郭曉娟，陳 暉，黃廣靈，譚 超

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣東 廣州 510635；3.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635)

珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)水系發(fā)達(dá)，但網(wǎng)河區(qū)河涌存在自身徑流小、河涌比降緩等特點，加之河涌間常建有水閘，導(dǎo)致河涌內(nèi)水流流速小[1]。此外，由于地處感潮河段，受到潮汐的影響，水流呈往復(fù)流，導(dǎo)致河涌水體自凈能力較低，污染物擴散較慢[2-3]。隨著經(jīng)濟社會的迅猛發(fā)展，網(wǎng)河區(qū)用水量和排污量劇增，水污染治理相對滯后，導(dǎo)致水質(zhì)進(jìn)一步惡化，給人民群眾的生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重的影響，成為制約流域經(jīng)濟社會健康發(fā)展的重要因素[4]。因此，網(wǎng)河區(qū)的水環(huán)境整治迫在眉睫[5]。而目前單一的污水、污泥治理已難以滿足要求，水環(huán)境綜合治理已成為發(fā)展的方向。

本文以東莞市川槎河片區(qū)為例，在現(xiàn)狀水系分布情況下，通過河道清淤、水系連通、群閘聯(lián)調(diào)等方法，進(jìn)行川槎河的水環(huán)境綜合整治，并應(yīng)用水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，對整治方案的有效性進(jìn)行驗證，為網(wǎng)河區(qū)水環(huán)境綜合整治提供科學(xué)依據(jù)和借鑒。

1 研究區(qū)域概況

川槎河片區(qū)位于東莞水鄉(xiāng)網(wǎng)河區(qū)四鄉(xiāng)聯(lián)圍北側(cè)，總面積約為17.3 km2，西側(cè)屬麻涌鎮(zhèn)鷗涌村、黎滘村、川槎村、新基村，東側(cè)屬中堂鎮(zhèn)槎滘村。陸域被東江北干流、橫涌海、倒運海水道及麻涌河所圍，片區(qū)內(nèi)水系眾多，寬度在5～80 m之間。各河涌縱橫交錯，互相連通，河涌水系分布如圖1所示。

圖1 川槎河片區(qū)河涌水系及水工建筑分布示意

川槎河片區(qū)現(xiàn)有水閘12宗、排站4宗、城軌預(yù)留箱涵2段(見圖1、表1)，片區(qū)中部的沙涌口水閘和朱仔沙水閘為麻涌和中堂兩鎮(zhèn)間的分水閘，其余10宗為擋潮閘。朱仔沙水閘、城軌預(yù)留箱涵1#和2#的底高程均較高，阻礙兩鎮(zhèn)水體交換，且朱仔沙水閘已廢置多年，6扇閘門關(guān)閉，導(dǎo)致朱仔沙涌處于斷流狀態(tài)[6]。

表1 川槎河片區(qū)水閘、排站、箱涵參數(shù)統(tǒng)計(85高程基面，下同)

2 水環(huán)境現(xiàn)狀

川槎河片區(qū)以北的東江北干流的水質(zhì)較好，除總磷總氮為V類外，其他指標(biāo)均為II類以上。川槎河片區(qū)內(nèi)河涌沿岸截污工程不健全，生產(chǎn)、生活垃圾和廢水入河，河涌污染嚴(yán)重。由于地處感潮河段，各河涌水流復(fù)雜，流態(tài)不穩(wěn)，導(dǎo)致污染物不易擴散。此外，河涌內(nèi)底泥淤積嚴(yán)重、河道比降緩，河道的過流能力嚴(yán)重下降，同時河涌之間采用水閘進(jìn)行隔斷，導(dǎo)致河道內(nèi)水動力較弱、水體交換能力差，造成水環(huán)境惡化。根據(jù)2018年和2019年在片區(qū)內(nèi)采集的水質(zhì)樣品分析結(jié)果(見圖2、表2)可知，片區(qū)內(nèi)水質(zhì)以Ⅳ類和Ⅴ類為主，個別為Ⅲ類，還存在劣Ⅴ類。其中，1#和2#采樣點由于位置靠近擋潮水閘，受外江影響更明顯，水質(zhì)較好，為Ⅲ類；片區(qū)中部的4#、5#、6#采樣點污染程度較高，水質(zhì)為劣Ⅴ類；其余采樣點水質(zhì)以Ⅳ類和Ⅴ類為主。且各采樣點的水質(zhì)多表現(xiàn)為漲潮優(yōu)于落潮，表明漲潮時外江水的涌入使片區(qū)內(nèi)水質(zhì)得到了短暫的優(yōu)化。因此，可通過與外江的水體交換來實現(xiàn)內(nèi)河涌水質(zhì)的提升。

圖2 川槎河片區(qū)水質(zhì)采樣點分布示意

表2 川槎河片區(qū)各河涌檢測點水質(zhì)評價結(jié)果

3 水環(huán)境綜合整治方案

3.1 水環(huán)境綜合整治思路

根據(jù)川槎河片區(qū)水系及水動力特征，進(jìn)行水系連通改造和清淤疏浚，促進(jìn)水體流動，提高河涌換水效率，改善水生態(tài)環(huán)境。

首先，由于片區(qū)內(nèi)河涌淤積嚴(yán)重，水體流動性減弱，影響水體自凈能力，因此，考慮對淤積嚴(yán)重的河段進(jìn)行清淤疏浚，打通排水路徑，增強水體流動性。

第二，片區(qū)內(nèi)部河網(wǎng)密集，河道主支流間水流復(fù)雜，為增強片區(qū)中部河涌的水體流動性，同時確保麻涌鎮(zhèn)與中堂鎮(zhèn)水體互通處于受控狀態(tài)，考慮打通兩鎮(zhèn)之間的橫向水系連通[8]。

第三，由于片區(qū)外的東江北干流水體流動性好，納污能力強，且水質(zhì)較好，因此考慮通過合理利用潮汐的自然動力和各水閘的聯(lián)動配合，引入東江北干流的優(yōu)質(zhì)水體，并實現(xiàn)片區(qū)內(nèi)優(yōu)質(zhì)水體的單向流動，即由東江北干流進(jìn)水、由倒運海水道排水，提高水體的交換效率，優(yōu)化川槎河片區(qū)水環(huán)境[9-10]。

3.2 水環(huán)境綜合整治方案

根據(jù)水環(huán)境綜合整治整體思路，川槎河片區(qū)整治內(nèi)容主要包括以下3部分。

1)河道清淤疏浚

已有的東莞市中小河流治理重點縣綜合整治和水系連通試點麻涌—4項目(以下簡稱“麻涌—4項目”)位于川槎河片區(qū)西北部(如圖3所示)，整治5條河涌，清淤總長度3.47 km，重建涵管1段。結(jié)合“麻涌—4項目”進(jìn)行內(nèi)河涌疏通，具體清淤河段和底高程見表3。現(xiàn)狀大茅涌僅靠1根直徑1.2 m的涵管與倒運海水道連接，為縮短并拓寬排水路徑，在退潮時加快水體流速，考慮打通大茅涌與倒運海水道的相連。

圖3 水環(huán)境綜合整治方案示意

2)水閘拆除重建

重建朱仔沙節(jié)制水閘，打通麻涌鎮(zhèn)與中堂鎮(zhèn)之間的橫向水系連通，通過城軌預(yù)留箱涵，由大梅涌經(jīng)沙涌和朱仔沙涌向中部河涌進(jìn)行調(diào)度補水。同時，在打通大茅涌的基礎(chǔ)之上新建大茅水閘，控制大茅涌與倒運海水道的水流方向。

3)建立群閘聯(lián)調(diào)機制

為增強片區(qū)內(nèi)的水動力并控制生態(tài)水位在-0.54～0.26 m之間[7]，水閘調(diào)度方式為：漲潮時，當(dāng)外江水位高于-0.54 m時，打開東江北干流沿線水閘和片區(qū)內(nèi)部節(jié)制閘，對河涌進(jìn)行補水，當(dāng)內(nèi)河涌水位上漲至0.26 m后關(guān)閘；落潮時，當(dāng)外江水位退至0.26 m時打開倒運海水道沿線水閘和片區(qū)內(nèi)部節(jié)制閘排水，水位下降至-0.54 m時關(guān)閘。

表3 水環(huán)境綜合整治方案措施 m

4 水環(huán)境綜合整治方案數(shù)值模擬

4.1 模型的建立

本次采用DHI-MIKE11模型對水環(huán)境綜合整治方案的效果進(jìn)行驗證。建立的一維水流計算數(shù)學(xué)模型范圍包括珠江三角洲各主要河道以及川槎河片區(qū)內(nèi)各河涌22條。模型上邊界為三水、馬口、老鴉崗、博羅、石咀，下邊界為八大口門(崖門、虎跳門、雞啼門、磨刀門、橫門、洪奇瀝、蕉門、虎門)。川槎河片區(qū)各河涌與外江連接處根據(jù)實際情況設(shè)置相應(yīng)的水工建筑(水閘)[11]。模型范圍如圖4所示。

圖4 一維模型范圍示意

本次一維模型計算下邊界潮型以“012”(2001年2月份珠江三角洲水文聯(lián)測)八大口門各站的實測潮位資料為邊界，上邊界以“012”實測水文數(shù)據(jù)的流量過程為邊界。一維模型主要計算水環(huán)境綜合整治方案實施前后的水流水動力狀態(tài)以及水體交換效率。模型所用川槎河片區(qū)內(nèi)河道地形資料為2019年12月實測河道大斷面。由圖5可知，模型率定和驗證結(jié)果較好，符合相關(guān)模擬技術(shù)規(guī)范的精度要求。

圖5 一維模型計算水位與實測水位對比示意

4.2 計算結(jié)果分析

4.2.1現(xiàn)狀

1)水動力

川槎河片區(qū)內(nèi)河涌水勢平緩，水流方向受潮汐影響明顯。各河涌出口均建有與外江相隔開來的水閘，僅當(dāng)外江水位高于或低于規(guī)劃生態(tài)補水水位時關(guān)閘，其他時段均保持水閘開啟狀態(tài)。因此，片區(qū)內(nèi)河涌的流向整體而言是隨潮漲潮落而變化的(形成受潮流影響的往復(fù)流)，漲潮時潮水由外江流入內(nèi)河涌，落潮時則相反，水從內(nèi)河涌流往外江。

片區(qū)外圍東江北干流、橫沖河和倒運海水道的最大漲、落潮流速基本在0.50 m/s左右，麻涌河的平均最大流速約為0.40 m/s。片區(qū)內(nèi)最大流速普遍較外江小，各主要河涌平均最大流速為0.33 m/s。川槎河、朱仔沙涌和沙涌的最大流速發(fā)生的流向為自西南向東北，即主要通過螺村河補充水量。各河涌中以螺村河的平均流量12.0 m3/s為最大，其他河涌平均流量均小于10 m3/s，川槎河的平均流量為5.3 m3/s。

2)水體交換能力

采用保守物質(zhì)的擴散計算方法研究川槎河片區(qū)水體交換能力。通過設(shè)置保守物質(zhì)的初始濃度，在模型計算一定的時長以后，便可通過分析保守物質(zhì)濃度的變化得到水體的交換情況。保守物質(zhì)初始濃度的設(shè)定如下：片區(qū)內(nèi)水體中保守物質(zhì)的初始濃度設(shè)為1，表示在現(xiàn)狀的初始階段，各河涌水質(zhì)較差；片區(qū)外河道保守物質(zhì)的初始濃度設(shè)為0，以排除外江水體對片區(qū)內(nèi)水體交換能力計算的干擾[12]。

圖6為模型運行1 d、3 d后川槎河片區(qū)保守物質(zhì)濃度分布示意。

圖6 模型運行1 d、3 d、5 d后各河涌保守物質(zhì)濃度分布示意

由圖6可知，模型運行1 d后，與外江直接連通的河涌水體中保守物質(zhì)的濃度迅速下降至0.20 mg/L以下，而片區(qū)中部的河涌保守物質(zhì)濃度仍較高；模型運行3 d后，片區(qū)中部部分河段保守物質(zhì)濃度仍維持在0.50 mg/L左右。

圖7為川槎河中部保守物質(zhì)濃度隨時間變化示意，由圖7可知，川槎河保守物質(zhì)濃度隨外江水的涌入和排出而逐漸下降，并隨水流流向轉(zhuǎn)換而出現(xiàn)一定的反復(fù)，需102 h才能擴散至初始濃度的50%，即0.50 mg/L，需要213 h才能擴散至0.20 mg/L。

圖7 現(xiàn)狀川槎河中部保守物質(zhì)濃度隨時間變化示意

4.2.2聯(lián)合補水方案實施后

1)水動力

川槎河片區(qū)水系按方案進(jìn)行整治后，各河涌水流漲潮時，外江水由北部水閘進(jìn)入片區(qū)內(nèi)；落潮時經(jīng)南部水閘排至倒運海水道，各河涌水體實現(xiàn)單向循環(huán)。

方案實施后，片區(qū)各主要河涌的流速較現(xiàn)狀普遍增大，各河涌最大流速平均增大至0.41 m/s；朱仔沙涌與大梅涌的連通分流了大梅涌近1/2的流量，導(dǎo)致朱仔沙涌的最大流速較現(xiàn)狀增大了0.16 m/s，方向為自東北向西南；川槎河接受朱仔沙涌的補水，平均最大流速較現(xiàn)狀增大0.10 m/s，方向為自北向南，表明此時川槎河主要接受大梅涌經(jīng)朱仔沙涌的補水。

方案實施后，各主要河涌的流量均較現(xiàn)狀有所增大；其中川槎河和大茅涌的平均流量分別為8.6 m3/s和2.7 m3/s，大茅涌的分流比約為31%。

2)保守物質(zhì)擴散時間

圖8為方案實施后模型運行1 d、3 d后川槎河片區(qū)保守物質(zhì)濃度分布示意。從圖8中可以看出，按規(guī)劃方案運行1 d后，朱仔沙涌的保守物質(zhì)濃度也迅速下降，反映了河道清淤和朱仔沙水閘拆除重建的效果。按規(guī)劃方案運行3 d后，各主要河涌的保守物質(zhì)濃度均下降至0.10 mg/L以下。圖9為方案實施后川槎河中部保守物質(zhì)濃度隨時間變化示意。由圖9可知，在接受大梅涌經(jīng)朱仔沙涌的大量補水之下，川槎河中段保守物質(zhì)需40 h即可擴散至0.50 mg/L，53h能擴散至0.20 mg/L，77 h能擴散至0.10 mg/L。

圖8 水環(huán)境綜合整治方案實施后模型運行1 d、3 d后各河涌保守物質(zhì)濃度分布示意

圖9 水環(huán)境綜合整治方案實施后川槎河中段主要河涌保守物質(zhì)濃度隨時間變化示意

5 結(jié)語

1)東莞市川槎河片區(qū)水環(huán)境綜合整治方案通過疏浚清淤、水系連通和群閘聯(lián)調(diào)，增加大梅涌經(jīng)朱仔沙涌向川槎河的補水量，加強河涌間的水體交換，并通過控制片區(qū)內(nèi)水流方向，實現(xiàn)涌內(nèi)水體的單向循環(huán)，引入外江優(yōu)質(zhì)水體解決片區(qū)內(nèi)污染物濃度反復(fù)升高的問題。

2)采用一維水質(zhì)模型對川槎河片區(qū)水環(huán)境綜合整治方案效果進(jìn)行驗證，結(jié)果表明川槎河保守物質(zhì)濃度77 h即可擴散至0.10 mg/L，能夠較好地達(dá)到增強水體流動性、改善水環(huán)境的預(yù)期目標(biāo)。但日后麻涌和中堂兩鎮(zhèn)需在水閘管理方面進(jìn)行協(xié)調(diào)。

3)川槎河片區(qū)水環(huán)境綜合整治方案可為復(fù)雜水系的網(wǎng)河區(qū)水生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和借鑒。