水36h后的河涌水質(zhì)類(lèi)別

5 結(jié)論

(1)小隱涌流域感潮河網(wǎng)在實(shí)施高、低潮位情況下的閘泵調(diào)控引水方案后，河涌的排水流速提高，水體置換加速，有效改善了河涌的水質(zhì)狀況。

(2)在采取控源截污、內(nèi)源治理工程措施后，可有效地控制流域內(nèi)源污染，但因感潮河網(wǎng)的往復(fù)流作用，污染物易累積使河涌水質(zhì)變差。在基礎(chǔ)治理工程上實(shí)施閘泵引水循環(huán)方案后，旱季小隱涌流域的大部分河涌可達(dá)到Ⅳ類(lèi)或Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，且不會(huì)造成外江橫門(mén)水道水質(zhì)變差。

(3)在雨季小雨的降雨條件下，采用閘泵調(diào)控引水循環(huán)方案并合理運(yùn)行約36h后，小隱涌流域可基本實(shí)現(xiàn)河涌水質(zhì)的恢復(fù)。