江 濤，鐘 鳴，鄒隆建，黎 坤，林 波，朱愛萍，劉祖發(fā)

(1．中山大學地理科學與規(guī)劃學院， 廣東 廣州510275；2．清遠市水利樞紐建設管理處，廣東 清遠511518)

石馬河泄洪與東江水利樞紐調(diào)節(jié)不同情景下東江水質(zhì)的模擬與分析*

江 濤1，鐘 鳴1，鄒隆建2，黎 坤1，林 波1，朱愛萍1，劉祖發(fā)1

(1．中山大學地理科學與規(guī)劃學院， 廣東 廣州510275；2．清遠市水利樞紐建設管理處，廣東 清遠511518)

以東江干流下游東江水利樞紐～石龍河段為研究范圍，構建基于MIKE21的二維感潮河段水動力、水質(zhì)模型，以氨氮為水質(zhì)控制因子，模擬分析汛期石馬河泄洪排污及東江水利樞紐不同水量調(diào)節(jié)情景下，東深供水工程東江取水口水質(zhì)變化規(guī)律，結果表明：① 受潮流影響，石馬河各種泄洪流量情景下取水口氨氮濃度變化與潮位變化關系密切，顯示出較為明顯的大小潮變化的周期性；② 漲潮過程是影響取水口水質(zhì)的主要控制因素，氨氮濃度超標均發(fā)生在高高潮時；③ 石馬河泄洪量愈大對東江水質(zhì)影響愈大，東江水利樞紐水量調(diào)節(jié)對下游水質(zhì)有明顯的改善作用。結果可為汛期石馬河橡膠壩與東深供水工程取水口聯(lián)合調(diào)度及東江水利樞紐應急水量調(diào)度提供決策依據(jù)。

水庫調(diào)度；泄洪；MIKE21模型；石馬河；東江

東江為珠江流域三大水系之一，干流全長562 km，廣東省境內(nèi)長370 km。東江是華南地區(qū)最重要的飲用水源，肩負著香港及河源、惠州、東莞、深圳和廣州等地4 000多萬人口的生產(chǎn)、生活用水[1]，其中承擔香港、深圳供水的東深供水工程從東江下游東莞河段取水。東江干流水質(zhì)總體良好，但隨著區(qū)域經(jīng)濟社會迅速發(fā)展，近年來東江干流下游水質(zhì)下降趨勢較明顯，且豐水期比枯水期污染嚴重，面源污染影響突出[2-3]。下游東莞市部分納污支流尤其是石馬河每逢汛期塌壩泄洪排污即造成東江干流局部水域水質(zhì)急劇惡化，嚴重威脅東深供水工程取水水源水質(zhì)安全。

為防止或減輕突發(fā)河流污染事故為主要內(nèi)容的水質(zhì)調(diào)度，是水庫生態(tài)調(diào)度的重要內(nèi)容之一[4-5]。國內(nèi)外學者在水庫水質(zhì)調(diào)度方面已做了很多研究，早期的研究多通過系統(tǒng)分析技術[6-7]，或非線性優(yōu)化模型[8-10]，將水質(zhì)目標作為水庫調(diào)度的約束條件之一。20世紀90年代，漸趨成熟的水質(zhì)數(shù)學模型廣泛應用于水環(huán)境污染模擬、預測與管理，為水庫調(diào)度的水質(zhì)研究提供了技術工具。Willey等[11]利用HEC-5Q水質(zhì)模型，模擬分析了水庫下泄水對河道內(nèi)下游水質(zhì)的影響；Hayes等[12]根據(jù)水質(zhì)模型對水庫調(diào)度模型進行優(yōu)化，探討了考慮下游Cumberland流域溶解氧的水庫日調(diào)度規(guī)則；華祖林等[13]用二維水質(zhì)水量模型模擬分析了調(diào)水對玄武湖水質(zhì)的影響；董增川等[14]針對引江濟太原型試驗中引水分配不合理的問題，分析了基于一維水質(zhì)模擬模型的區(qū)域水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度方法；于磊等[15]利用MIKE21FM對大寧水庫突發(fā)性水污染事故進行了模擬研究；辛小康等[16]借助MIKE21水質(zhì)模型，計算了不同調(diào)度方式下三峽水庫對宜昌江段污染物的稀釋作用，并探討了水庫應急調(diào)度的可行性與有效性。

已有的研究多側(cè)重于單向河流的水庫水質(zhì)調(diào)度方案研究，由于感潮河道受到往復流的作用，使得“引清濟污”的調(diào)水更具有復雜性[17]。鑒于此，本文以東江干流下游東江水利樞紐-石龍河段為研究區(qū)域，利用MIKE21建立二維感潮河段水環(huán)境數(shù)學模型，通過情景模擬，探討石馬河泄洪排放污水時東深供水工程取水口水質(zhì)變化規(guī)律，以及上游東江水利樞紐水量調(diào)節(jié)對取水口的水質(zhì)影響，以期為汛期石馬河橡膠壩與東深供水工程取水口聯(lián)合調(diào)度及東江水利樞紐應急水量調(diào)度提供理論基礎與決策依據(jù)。

1 二維水環(huán)境數(shù)學模型

1.1 控制方程

受徑流和潮流的雙重影響，東江干流下游河段水流情況復雜，且河道水面寬廣，因此采用水深平均二維MIKE水動力模塊(簡稱HD)耦合對流擴散模塊(簡稱TR)進行水量水質(zhì)模擬。

1.1.1 水流運動方程 水深平均二維非恒定水流運動方程組包括水流連續(xù)方程及沿x、y方向的動量方程，方程形式如下：

(1)

(2)

(3)

式中，x、y分別為橫坐標和縱坐標；t為時間；h為總水深；η為水位；u、v分別為x、y方向上的流速分量；f為科氏力參數(shù)；g為重力加速度；ρ為水的密度；τbx、τby為河床床面應力分量；Pa為大氣壓強；ρ0為水的相對密度；S為點源流量大??；us、vs為源項在x、y方向上的水流流速；Txx、Txy、Tyx、Tyy為側(cè)向應力分量，包括粘滯摩擦、湍流摩擦和差異平流。

1.1.2 水質(zhì)控制方程 考慮污染物降解，水深平均二維對流擴散方程為：

(4)

式中，C為污染物質(zhì)量濃度；K為降解系數(shù)；Cs為源(匯)污染物質(zhì)量濃度；Dh為擴散系數(shù)；其他符號意義同前。

1.2 求解方法

水流連續(xù)方程及動量方程采用有限體積法進行空間離散，并使用Roe[18]提出的近似黎曼解法進行求解，對流擴散方程采用一階迎風格式進行差分；對于時間積分，均采用一階顯式的Euler法。限于篇幅，水流、水質(zhì)方程的具體求解及擴散系數(shù)的計算見文獻[19]。

2 模型建立

2.1 研究水域概化

東江流域有3宗大型水庫和11座梯級徑流式水電站。對東江干流徑流起調(diào)節(jié)作用的主要是新豐江、楓樹壩和白盆珠三大水庫，但上游水庫來水到達博羅站后，日流量變化已基本上不受上游來水變動的影響[20]，下游污染物的擴散遷移主要受最下游一個梯級東江水利樞紐下泄流量的影響，為此，選取東江干流下游東江水利樞紐-石龍河段為研究范圍(圖1)。博羅水文站位于東江水利樞紐下游約2 km處，由于東江水利樞紐至博羅水文站之間無區(qū)間入流，可采用博羅站的流量作為東江水利樞紐下泄流量；石龍站位于東莞市石龍鎮(zhèn)，東江干流過石龍后分為北干流和南支流進入東江三角洲網(wǎng)河區(qū)。

圖1 研究區(qū)域位置示意圖Fig.1 Location of study area

研究河段全長55 km，由MIKE21自帶程序生成15 074個網(wǎng)格，網(wǎng)格分辨率為40～150 m，各網(wǎng)格水深根據(jù)水下地形插值計算而得，水下地形資料采用2010年實際測量數(shù)據(jù)。河段兩岸共有15個入河排污口，排污口的污水排放概化成點源直接排入東江干流。由于豐水期研究河段和石馬河水質(zhì)主要受面源污染影響，主要污染因子為氨氮，因此選氨氮作為水質(zhì)控制因子。水質(zhì)控制點為東深供水工程東江取水口，其位于石馬河入東江河口的上游300 m處。

根據(jù)河道水陸邊界條件，上邊界采用流量控制、下邊界采用實測潮位過程。對于岸邊界，則采用水流無滑移條件，即岸邊水流取法向流速為零。初始水位設為模擬時間內(nèi)下邊界的平均水位，水流初始速度分量均設為零；氨氮濃度初始值設為實測值。

2.2 參數(shù)率定與驗證

采用2010年5月21日10:00-22日13:00實測水文資料進行水動力模型參數(shù)率定(圖2)，通過調(diào)試率定出河道糙率在0.013～0.040之間。選用2010年5月15日8:00-16日10:00實測資料對模型進行驗證，從圖3可以看出潮位、流量計算值與實測值的逐時變化趨勢相同，潮位相對誤差均小于6.4%，峰值流量相對誤差均小于17.4%，但谷值流量相對誤差略大，相對誤差在30%以內(nèi)。

圖2 參數(shù)率定的水位、流量實測值與模擬值Fig.2 Observed and simulated water level and discharge for calibration period

圖3 模型驗證的水位、流量實測值與模擬值Fig.3 Observed and simulated water level and discharge for validation period

利用2010年5月21日11:00-23:00實測同步水質(zhì)資料對水質(zhì)模型進行率定(圖4)，得到氨氮降解系數(shù)為0.13 /d。采用2010年5月15日8:00-20:00實測水質(zhì)資料進行驗證，從圖5可以看出氨氮濃度計算值與實測值的逐時變化趨勢基本一致，相對誤差均小于15%，平均相對誤差為5.8%。

水量水質(zhì)驗證結果表明，模型具較好的模擬效果，可用于汛期研究河段的水量水質(zhì)模擬研究。

圖4 參數(shù)率定的2010年5月21日氨氮濃度實測值與模擬值Fig.4 Observed and simulated NH3-N concentration for calibration period (May 21, 2010)

圖5 參數(shù)驗證的2010年5月21日氨氮濃度實測值與模擬值Fig.5 Observed and simulated NH3-N concentration for validation period (May 15, 2010)

3 模擬與分析

3.1 石馬河泄洪情景設置

石馬河發(fā)源于深圳寶安豐臺山大腦殼，于東莞橋頭鎮(zhèn)注入東江，主河長88 km，流域面積1 249 km2。石馬河曾經(jīng)是東深供水工程的輸水河道，2003年東深供水工程改造后，石馬河恢復了天然河道狀態(tài)，沿河各鎮(zhèn)廢污水直接或間接排入石馬河，水質(zhì)污染嚴重。由于東深供水工程取水口緊鄰石馬河入東江河口上游，為保障東深供水工程水源水質(zhì)，在石馬河東江河口處建有橡膠壩，污水被橡膠壩截流并通過方涵調(diào)入東引運河。但為防洪安全，當流域內(nèi)出現(xiàn)強暴雨、石馬河水位達到防洪警戒水位時則塌壩泄洪，受納的污水及暴雨徑流攜帶的污染物隨泄洪排入東江干流，對東江干流水質(zhì)造成污染。石馬河泄洪流量一般在0～200 m3/s之間，泄洪時長從幾小時到十幾天不等。為此，設置50、100、150和200 m3/s 等4種泄洪流量情景，鑒于前期雨洪污染物質(zhì)量濃度較高，在模擬時假設前5 d一直處于泄洪排污狀態(tài)，氨氮質(zhì)量濃度采用近年石馬河汛期泄洪排污時實測數(shù)據(jù)的平均值6 mg/L。

3.2 石馬河泄洪排污對取水口水質(zhì)的影響

博羅水文站汛期(4-9月)多年平均流量為990 m3/s，以此作為上游來水，下游采用石龍站2013年6月17日0:00-24日24:00典型潮位過程作為邊界條件；對水質(zhì)邊界，下邊界采用同期氨氮實測質(zhì)量濃度值；根據(jù)研究河段水環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)管理目標，上邊界取《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GBGB3838-2002)Ⅱ類水質(zhì)標準限值，即0.5 mg/L。

圖6為石馬河4種泄流情景下取水口氨氮質(zhì)量濃度變化過程，氨氮質(zhì)量濃度變化與潮位關系密切，漲潮時質(zhì)量濃度迅速增大，漲潮達高高潮時氨氮質(zhì)量濃度達到最大，質(zhì)量濃度高于0.5 mg/L即超標的時間均發(fā)生在高高潮；落潮時質(zhì)量濃度迅速降低，氨氮質(zhì)量濃度變化顯示出較為明顯的大小潮變化的周期性。石馬河泄洪流量越大，對取水口水質(zhì)影響越大，隨著泄洪流量的增大，最高質(zhì)量濃度顯著升高，超標時間變大，但最低質(zhì)量濃度值基本保持不變(表1)。

圖6 石馬河不同泄流情景下取水口氨氮濃度變化過程Fig.6 Process of NH3-N concentration at the intake for the different scenarios of flood discharge from Shima River

表1 石馬河不同泄流情景下取水口氨氮質(zhì)量濃度特征值

Table 1 Characteristic value of NH3-N concentration at the intake for the different scenarios of flood discharge from Shima River

石馬河泄洪流量/(m3·s-1)50100150200最低質(zhì)量濃度/(mg·L-1)0 430 440 440 44最高質(zhì)量濃度/(mg·L-1)2 203 273 944 27超標時長/h15 515 716 819 5

3.3 東江水利樞紐下泄流量對取水口水質(zhì)的影響

由于情景較多，本文僅給出石馬河泄洪流量為100 m3/s時，東江水利樞紐不同調(diào)節(jié)流量情景下取水口氨氮質(zhì)量濃度變化過程(圖7)。隨著東江水利樞紐下泄流量的加大，東深供水工程取水口水質(zhì)改善效果顯著，氨氮質(zhì)量濃度峰值明顯降低，超標時間也明顯變短，但最低質(zhì)量濃度變化不大(表3)。東江梯級水庫下泄流量與取水口水質(zhì)改善程度有顯著相關關系，在石馬河50、100、150和200 m3/s等4種泄流情景下，當東江水利樞紐下泄流量分別為1 430、1 600、1 680和1 770 m3/s時，取水口氨氮質(zhì)量濃度達到Ⅱ類水質(zhì)標準要求(圖8)。

圖8 氨氮質(zhì)量濃度達標時東江水利樞紐下泄流量與石馬河泄洪量關系Fig.8 Relationship between the flood discharge from Shima River and the release discharge of Dongjiang Hydro-Project based on NH3-N concentration standard

表3 東江水利樞紐不同下泄流量下取水口氨氮質(zhì)量濃度特征值

Table 3 Characteristic value of NH3-N concentration at the intake for the different release discharge of Dongjiang Hydro-Project

下泄流量/(m3·s-1)99013001600最低質(zhì)量濃度/(mg·L-1)0 430 440 45最高質(zhì)量濃度/(mg·L-1)3 271 790 50超標時長/h15 76 30

3.4 討論

東江干流東江水利樞紐-石龍河段屬于感潮河段，受徑流和潮流交互作用，河道中污染物的混合擴散輸移并不是單向的。在上、下游水質(zhì)邊界條件及污染物降解速率不變情況下，東深供水工程取水口的水質(zhì)除跟石馬河泄洪排放的流量有關外，還受上游來水與潮流的影響。石馬河東江河口位于取水口下游，落潮時石馬河泄洪排放的污水隨水流往下游輸移，由于氨氮降解系數(shù)較小，取水口水質(zhì)主要受上游來水水質(zhì)影響，不同石馬河泄流及東江水利樞紐調(diào)節(jié)水量情景下，相同的上邊界水質(zhì)條件使取水口氨氮質(zhì)量濃度最低值基本不變。

漲潮時潮流作用大于徑流作用，受潮流頂托，石馬河排放的污水回流上溯，對取水口水質(zhì)產(chǎn)生影響，氨氮質(zhì)量濃度隨水位升高而增大。圖9為東江水利樞紐下泄流量為990 m3/s時高高潮、低高潮漲潮流場圖，從圖中看出，高高潮漲潮時潮流上溯到取水口的上游，而低高潮時潮流只到取水口的下游，使取水口氨氮質(zhì)量濃度超標均發(fā)生在高高潮，漲潮過程是影響取水點氨氮質(zhì)量濃度超標的主要控制因素。潮流的往復運動也使氨氮質(zhì)量濃度變化顯示出較為明顯的大小潮變化的周期性。

污染嚴重的石馬河污水排入東江后加重了河水的水質(zhì)污染，石馬河泄洪量愈大對東江水質(zhì)影響愈大。但水質(zhì)良好的東江水利樞紐調(diào)節(jié)水量越大，下游水體的稀釋、擴散能力就越強，水質(zhì)整體就越好。由于取水口氨氮質(zhì)量濃度超標主要發(fā)生在漲潮時，因此，要使石馬河泄洪排污不會對取水口水質(zhì)產(chǎn)生污染，東江水利樞紐下泄流量必須足夠大，使潮流上溯位置在取水口以下(圖10)。

4 結 論

基于MIKE21建立東江干流下游感潮河段二維水環(huán)境數(shù)學模型，模擬分析了石馬河泄洪及東江水利樞紐水量調(diào)節(jié)不同情景下東深供水工程東江取水口氨氮質(zhì)量濃度變化規(guī)律，并從水流的動力學特征探討了氨氮質(zhì)量濃度變化的機理問題，得到以下主要結論：

1)由于受潮流影響，石馬河泄洪排污時，東深供水工程取水口氨氮質(zhì)量濃度變化同潮位變化密切相關，顯示出較為明顯的大小潮變化的周期性。

圖9 東江水利樞紐下泄流量為990 m3/s時各水段潮流場圖Fig.9 The flow field during higher high water period under under 990 m3/s discharge of Dongjiang Hydro-Project

圖10 東江水利樞紐下泄流量為1 600 m3/s時高高潮漲潮流場圖(上溯至白蓮湖村附近)Fig.10 The flow field during higher high water period under the 1 600 m3/s discharge of Dongjiang Hydro-Project

2)漲潮過程是影響取水口水質(zhì)的主要控制因素，取水口氨氮質(zhì)量濃度隨水位升高而迅速增大，氨氮質(zhì)量濃度超標均發(fā)生在高高潮時。

3)石馬河泄洪量愈大對東江水質(zhì)影響愈大；東江水利樞紐水量調(diào)節(jié)可有效改善下游水質(zhì)，隨東江水利樞紐下泄流量的加大，取水口氨氮最高質(zhì)量濃度值顯著下降，超標時間也變短；在4種泄洪流量情景下，要使取水口氨氮質(zhì)量濃度達標，東江水利樞紐下泄流量分別需要1 430、1 600、1 680和1 770 m3/s。

基于上述結論，為防洪安全、保障源水水質(zhì)，石馬河橡膠壩應盡量選擇退潮時泄洪，在石馬河塌壩泄洪時東深供水工程避免在高高潮時取水。

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Simulation and analysis of water quality in Dongjiang River based on the different scenarios of flood discharge from Shima River and the regulation of Dongjiang Hydro-Project

JIANGTao1,ZHONGMing1,ZOULongjian2,LIKun1,LINBo1,ZHUAiping1,LIUZufa1

(1. School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China;2. The Administration Office of Qingyuan Water Conservancy Project, Qingyuan 511518, China)

In this study, a two-dimensional water dynamic and water quality model based on MIKE21 was developed to simulate the water quality at the intake of Dongshen water supply project. The study was carried out in the tidal reach between the Dongjiang Hydro-Project and Shilong in the downstream of the Dongjiang River, and NH3-N was taken as the water quality indicator. Different scenarios of flood discharge from the Shima River and the release discharge of the Dongjiang Hydro-Project were used to drive the model for the simulation of the water quality at the intake of the Dongshen water supply project. The results indicate that: ① the change of the NH3-N concentration at the intake is related to the tidal change, the NH3-N concentration over-standard occurs during higher high water level period; ② flood tide is the main factor which impacts the water quality at the intake, and the NH3-N concentration is more than 0.5mg/L during higher high water lever period; ③ more flood discharge from Shima River has the greater effect on the water quality, and the water regulation of the Dongjiang Hydro-Project can cause a significant improvement on water quality in the downstream. The results of this study contribute to the decision-making for the joint operation of the flood discharge from Shima River and the intake of Dongshen water supply project, also have great significance for the emergency operation of the Dongjiang Hydro-Project.

reservoir regulation; flood discharge; MIKE21 model; Shima River; Dongjiang River

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.02.021

2015-06-08

廣東省科技計劃資助項目(2013B020700009)；廣東省水利科技創(chuàng)新資助項目(2011-10)；國家自然科學基金資助項目(41371055)

江濤(1965年生)，女；研究方向：水文與水環(huán)境；E-mail:eesjt@mail.sysu.edu.cn

X522

A

0529-6579(2016)02-0117-07