陳邦雄

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510635)

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連通度對佛山水道凈污能力的影響研究

陳邦雄

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510635)

為了更好的研究河網(wǎng)水系連通度對于污染物質(zhì)降解能力的影響,在佛山水網(wǎng)不同的水體連通情況下,運用經(jīng)過驗證的河網(wǎng)數(shù)學模型研究不同水體連通情況下,模擬佛山水道的水體交換時間、污染物濃度分布。研究結(jié)果表明：隨著河道與外界連通性能提高,水體交換能力、對污染物質(zhì)的凈化能力都有所提高,有利于改善河道生態(tài)環(huán)境。

連通度;情景分析;感潮河網(wǎng);調(diào)度

河流網(wǎng)絡(luò)是一個連續(xù)的整體系統(tǒng),維持一定區(qū)域內(nèi)水質(zhì)水量的安全和水文過程的連續(xù)[1-2]。其中某些河段的干涸以及人為水利工程改造都會造成河道之間破碎化程度與隔離程度增加,導致水流阻斷。在加大區(qū)域污染源治理力度的同時,通過河網(wǎng)工程合理調(diào)度,構(gòu)筑較完善的引清調(diào)水體系,既可以增加引清水量,稀釋河水,降低污染物的濃度,又可以調(diào)活水體增大流速,提高河網(wǎng)的復氧、自凈能力,加快污染物的降解,并使污水體不再回蕩積存,實現(xiàn)河網(wǎng)水體的有序流動,促進良性循環(huán)[1-3]。

1 研究區(qū)域

佛山水道是佛山市一條重要的城市內(nèi)河,是北江在佛山市的主要支流之一,起于沙口水閘,止于沙尾大橋,全長25.5 km,流域面積268.56 km2(見圖1)，水道上的水閘、泵站基本情況見表1?？菟诜鹕剿赖某绷鞣较?主要由下游潮位主導,由于沙口水閘和石肯水閘限制,水從東平河流入佛山水道時開閘,水從佛山水道流入東平河時關(guān)閘,結(jié)果形成半封閉水體,在下游潮波的動力作用下往復運動,污水來回回蕩,不能及時隨水流流走,污染物經(jīng)常積聚在河流的中游地帶。

圖1 佛山水道示意

表1 佛水水道水閘基本情況

2 連通方案

通過佛山水道區(qū)域水閘泵站的聯(lián)合調(diào)度,構(gòu)筑較完善的引清調(diào)水體系,通過水利工程的科學調(diào)度,明顯增加了河網(wǎng)水流動力,促進了水體交換,改善了生態(tài)環(huán)境(見表2)。情景1為參照佛山水道地區(qū)的現(xiàn)狀水閘開關(guān)原則,東平河水位高于佛山水道時開閘,東平河水位低于佛山水道時關(guān)閘,水閘均保持雙向引排水原則,屬于不徹底的雙向流,形成半封閉水體；情景2利用沙口泵站,保證從沙口水閘引清水沖污,形成較徹底單向流；情景3利用石啃泵站,形成較徹底單向流；情景4利用泵站聯(lián)合引水,在一定程度上形成較徹底的雙向流。

表2 水體連通方案

3 研究方法

由于佛山水道屬潮汐河網(wǎng),受徑潮動力的交互影響,河道水流復雜多變,河道中污染物的擴散輸移呈非定向、非線性特征,不同位置引水對河道中各段的水質(zhì)改善效果不盡一致,可能增加佛山水道水流的順暢程度有利于污染物擴散,也有可能導致水流局部頂托反而使佛山水道部分河段水質(zhì)惡化。在佛山水道區(qū)域不同的水體連通情況下,運用經(jīng)過驗證的河網(wǎng)數(shù)學模型研究不同水體連通情況下,研究佛山水道的水體交換時間、污染物濃度分布。

1) 計算模型

研究區(qū)域?qū)俑谐焙泳W(wǎng)地區(qū),水道縱橫交錯,水文條件復雜。由于河道的橫向?qū)挾扰c河口地區(qū)相較窄,水質(zhì)要素(主要指污染物濃度)在河道橫向上的差異并不顯著,可以認為各水力要素在河段斷面上是一致的。因此選擇一維水動力模型和一維對流擴散方程建立感潮河網(wǎng)一維數(shù)學模型。該模型的解法復雜,但計算效率較高,大量實踐表明具有良好的模擬效果[4-6]。

一維河網(wǎng)水動力模型基本方程如下：

(1)

(2)

河網(wǎng)一維物質(zhì)對流輸移擴散方程見式(3)～(4)，式(3)是河道對流輸移擴散方程,式(4)是汊點平衡方程,進出每一個汊點的物質(zhì)通量必須與該汊點內(nèi)實際質(zhì)量的增減率相平衡。

(3)

(4)

式中Q,Z為流量及水位；A為河道斷面；EX為縱向分散系數(shù)；C為水流輸送的物質(zhì)濃度；Ω為河道交叉點—汊點的水面面積；j為汊點編號；l為與汊點j相聯(lián)接的河道編號；SC為與輸送物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項,在這里寫成SC=KdAC；Kd為衰減因子；S為外部的源匯項。

需特別說明的是：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。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(guān)系采用寬頂堰水閘的堰流或孔流流量公式計算過閘流量。水環(huán)境數(shù)學模型的計算范圍西至北江三水；北至白泥河的硤石,流溪河的人和壩；東至珠江黃埔；南至順德水道的三多,陳村水道的勒竹。根據(jù)《廣州、佛山跨市水污染綜合整治方案》的水污染源現(xiàn)狀調(diào)查,廣佛河網(wǎng)地區(qū)COD年排放量281 347.2 t/a、氨氮43 533.4 t/a(2000年數(shù)據(jù)),在水質(zhì)計算中按照實際排污口的位置將部分污染控制單元排放量合并,獲得最后用于計算的概化排污口55個。

動力模型計算選取2001年1月4—11日涵蓋大、中、小潮汐過程的流場計算中。水質(zhì)計算時段與枯季動力計算時間相同。限于篇幅,僅給出部分計算結(jié)果。選取位于東平水道的紫洞斷面進行水動力驗證、佛山水道上的沙磚廠斷面進行水質(zhì)驗證,結(jié)果見圖2～圖3。

從驗證結(jié)果來看,水動力模擬比較成功,可為水質(zhì)模擬計算提供較為準確的基礎(chǔ)條件。沙磚廠斷面氨氮的模擬結(jié)果較好,相對誤差為10%～30%,反映出污染物濃度變化趨勢[6]。模型的模擬結(jié)果是合理的,可以用于實際的預測和分析計算。

圖2 2001年1月紫洞測站實測水位與計算水位逐時比較

圖3 2001年1月沙磚廠斷面實測氨氮濃度與計算濃度比較

2) 水體交換能力

根據(jù)Takeoka[7]的研究,水體交換能力以“平均存留時間”來進行描述。右以t0和t分別表示初始時刻和某一特定時刻,C(t)表示某一示蹤物的濃度,對于該示蹤物,相應(yīng)的平均存留時間(θ)為：

(5)

式中r(t)=C(t)/C(t0)?？捎糜诿枋龈鞣N不同的區(qū)域的水體的交換能力。由公式可見,需要確定水體停留時間的計算范圍和初始時刻,即物質(zhì)投放時間。在構(gòu)建的不同情境下的河網(wǎng)區(qū)域內(nèi),給定河網(wǎng)內(nèi)斷面的初始濃度為1 mg/L,邊界斷面輸入中濃度給定為0 mg/L。計算示蹤物質(zhì)的降解系數(shù)取0 d-1,即考慮為保守性物質(zhì)。循環(huán)計算,循環(huán)計算次數(shù)越多,初場為1.0 mg/L區(qū)域的濃度會逐漸變小,從而使得平均停留時間趨于穩(wěn)定值[8]。

4 連通方案模擬結(jié)果

佛山水道水體黑臭主要出現(xiàn)在枯水期,采用經(jīng)過驗證的水環(huán)境模型進行不利水文條件下的模擬分析。其中：

1) 水體交換時間采用式(5)的計算方法,采用保守物質(zhì)進行示蹤模擬。

2) 根據(jù)區(qū)域水污染物特點,選取超標嚴重的CODCr作影響分析。污染物濃度在流場確定的條件下,河網(wǎng)區(qū)的水質(zhì)主要受污染源、水質(zhì)邊界和和水利工程運行等因素的影響。

在上述設(shè)定條件下,計算結(jié)果見表3。可見：情景2、3、4的佛山水道水體交換時間分別比現(xiàn)狀縮短了77%、71%、84%；使河道的水質(zhì)得到一定程度的改善,情景1為現(xiàn)狀,情景2、3、4中河段CODCr平均濃度分別比現(xiàn)狀下降了37%、35%、50%.現(xiàn)狀調(diào)度情況下?lián)Q水不徹底,且有眾多內(nèi)河涌向佛山水道排水,導致污染物濃度衰減速度較慢；而通過泵站引水,水流換水徹底,污染物衰減加快。通過水閘聯(lián)合調(diào)度、提高水系連通能力,隨著連通性能提高,佛山水道的水體交換時間縮短,且能提高河道的污染物消納能力,改善生態(tài)環(huán)境。

表3 佛山水道不同水體連通情況下水體交換時間和污染物濃度分布

5 小結(jié)

以佛山水道的連通方案為例進行模擬預測,研究結(jié)果表明,通過提高佛山水道的水系連通性能,不僅能加快水體交換,而且能提高河道的污染物消納能力,改善生態(tài)環(huán)境。

[1] Deng H.B., Wang Q.L., Cai Q.H. Watershed ecology new discipline, new idea and new approach [J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 1998, 9(4): 443-449．

[2] 黃奕龍, 王仰麟, 劉珍環(huán),等. 快速城市化地區(qū)水系結(jié)構(gòu)變化特征——以深圳市為例[J]. 地理研究, 2008, 27(5):1 213-1 220．

[3] 張歐陽, 卜惠峰,王翠平，等. 長江流域水系連通性對河流健康的影響[J].人民長江, 2010, 41(2): 1-5．

[4] 褚君達. 河網(wǎng)對流輸移問題的求解及應(yīng)用[J]. 水利學報, 1994(10): 14-35．[5] 徐貴泉, 褚君達. 感潮河網(wǎng)水環(huán)境容量數(shù)值計算[J]. 環(huán)境科學學報, 2000, 20(3): 263-268．

[6] 李適宇,林高松,陳璟璇,等.佛山水道綜合調(diào)水優(yōu)選方案研究[R].廣州:中山大學，2004.

[7] Takeoka, H.,Fundamental concepts of exchange and transport time scales in a coastal sea[J].Continental Shelf Research,1984(3):311-326.

[8] Zhe Liu, Hao Wei，Ghangshan Liu，et al..Simulation of water exchange in Jiaozhou Bay by average residence time approach[J].Estuarine Coastal and Shelf Science,2004,61(1)：25-35.

(本文責任編輯 馬克俊)

Influence of Connectivity on Pollutants Purification of Foshan River Networks

CHEN Bangxiong

(Guangdong Hydropower Planning & Design Institute，Guangzhou 510635，China)

In order to get a better understanding about the influence of drainage connectivity on the pollutant degradation ability of a river network, under the different drainage connectivity scenario of Foshan river network, the distribution of water exchange period and pollutant concentration of Foshan waterway is simulated by using the validated water environmental model for tidal river network. In conclusion, the water exchange capacity and pollution purification ability of a river network will increase drainage connectivity, which gives a guideline for ecological river network construction.

connectivity；scenario analysis；tidal river network；scheduling

2015-12-25;

2016-03-10

陳邦雄(1984),男,碩士,工程師,從事環(huán)境影響評價及水土保持和水利規(guī)劃工作。

X824

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1008-0112(2016)02-0001-03