賀新春， 黃芬芬， 汝向文， 萬東輝， 鄭江麗， 吳瓊， 張麗

(珠江水利委員會 珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611)

珠江三角洲典型河網(wǎng)區(qū)水資源調(diào)度策略與技術(shù)研究

賀新春， 黃芬芬， 汝向文， 萬東輝， 鄭江麗， 吳瓊， 張麗

(珠江水利委員會 珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611)

珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)河涌密布、閘泵眾多，水動力條件復(fù)雜；受排污和咸潮影響，珠江三角洲局部地區(qū)水環(huán)境和供水安全問題突出。珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)開展了一系列水資源調(diào)度實踐，實踐證明，利用閘泵-河庫聯(lián)合調(diào)度改善水環(huán)境和保障供水安全是一項行之有效的重要措施。分析了珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)的水資源問題，將珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)分為受排污影響和受咸潮影響兩類典型河網(wǎng)區(qū)，針對典型河網(wǎng)區(qū)水資源調(diào)度需求，分別提出了改善水環(huán)境和保障供水安全的調(diào)度策略，探討了典型河網(wǎng)區(qū)水資源調(diào)度模型技術(shù)，選擇中珠聯(lián)圍進行了實證分析。結(jié)果表明，采用推薦調(diào)度方案可縮短中珠聯(lián)圍枯水期水體置換時間，有效地提高搶淡效率，提高供水保障程度。

珠江三角洲河網(wǎng)區(qū);中珠聯(lián)圍；河涌；水體置換；搶淡蓄淡；改善水環(huán)境;保障供水安全;水資源調(diào)度

珠江三角洲是世界上水系最復(fù)雜的三角洲之一，由西江、北江及思賢滘以下、東江石龍以下河網(wǎng)水系和入注三角洲諸河組成，集水面積2.68萬km2，其中河網(wǎng)區(qū)面積9 750 km2；珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)河道縱橫交錯，其中西江、北江三角洲集雨面積8 370 km2，河網(wǎng)密度為0.81 km/km2；東江三角洲集雨面積1 380 km2，河網(wǎng)密度為0.80 km/km2。珠江河口的潮汐為不正規(guī)半日混合潮型，一天內(nèi)有兩漲、兩落，半個月中有大潮汛和小潮汛；珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)同時受到上游徑流和口門潮汐的影響，屬于顯著感潮河網(wǎng)區(qū)，水位隨潮水漲落過程而變化；洪季時徑流量增大，潮流作用減弱，潮區(qū)界和潮流界向口門方向下移；枯季時徑流量減少，潮流作用增大，潮區(qū)界和潮流界向河流上游方向位移。珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)水閘、泵站眾多，同時涉及諸多河涌和水庫，工程系統(tǒng)龐大、復(fù)雜。例如：中順大圍共有河涌223條、水閘77座、排澇泵站228座；中珠聯(lián)圍共有河涌40條、水閘21座、排澇泵站43座；珠澳供水系統(tǒng)共涉及9座蓄淡水庫和6座主力泵站等。

針對珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)的水系特征和水動力特點，為改善內(nèi)河涌水環(huán)境和保障供水安全，珠江三角洲各地開展了一系列水資源調(diào)度實踐。中山通過西河水閘、東河水閘和鋪錦水閘聯(lián)合調(diào)度實施水體置換，有效地改善了岐江河和中順大圍內(nèi)河涌水質(zhì)；佛山利用河涌潮位差實施引水沖污，開展了蘆苞涌和西南涌補水調(diào)度、沙口閘泵引水調(diào)度、禪城區(qū)引排水調(diào)度，有效地改善了佛山市內(nèi)河涌；廣州開展了番禺區(qū)市橋河水閘聯(lián)合調(diào)度、海珠湖水系聯(lián)通工程調(diào)度、白云湖補水調(diào)度、三涌補水調(diào)度；中山和珠海充分利用中珠聯(lián)圍內(nèi)河涌涌容，通過馬角水閘和聯(lián)石灣水閘聯(lián)合調(diào)度，將外江淡水搶蓄到內(nèi)河涌，并聯(lián)合開展了改善前山河水環(huán)境七閘聯(lián)合調(diào)度原型試驗，提高了枯水期供水保障程度，改善了河涌水環(huán)境；珠海和澳門通過蓄淡水庫、取水泵站和原水管網(wǎng)的建設(shè)和完善，構(gòu)建了珠澳供水系統(tǒng)，形成了“江水為主、庫水為輔，江水補庫、庫水調(diào)咸”的供水格局。在理論研究方面，許多學(xué)者分別圍繞水資源調(diào)度方案與措施、閘泵聯(lián)合調(diào)度引水的河涌水質(zhì)改善效果、引水排污沖淤聯(lián)合調(diào)度試驗等方面對珠江三角洲水資源調(diào)度問題開展了大量研究[1-7]。

現(xiàn)有研究和實踐證明，利用閘泵聯(lián)合調(diào)度改善河網(wǎng)區(qū)水質(zhì)和保障供水安全是一項行之有效的重要措施，但現(xiàn)有的研究成果基本上都是針對局部區(qū)域或水系的具體調(diào)度問題開展研究的，缺乏對珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)水資源調(diào)度問題的系統(tǒng)性、整體性研究，且側(cè)重改善水環(huán)境調(diào)度研究，對保障供水安全調(diào)度的研究較少，尚未形成適用于珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)的水資源調(diào)度技術(shù)體系。本文從分析珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)的水資源問題入手，針對不同典型河網(wǎng)區(qū)的水資源調(diào)度需求，提出有針對性的調(diào)度策略，探討水資源調(diào)度模型技術(shù)，并選擇中珠聯(lián)圍進行實證分析，研究適用于珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)的水資源調(diào)度技術(shù)體系。所取得的研究結(jié)果有助于豐富與完善復(fù)雜河網(wǎng)區(qū)水資源調(diào)度理論與方法，也可為珠江三角洲水資源調(diào)度決策提供重要的技術(shù)支撐。

1 水資源問題分析

1.1 河涌水質(zhì)污染嚴(yán)重

珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)分布著眾多聯(lián)圍，聯(lián)圍內(nèi)城鎮(zhèn)、工業(yè)、企業(yè)密布，人口高度集中，由于社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，截污和污水處理跟不上污染物的排放，入河排污量加大，導(dǎo)致入河污染物總量接近或超過水功能區(qū)的納污能力，內(nèi)河涌污染嚴(yán)重。如中順大圍的歧江河和中珠聯(lián)圍的前山河水道分別流經(jīng)中山市和珠海市主城區(qū)，兩條河涌都承擔(dān)著排澇、排污和景觀用水的功能，其水質(zhì)污染嚴(yán)重影響了居民的生活環(huán)境。此外，珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)為感潮河網(wǎng)區(qū)，受潮流和徑流的雙重作用，污染物在河網(wǎng)區(qū)往復(fù)流蕩，難以凈化，造成污染物的積累，加劇了水體污染。嚴(yán)峻的水環(huán)境問題已成為珠江三角洲地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵、限制性因素。

1.2 供水受咸潮影響嚴(yán)重

受枯季上游徑流減少、口門形態(tài)和攔門沙的消長與運移、海平面季節(jié)變化、航道整治和河道挖砂等因素綜合影響，近年來珠江口咸潮上溯越來越嚴(yán)重。珠江三角洲咸潮一般出現(xiàn)在10月至次年3月。一般年份，0.5‰咸潮線在虎門水道至化龍附近、雞啼門水道至新沙、橫門水道至小引涌口、磨刀門水道至燈籠山附近、崖門水道至黃沖一帶；大旱年份，0.5‰咸潮線分別上移至廣州西村與鶴洞、番禺沙灣、中山張家邊和竹排沙尾、江門石咀附近。咸潮上溯直接威脅澳門、珠海、中山、廣州、東莞等城市的供水安全，受影響人口多達1 500余萬。咸潮上溯與上游徑流有密切關(guān)系，當(dāng)思賢滘流量小于2 500 m3/s時，廣昌泵站、馬角水閘、平崗泵站等重要取水口都在咸潮線以下，無法正常取水；從2005年冬至2006年春，咸潮嚴(yán)重時，澳門和珠海取水口水體含氯度曾高達7 500 mg/L，超過生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)29倍。近年來，珠江河口咸潮活動越來越頻繁，影響范圍越來越大，強度越來越高，上溯時間越來越提前，持續(xù)時間愈來愈長，咸潮已成為珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)供水安全亟待解決的突出問題。

1.3 水資源需求多樣，缺乏統(tǒng)一調(diào)度管理機制

珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)河涌有排澇、納污、供水等多種功能，水資源調(diào)度管理要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)多種功能目標(biāo)。此外，珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)主干河涌大多為跨行政區(qū)河流或邊界河流，各行政區(qū)的水資源管理各自為政，缺乏流域?qū)用婧蜕弦患壭姓用娴慕y(tǒng)一管理機制，導(dǎo)致河涌上下游、左右岸競爭性用水問題突出。例如中順大圍地跨順德區(qū)和中山市兩個地級行政區(qū)，涉及17個鎮(zhèn)街，各鎮(zhèn)街實行分區(qū)管理，都以各自轄區(qū)的洪澇安全和水環(huán)境安全為調(diào)度目標(biāo)，沒有統(tǒng)一考慮中順大圍整體調(diào)度目標(biāo)，在這種管理體制下，雖然上游鎮(zhèn)街的洪澇和水環(huán)境問題得到了解決，但下游港口、沙溪等鎮(zhèn)街的洪澇和水環(huán)境問題變得嚴(yán)重；中珠聯(lián)圍內(nèi)的前山河水道流經(jīng)中山市、珠海市、澳門特別行政區(qū)，前山河水道上游坦洲水網(wǎng)區(qū)以供水和排澇為主要功能，中游珠海河段以納污和水景觀為主要功能，下游澳門內(nèi)港河段以排澇和擋潮為主要功能，但由于前山河水道沒有建立流域水資源管理機制，前山河水道的排澇、擋潮、供水、水環(huán)境問題一直沒有得到妥善解決。

1.4 河涌取、排水布局不合理，堤防標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)屬于感潮河網(wǎng)區(qū)，受外江潮汐動力作用，聯(lián)圍內(nèi)河涌大多為周期性非恒定往復(fù)流，而同一條河涌或具有水力聯(lián)系的兩條河涌既設(shè)置有取水口又設(shè)置有排水口，現(xiàn)狀取、排水口布局不合理，取、排水管理不順，加重了內(nèi)河涌污染物回蕩現(xiàn)象，使得水資源調(diào)度缺乏順暢的取水廊道和排水通道。目前各聯(lián)圍排澇標(biāo)準(zhǔn)均偏低，且堤防高度不一致，使得內(nèi)河涌可調(diào)節(jié)涌容有限。

2 水資源調(diào)度策略

珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)水系發(fā)達，河涌水動力受上游徑流和口門潮汐雙重作用，閘泵體系完善，這為水資源調(diào)度創(chuàng)造了有利的條件。根據(jù)珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)的水資源問題，可以將珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)分為受排污影響河網(wǎng)區(qū)和受咸潮影響河網(wǎng)區(qū)兩類典型河網(wǎng)區(qū)。這兩類典型河網(wǎng)區(qū)有不同的調(diào)度需求，應(yīng)采取不同的調(diào)度策略。

2.1 受排污影響河網(wǎng)區(qū)的改善水環(huán)境的調(diào)度策略

受排污影響河網(wǎng)區(qū)的主要水資源問題是入河污染物接近或超過河涌納污能力，使得河涌水質(zhì)超標(biāo)。調(diào)度需求為通過水體置換提高河涌水體自凈能力，滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)。調(diào)度策略為在保證防洪排澇安全、滿足正常供水灌溉和航運需求的前提下，充分利用外江潮汐動力和清水資源，通過水閘、泵站等水利工程設(shè)施的調(diào)度，改變或控制水流流向和流量，使河網(wǎng)內(nèi)主要河涌水體定向、有序流動，加快水體循環(huán)，促使污染物有效降解、擴散和輸移，改善河涌水質(zhì)。

改善水環(huán)境調(diào)度分為豐水期、平水期、枯水期3個調(diào)度時期，這3個時期面臨著不同的水文條件和任務(wù)需求，調(diào)度策略也有不同要求。豐水期降雨集中、降雨強度大，圍內(nèi)暴雨易澇、外江水位高、防洪壓力大，各聯(lián)圍的主要任務(wù)是預(yù)防外江洪水和排泄圍內(nèi)暴雨澇水；與外江聯(lián)通的水閘、泵站的主要功能是擋潮和排澇，必要時還要提前預(yù)排，降低內(nèi)河涌水位以承接圍內(nèi)暴雨。因此，豐水期不能通過外江引水來置換聯(lián)圍內(nèi)河涌水體，而要充分利用聯(lián)圍內(nèi)雨洪資源，在聯(lián)圍產(chǎn)匯流和產(chǎn)污計算的基礎(chǔ)上，掌握污染物在聯(lián)圍內(nèi)河涌的分布，合理確定閘泵調(diào)度組合、調(diào)度秩序和調(diào)度時機，從水質(zhì)角度實施沖污調(diào)度，從水量角度實施排澇調(diào)度。平水期外江無洪水壓力、圍內(nèi)排澇壓力小，在滿足正常供水灌溉和航運需求的前提下，可以通過水閘、泵站調(diào)度，充分引外江清水置換圍內(nèi)河涌水體，改善河涌水質(zhì)?？菟谙坛鄙纤荩饨榷容^高，各聯(lián)圍保障供水和灌溉需求突出，要根據(jù)咸潮活動規(guī)律確定取水時機，盡量引外江淡水置換圍內(nèi)河涌水體，改善河涌水質(zhì)。

2.2 受咸潮影響河網(wǎng)區(qū)的保障供水安全調(diào)度策略

受咸潮影響河網(wǎng)區(qū)的主要水資源問題是枯水期外江含氯度超標(biāo)，導(dǎo)致取水口無法正常取水。調(diào)度需求為根據(jù)外江水質(zhì)條件，最大限度地搶取外江淡水，保障供水安全。調(diào)度策略為根據(jù)外江徑流條件和咸潮活動規(guī)律，通過水閘、泵站和水庫等水利工程設(shè)施進行搶淡、蓄淡調(diào)度，從外江抽取淡水，將淡水蓄積到內(nèi)河涌或水庫，以保障枯水期供水安全。

保障供水安全調(diào)度分為河網(wǎng)區(qū)搶淡蓄淡調(diào)度和江庫連通工程系統(tǒng)調(diào)度兩類，由于這兩類調(diào)度實施區(qū)域有著不同的地形條件、水系條件、工程條件和水文條件，所以調(diào)度策略也有不同要求。河網(wǎng)區(qū)搶淡、蓄淡調(diào)度實施區(qū)域地勢平坦、開闊，河網(wǎng)密度高、河涌容積大，水庫湖泊少、水閘與泵站眾多，圍內(nèi)河涌與外江水力聯(lián)系密切，應(yīng)充分利用內(nèi)河涌的有效涌容，通過水閘進行搶淡、蓄淡，將外江淡水蓄積到內(nèi)河涌。根據(jù)河涌水質(zhì)情況，河網(wǎng)區(qū)搶淡、蓄淡調(diào)度可以分為水體置換和搶淡蓄淡兩個調(diào)度階段。水體置換階段要根據(jù)咸潮活動規(guī)律多引外江淡水置換圍內(nèi)河涌水體，改善河涌水質(zhì)，并盡量縮短內(nèi)河涌水體置換周期；搶淡蓄淡階段要準(zhǔn)確地把握搶淡時機，提高搶淡和蓄淡效率，合理優(yōu)化水閘搶淡、河涌蓄淡、水庫調(diào)咸和泵站供淡等調(diào)度過程，滿足枯水期應(yīng)急供水需求。江庫連通工程系統(tǒng)調(diào)度實施區(qū)域平原夾雜著山丘、地勢起伏較大，河網(wǎng)密度較小、河涌容積有限，湖庫和泵站眾多，外江與湖庫聯(lián)通，應(yīng)充分利用湖庫的調(diào)蓄作用，汛末通過泵站將外江淡水抽蓄到湖庫中，枯水期再適時向湖庫補水，形成江水補庫、庫水調(diào)咸的調(diào)度機制。由于江庫連通工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，蓄淡水庫眾多且長期蓄水，水庫水力滯流常引發(fā)藍藻水華問題，江庫連通工程系統(tǒng)調(diào)度要考慮水庫水質(zhì)改善和調(diào)度成本控制的需求，根據(jù)外江咸情預(yù)測與水廠供水負荷變化過程進行綜合優(yōu)化決策，確定最佳的泵站取水、水庫補水和水庫出水的空間分布和時間過程。

3 水資源調(diào)度模型

3.1 模型結(jié)構(gòu)

3.1.1 受排污影響河網(wǎng)區(qū)改善水環(huán)境調(diào)度模型結(jié)構(gòu)

受排污影響河網(wǎng)區(qū)改善水環(huán)境調(diào)度模型由城市化地區(qū)降雨徑流模型、城市非點源污染物模型、感潮河網(wǎng)區(qū)一維水動力模型、河網(wǎng)一維水質(zhì)模型以及閘泵調(diào)控模擬模型等多個模塊構(gòu)成。其中，河網(wǎng)區(qū)一維水動力模型是基礎(chǔ)，用于模擬典型河網(wǎng)區(qū)河涌各斷面處的水位、流速等水動力要素；降雨徑流模型計算分析典型河網(wǎng)區(qū)不同分區(qū)的降雨徑流過程，是非點源污染物遷移過程模擬的基礎(chǔ)；非點源污染物模型主要模擬在一定污染源強下，經(jīng)降雨徑流入?yún)R內(nèi)河涌的污染物濃度過程和流量過程；河網(wǎng)一維水質(zhì)模型以水動力模型為基礎(chǔ)，在降雨徑流模型提供的入河流量過程線和非點源污染物模型提供的入河污染物濃度過程線的內(nèi)邊界輸入下，計算分析聯(lián)圍內(nèi)河涌各斷面處的污染物濃度過程；閘泵調(diào)控模擬模型主要模擬在一定調(diào)度方案下的外江水閘、圍內(nèi)節(jié)制閘和排澇泵站對水流的調(diào)控過程，從而控制內(nèi)河涌污染物的運動。

3.1.2 受咸潮影響河網(wǎng)區(qū)保障供水安全調(diào)度模型結(jié)構(gòu)

受咸潮影響河網(wǎng)區(qū)保障供水安全調(diào)度模型由感潮河網(wǎng)區(qū)一維水動力模型、河網(wǎng)一維水質(zhì)模型、閘泵調(diào)控模擬模型、水庫(河涌)調(diào)度模型等多個模塊構(gòu)成。其中：河網(wǎng)區(qū)一維水動力模型是基礎(chǔ)，用于模擬典型河網(wǎng)區(qū)河涌各斷面處的水位、流速等水動力要素。河網(wǎng)一維水質(zhì)模型以水動力模型為基礎(chǔ)，計算分析聯(lián)圍內(nèi)河涌各斷面處的含氯度等水質(zhì)過程。閘泵調(diào)控模擬模型主要模擬外江水閘和取水泵站搶取淡水的水量過程。水庫(河涌)調(diào)度模型在不同的調(diào)度實施區(qū)域有不同的功能，在河網(wǎng)區(qū)搶淡蓄淡調(diào)度實施區(qū)域，水庫調(diào)度模型是模擬聯(lián)圍內(nèi)水庫向內(nèi)河涌補淡、調(diào)咸的水量過程，河涌調(diào)度模型是模擬外江淡水經(jīng)河涌調(diào)蓄后向水廠供水的水量過程；在江庫連通工程系統(tǒng)調(diào)度實施區(qū)域，水庫調(diào)度模型是模擬外江淡水經(jīng)水庫調(diào)蓄后向水廠供水的水量過程。

3.2 調(diào)度目標(biāo)

受排污影響河網(wǎng)區(qū)改善水環(huán)境調(diào)度是通過水體置換，盡可能降低聯(lián)圍內(nèi)河涌污染物濃度，最大限度改善水環(huán)境質(zhì)量。由于聯(lián)圍各河涌承擔(dān)的取、排水功能不同，對水質(zhì)指標(biāo)的控制要求也不相同，因此為合理表征改善水環(huán)境調(diào)度的效果，需根據(jù)各河涌的取、排水功能分別確定不同的權(quán)重，同時借鑒污染物等標(biāo)排放量的概念，得到聯(lián)圍內(nèi)河涌的污染物加權(quán)平均等標(biāo)排放濃度。受排污影響河網(wǎng)區(qū)改善水環(huán)境調(diào)度以聯(lián)圍內(nèi)河涌的污染物加權(quán)平均等標(biāo)排放濃度最小為調(diào)度目標(biāo)，即

(1)

受咸潮影響河網(wǎng)區(qū)保障供水安全調(diào)度通常包括水體置換和搶淡蓄淡兩個調(diào)度階段。水體置換階段的調(diào)度目標(biāo)是達到河涌供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需的水體置換時間最短，搶淡蓄淡階段的調(diào)度目標(biāo)是供水系統(tǒng)滿足含氯度標(biāo)準(zhǔn)的原水缺水量最小。

1)水體置換調(diào)度階段的目標(biāo)函數(shù)如下：

T=min(max(T1,T2,…,Ti))，

(2)

式中：T為水體置換時間；Ti為從水閘開啟至第i個水廠取水口水質(zhì)達標(biāo)時間。

2)搶淡蓄淡調(diào)度階段的目標(biāo)函數(shù)如下：

WD=min(D-W)，

(3)

式中：WD為供水系統(tǒng)滿足含氯度標(biāo)準(zhǔn)的原水缺水量；W為將外江淡水搶蓄到內(nèi)河涌或水庫后，泵站供給水廠滿足含氯度標(biāo)準(zhǔn)的原水供給量；D為水廠的原水需水量。

3.3 約束條件

由于受排污影響河網(wǎng)區(qū)改善水環(huán)境調(diào)度和受咸潮影響河網(wǎng)區(qū)保障供水安全調(diào)度有著不同的模型結(jié)構(gòu)和調(diào)度需求，約束條件也不盡相同。本文僅列出通用的約束條件，具體約束條件要根據(jù)具體情況分析確定。

1)內(nèi)河涌控制水位約束。改善水環(huán)境調(diào)度和保障供水安全調(diào)度都必須確保防洪排澇安全，調(diào)度期間內(nèi)河涌水位不能超過防洪排澇最高控制水位；此外，還要保障正常工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、景觀和航運用水，維護岸堤穩(wěn)定，調(diào)度期間內(nèi)河涌水位不得低于最低控制水位。即

(4)

2)外江水質(zhì)約束。改善水環(huán)境調(diào)度通過閘泵引入外江清水置換聯(lián)圍內(nèi)河涌水體，保障供水安全調(diào)度通過泵站從外江搶取淡水蓄積在內(nèi)河涌或水庫，對外江水質(zhì)都有一定要求。即

(5)

(6)

3)閘(泵)過流能力(抽排能力)約束。受閘門尺寸、底高及泵站出力限制或運行安全等工程實際限制，調(diào)度過程中過閘(泵)流量不可能任意加大。即

Qi,t≤Qi,max。

(7)

式中：Qi,t為通過第i座閘(泵)t時刻的流量；Qi,max為第i座閘(泵)設(shè)計運行條件下所能達到的最大過流量(抽排量)。

4)閘泵啟閉時間間隔限制。實際調(diào)度過程中，受人工操作難度、工作量以及閘泵工程特性限制，閘泵不可能完全根據(jù)內(nèi)外水位隨時啟閉，維持特定的啟閉運行狀態(tài)必須滿足一定的時長。即

Ti≥Tmin。

(8)

式中：Ti為第i座閘門或泵站維持固定運行狀態(tài)持續(xù)工作的時間；Tmin為第i座閘門或泵站規(guī)定的特定運行狀態(tài)的最短時間。

5)閘泵啟閉速度限制。在調(diào)度方案中，閘門從某一工作狀態(tài)調(diào)整為另一工作狀態(tài)存在一個過程，如閘門從完全關(guān)閉至全開或泵站從不工作至滿負荷抽排水，都需要一定操作時間來完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換期間的過流量不會是調(diào)度方案中預(yù)設(shè)的從零直接變化為特定值(如最大值)，而是連續(xù)變化的，這個啟閉速度限制可表示為：

ΔLi≤ΔLi,max(閘)，

(9)

ΔQi≤ΔQi,max(泵)。

(10)

式中：ΔLi為第i座閘門單位時間啟閉高度；ΔLi,max為閘門單位時間所能啟閉的最大高度；ΔQi為第i座泵站單位時間抽排流量的變化量；ΔQi,max為泵站單位時間所能抽排流量的最大變化量。

3.4 邊界條件

調(diào)度模型的邊界包括水位邊界、流量邊界和水質(zhì)邊界。一般地，感潮河網(wǎng)區(qū)的水動力模擬通常以上游匯流流量過程作為上游流量邊界，而以潮位過程作為下游水位邊界。由于珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)各聯(lián)圍地勢大都較為平坦，河涌都為往復(fù)流，與外江連通的河涌主要受潮汐作用，從而水位產(chǎn)生周期性波動。因此，根據(jù)實際情況與外江連通的河涌端點外邊界均可設(shè)為水位邊界，水位邊界可采用實測的水位資料確定，無實測水位資料的斷面則需要通過珠江三角洲一、二維潮流模型計算獲取。

流量邊界為內(nèi)邊界，由聯(lián)圍內(nèi)降雨形成的地面徑流過程和現(xiàn)有排污口匯入內(nèi)河涌的污水流量過程組成。降雨形成的徑流過程由降雨徑流模型計算得到；聯(lián)圍內(nèi)工業(yè)或污水處理廠的排水根據(jù)監(jiān)測資料分析，經(jīng)合理概化后確定流量過程線，以點源的形式匯入內(nèi)河涌。

水質(zhì)邊界分為外邊界和內(nèi)邊界，水質(zhì)外邊界與水位邊界位置一致，水質(zhì)外邊界的污染物濃度一般根據(jù)調(diào)度所采用水文條件的同期外江實測水質(zhì)資料確定；水質(zhì)內(nèi)邊界與流量邊界位置一致，根據(jù)聯(lián)圍內(nèi)主要排污口的污染物排放量、排放濃度等監(jiān)測數(shù)據(jù)分析給定。

3.5 模型參數(shù)

模型參數(shù)包括河道長度、斷面形態(tài)、水閘出流系數(shù)、河道糙率、污染物縱向離散系數(shù)和衰減系數(shù)等。河道長度、斷面形態(tài)等一般性參數(shù)可以根據(jù)實測資料獲??；河道糙率可利用歷史水文資料進行率定，而對于資料較為缺乏的河道，則可以憑經(jīng)驗獲取；水閘出流系數(shù)主要包括自由出流系數(shù)和淹沒出流系數(shù)，一般根據(jù)實測的閘前、閘后水位，引排流量等資料進行率定；縱向離散系數(shù)和衰減系數(shù)等水質(zhì)參數(shù)可以采用實測資料進行率定，一般水質(zhì)資料較少，模型率定較困難，可根據(jù)經(jīng)驗公式確定或參照現(xiàn)有成果綜合確定。

4 實證分析

中珠聯(lián)圍位于中山市南部和珠海市東區(qū)西北部，涉及中山、珠海兩市7個鎮(zhèn)(街)，總集雨面積為 338.04 km2。中珠聯(lián)圍受污染和咸潮雙重影響，改善水環(huán)境和保障枯水期供水安全需求迫切[8]。中珠聯(lián)圍水資源調(diào)度模型范圍的西邊界為馬角水閘至洪灣水閘的磨刀門水道，東邊界為東灌渠，最北端為茅灣涌入坦洲鎮(zhèn)處，南部以石角咀水閘為界；模型概化河涌40條，水閘15座，水庫1座。選取2016年5月7日8：00至5月10日7：30作為水動力模型率定期，選取2013年12月3日8：00至12月5日23：00作為水動力模型驗證期，選取2013年12月6日0：00至12月8日14:00進行咸度模型驗證，模型驗證站點為中珠聯(lián)圍7個外江水閘以及安阜、坦洲、南沙等內(nèi)河涌站點。

中珠聯(lián)圍水資源調(diào)度分為水體置換和搶淡蓄淡兩個調(diào)度階段，共設(shè)置3個調(diào)度方案：方案1，先通過馬角水閘進水和永一水閘排水置換西灌河水體，再利用馬角水閘將外江淡水搶蓄在西灌河，保障坦洲水廠供水需求；方案2，先通過馬角水閘進水，永一水閘不排水，由聯(lián)石灣尾水閘、大沾水閘、二沾水閘、三沾水閘、南沙水閘和申堂水閘等排水置換西灌河、聯(lián)石灣涌、大沾涌、二沾涌、三沾涌、南沙涌、申堂涌等內(nèi)河涌水體，再利用馬角水閘將外江淡水搶蓄在西灌河等7條河涌，并利用鐵爐山水庫向西灌河補淡調(diào)咸，保障坦洲水廠和裕洲泵站供水需求；方案3，先通過馬角水閘、聯(lián)石灣水閘和聯(lián)石灣尾水閘進水，由大沾水閘等5座水閘排水置換西灌河等河涌水體，再利用馬角水閘和聯(lián)石灣水閘將外江淡水搶蓄在西灌河等7條河涌，并利用鐵爐山水庫向西灌河補淡調(diào)咸，保障坦洲水廠和裕洲泵站供水需求。

選擇2011年10月25日至2011年12月31日作為典型枯水期，選擇含氯度、COD和NH3-N作為水質(zhì)指標(biāo)，進行模擬計算。模擬結(jié)果表明，方案3最優(yōu)，為推薦調(diào)度方案。選擇水體置換時間和搶淡蓄淡水量為調(diào)度效果評價指標(biāo)，對比推薦調(diào)度方案(方案3)模擬計算結(jié)果和現(xiàn)狀調(diào)度情況，可得出調(diào)度效果評價結(jié)果：推薦調(diào)度方案的水體置換時間約為54 h，而現(xiàn)狀調(diào)度的水體置換時間約需要72 h，通過調(diào)度方案優(yōu)化，可縮短水體置換時間約18 h；推薦調(diào)度方案下馬角水閘搶淡水量為687萬m3，而現(xiàn)狀調(diào)度方案下馬角水閘搶淡水量為314萬m3，推薦調(diào)度方案可有效提高搶淡效率，提高供水保障程度。

5 結(jié)語

1)珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)河涌密布、閘泵眾多，水動力條件復(fù)雜，受排污和咸潮影響，局部地區(qū)水環(huán)境和供水安全問題突出，實踐證明利用閘泵-河庫聯(lián)合調(diào)度改善水環(huán)境和保障供水安全是一項行之有效的重要措施。

2)受排污影響的河網(wǎng)區(qū)的調(diào)度需求為：通過水體置換提高河涌水體自凈能力，滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)。這類河網(wǎng)區(qū)改善水環(huán)境調(diào)度分為豐水期、平水期、枯水期3個調(diào)度時期，這3個調(diào)度時期面臨著不同的水文條件和任務(wù)需求，應(yīng)采取不同的調(diào)度策略。受咸潮影響河網(wǎng)區(qū)的調(diào)度需求為：根據(jù)咸潮活動規(guī)律，最大限度的搶取外江淡水，保障供水安全。這類河網(wǎng)區(qū)保障供水安全調(diào)度分為河網(wǎng)區(qū)搶淡蓄淡調(diào)度和江庫連通工程系統(tǒng)調(diào)度兩種，由于這兩種調(diào)度實施區(qū)域有不同的地形條件、水系條件、工程條件和水文條件，應(yīng)采取不同的調(diào)度策略。

3)珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)水資源調(diào)度具有污染-咸潮雙重脅迫、水量-水質(zhì)動態(tài)耦合、閘泵-河庫聯(lián)合調(diào)度的特征。受排污影響河網(wǎng)區(qū)改善水環(huán)境調(diào)度模型由城市化地區(qū)降雨徑流模型、城市非點源污染物模型、感潮河網(wǎng)區(qū)一維水動力模型、河網(wǎng)一維水質(zhì)模型以及閘泵調(diào)控模擬模型等模塊構(gòu)成；受咸潮影響河網(wǎng)區(qū)保障供水安全調(diào)度模型由感潮河網(wǎng)區(qū)一維水動力模型、河網(wǎng)一維水質(zhì)模型、閘泵調(diào)控模擬模型、水庫(河涌)調(diào)度模型等模塊構(gòu)成。

4)珠江三角洲典型河網(wǎng)區(qū)水資源調(diào)度還應(yīng)關(guān)注閘泵調(diào)度對改善河涌水環(huán)境的作用機理、原型調(diào)度試驗、調(diào)度管理機制等方面研究，這是今后需要深入開展的研究方向。

[1]江濤,朱淑蘭,張強,等.潮汐河網(wǎng)閘泵聯(lián)合調(diào)度的水環(huán)境效應(yīng)數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報,2011,42(4):388-395.

[2]石赟赟,萬東輝,楊芳.基于閘泵群調(diào)度的感潮河網(wǎng)區(qū)水量水質(zhì)調(diào)控[J].水資源研究,2016,5(1):40-51.

[3]楊芳,萬東輝,石赟赟,等.基于閘泵群聯(lián)合調(diào)度的感潮河網(wǎng)區(qū)抑咸補淡方案研究[C]∥中國水利學(xué)會2015年學(xué)術(shù)年會論文集.南京:河海大學(xué)出版社，2015：249-256.

[4]劉丙軍,吳志強,柯華,等.珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)水量水質(zhì)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型研究[J].人民珠江，2015，36(1)：74-78.[5]陳文龍,徐峰俊.市橋河水系水閘群聯(lián)合調(diào)度對改善水環(huán)境的分析探討[J].人民珠江，2007,28(5):79-81.

[6]黎坤,曾彩華,江濤,等.前山河水力排污沖淤聯(lián)合調(diào)度試驗及效果分析[J].地理科學(xué),2006,26(1):101-106.

[7]杜建,陳曉宏,陳志和,等.珠江三角洲感潮河網(wǎng)區(qū)水環(huán)境引水調(diào)控研究[J].水文,2012,32(4):16-21.

[8]李化雪,賀新春,汝向文,等.珠江三角洲中珠聯(lián)圍供水安全現(xiàn)狀及對策研究[J].人民珠江，2016，37(1)：34-37.

(責(zé)任編輯：喬翠平)

Study on Water Resources Dispatching Strategy and Technology in Typical River Network Area of the Pearl River

HE Xinchun， HUANG Fenfen， RU Xiangwen， WAN Donghui， ZHENG Jiangli， WU Qiong， ZHANG Li

(The Pearl River Hydraulic Research Institute, Guangzhou 510611, China)

The Pearl River Delta network area with dense river net is packed with many sluices and pumps, which brings complicated hydrodynamic conditions to this area. Nowadays, parts of this region are suffering from water environment and water security problems due to the sewage discharge and saltwater inflow alone the river. A series of water resources regulation practice have been put into practice in the Pearl River Delta region, and the practice has proved that the joint regulating with sluice-pump and river library is an effective measure to solve those water-related problems. This paper analyzes the water resources problems in the river network of the Pearl River Delta and divides the river networks into two typical river network areas, which are affected by sewage discharge and by salty tide. Aiming at the demand of water resources dispatching in typical river networks, the scheduling strategy of improving the water environment and guaranteeing water supply safety are put forward respectively. The water resources dispatching model of typical river network is discussed, and an empirical analysis is carried out, and Zhongzhulianwei is chosen as an empirical analysis. The empirical analysis shows that the proposed scheme can shorten the replacement time of water in the dry season of Zhongzhulianwei, effectively improve the grab-light efficiency, and improve water supply security.

the Pearl River Delta network area; Zhongzhulianwei; river branch; water replacement; grab-light efficiency； improving water environment; ensuring the security of water supply; water resource regulating

2016-09-28

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201401013)。

賀新春(1977—)，男，湖北宜昌人，教授級高級工程師，博士，從事水資源規(guī)劃與管理研究。E-mail:66313663@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.06.010

TV213.4

A

1002-5634(2016)06-0055-06