臧克清，穆貴玲

(1.廣東水科院勘測設(shè)計院，廣州 510635；2.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510611)

1 概述

粵港澳大灣區(qū)是我國開放程度最高、經(jīng)濟(jì)活力最強(qiáng)的區(qū)域之一，在國家發(fā)展大局中具有重要的戰(zhàn)略地位?！痘浉郯拇鬄硡^(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》提出，全面建成宜居宜業(yè)宜游的優(yōu)質(zhì)生活圈，打造高質(zhì)量發(fā)展和高品質(zhì)生活的典范，增強(qiáng)人民群眾的幸福感，這勢必對優(yōu)質(zhì)的水資源、健康的水生態(tài)、宜居的水環(huán)境提出更高標(biāo)準(zhǔn)?！痘浉郯拇鬄硡^(qū)水安全保障規(guī)劃》提出要保障河流生態(tài)流量，系統(tǒng)治理大灣區(qū)核心區(qū)域三角洲水生態(tài)環(huán)境，形成全區(qū)域綠色生態(tài)水網(wǎng)，讓大灣區(qū)河流成為人民的幸福河。

粵港澳大灣區(qū)地處珠江流域下游，據(jù)不完全統(tǒng)計，珠三角圍內(nèi)河涌有數(shù)萬條，是珠三角城市中最為普遍的水系，直接承擔(dān)著珠三角城市防洪、排澇、供水、水環(huán)境、水景觀等多重功能。內(nèi)河涌水動力條件較弱，河道比降平緩，很大一部分內(nèi)河涌為斷頭涌，水體交換能力弱，水環(huán)境問題較突出。

補(bǔ)水工程是借助泵站、水閘等工程，充分利用上游山塘、湖庫，干流，污水處理廠尾水等水源補(bǔ)水，改善內(nèi)河涌水環(huán)境。生態(tài)補(bǔ)水工程最早起源于日本的隅田川[1]，后續(xù)在荷蘭 Veluwemeetr 湖[2]、美國Moses湖[3]、新西蘭Rotoiti湖[4]、俄羅斯的莫斯科河[5]等均得到了成功應(yīng)用。我國也開展了滇池補(bǔ)水工程[6]、“引江濟(jì)太”工程[7]、杭州西湖補(bǔ)水工程[8]、廣州市三涌補(bǔ)水工程[9]、深圳市深圳河補(bǔ)水工程[10]等生態(tài)補(bǔ)水改善水生態(tài)環(huán)境工程。

本研究針對粵港澳大灣區(qū)內(nèi)河涌斷頭涌水環(huán)境問題，為增強(qiáng)內(nèi)河涌河道換水能力，提高內(nèi)河涌水環(huán)境容量，改善內(nèi)河涌水環(huán)境狀況，以中山市內(nèi)河涌斷頭涌鵝毛涌為例，對其具體的生態(tài)補(bǔ)水方案進(jìn)行研究，以期為大灣區(qū)內(nèi)河涌水環(huán)境治理提供參考依據(jù)。

2 河涌補(bǔ)水方案制定SSTMS法

河涌補(bǔ)水方案的制定采用“現(xiàn)場考察—水源確定—控制目標(biāo)—建模試算—補(bǔ)水方案”(SSTMS)方法，綜合考慮河涌周邊水文、水質(zhì)、水利工程、水源條件等，確定具體的模擬工況，并根據(jù)模擬結(jié)果確定最優(yōu)的補(bǔ)水方案(見圖1)。

圖1 補(bǔ)水方案制定技術(shù)路線示意

具體步驟如下：① 現(xiàn)場勘察，收集河涌周邊水文、水質(zhì)資料及水閘、泵站等水利工程資料，掌握河涌周圍現(xiàn)狀閘泵調(diào)度情況；② 確定補(bǔ)水水源、水質(zhì)目標(biāo)和控制目標(biāo)，提出模擬工況；③ 建立內(nèi)河涌水動力水質(zhì)模型，確定模型邊界、參數(shù)、構(gòu)筑物及源匯項，并進(jìn)行率定驗證；④ 模型試算，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，確定最優(yōu)補(bǔ)水方案。

2.1 補(bǔ)水水源及目標(biāo)確定

補(bǔ)水水源根據(jù)水量是否滿足、距離是否合適等基本要求，充分利用上游山塘、湖庫，干流，污水處理廠尾水等來確定。上游附近有山塘、湖庫的河涌，日常引入上游山塘水、湖庫水補(bǔ)水；河長較短的河涌可考慮從干流引水；在污水處理廠服務(wù)區(qū)內(nèi)的河涌，選擇合適的路徑引入污水處理廠尾水補(bǔ)水。

水質(zhì)治理目標(biāo)參考附近水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)、政府下達(dá)任務(wù)指標(biāo)等確定；控制目標(biāo)根據(jù)各河涌實(shí)際情況和預(yù)期達(dá)到的效果綜合確定。

2.2 模型方法

生態(tài)補(bǔ)水工程的水環(huán)境改善效應(yīng)研究主要基于水動力水質(zhì)耦合模型。Hayes 等構(gòu)建一維水動力、水質(zhì)、發(fā)電耦合模型，研究水庫瀉流對下游河道水質(zhì)的影響及水庫最優(yōu)調(diào)度方案[11]；Campbell等研究巴西Klamath河流，構(gòu)建水動力水質(zhì)耦合模型，對Klamath河流的調(diào)度方式進(jìn)行評價分析[12]；馮斯安運(yùn)用一維水動力水質(zhì)耦合模型對車陂涌生態(tài)補(bǔ)水的水質(zhì)改善效應(yīng)進(jìn)行了研究[13]；陳儷丹等利用一維河網(wǎng)水動力水質(zhì)耦合模型分析研究了濱江圩區(qū)最優(yōu)活水方案[14]；戴昱等構(gòu)建二維水動力—水質(zhì)耦合模型對赤山湖的水流運(yùn)動、水質(zhì)變化規(guī)律及防治措施進(jìn)行了研究[15]。宮雪亮利用MIKE21水動力—水質(zhì)耦合模型對南四湖上級湖的水質(zhì)變化規(guī)律及治理方案進(jìn)行了研究[16]。

本次選取二維水動力—水質(zhì)耦合模型對大灣區(qū)內(nèi)河涌生態(tài)補(bǔ)水工程的水環(huán)境改善效應(yīng)進(jìn)行研究，模型原理詳見參考文獻(xiàn)[16]。

3 實(shí)例分析

3.1 研究區(qū)域概況

中山市處于粵港澳大灣區(qū)的幾何中心，珠江三角洲中南部，北連廣州，南連珠海，毗鄰港澳。為發(fā)揮其在大灣區(qū)的作用，中山市努力打造高水平發(fā)展平臺，主動對接深圳、香港，進(jìn)一步密切與粵西地區(qū)的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系，做好“東承”文章，強(qiáng)化“西接”功能，奮力把中山建設(shè)成為珠江東西兩岸融合發(fā)展的支撐點(diǎn)、沿海經(jīng)濟(jì)帶的樞紐城市、粵港澳大灣區(qū)的重要一極，這勢必對中山市水生態(tài)環(huán)境提出了更高的要求。為打好污染防治攻堅戰(zhàn)，中山市委市政府印發(fā)了《中山市水環(huán)境治理責(zé)任追究工作意見》，未來3 a計劃投入600多億元推進(jìn)全市黑臭(未達(dá)標(biāo))水體整治工程建設(shè)。

鵝毛涌是中順大圍內(nèi)中山市中心組團(tuán)大涌鎮(zhèn)內(nèi)河涌，起于涌口與赤洲河交界處，止于起鳳環(huán)市場，全長為808 m，平均寬度為10 m。鵝毛涌為斷頭涌，河涌流動性差；且河涌污染嚴(yán)重，為劣V類水。

3.2 補(bǔ)水水源及目標(biāo)確定

河涌末端是起鳳環(huán)市場，附近無山塘、湖庫，也無污水處理廠，但河涌長度較短，離赤洲河僅800 m左右，故選擇赤洲河為引水水源。

補(bǔ)水目標(biāo)是通過泵站抽水至河涌末端來加大河涌流動性，提高河涌納污能力，進(jìn)而改善河涌水質(zhì)，使內(nèi)河涌基本消除黑臭，水質(zhì)達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《全國水利發(fā)展十三五規(guī)劃》，到2020年，七大重點(diǎn)流域水質(zhì)優(yōu)良比例總體達(dá)到70%以上，因此，選取水質(zhì)保證率達(dá)到70%為控制指標(biāo)，確定補(bǔ)水工程的規(guī)模。具體模擬工況見表1。

表1 模擬工況及控制目標(biāo)

為確保外河引水的可靠性，選擇90%降雨保證率的年份為設(shè)計年。根據(jù)石岐站近30 a降雨量資料進(jìn)行頻率分析，計算降雨保證率。根據(jù)計算結(jié)果，90%降雨保證率的年份為2011年，故選擇2011年為設(shè)計典型年。

3.3 模型建立

3.3.1模型邊界

因調(diào)水主要集中在枯水時期，故本次僅考慮典型年2011年枯水月1月的調(diào)度，即水位邊界條件為2011年1月模擬結(jié)果。

1)與赤洲河交界處邊界

鵝毛涌與赤洲河交界處為開邊界。水動力模型邊界為該點(diǎn)赤洲河水位過程邊界。赤洲河屬于中順大圍河涌，受河網(wǎng)和潮位雙重影響，水位較難確定。項目區(qū)目前已實(shí)施中順大圍河涌閘泵調(diào)度方案，總體西進(jìn)東出。根據(jù)前期建立的一維中順大圍河網(wǎng)模型，以2011年實(shí)測外河水位、潮位為邊界條件，按照已實(shí)施中順大圍河涌閘泵調(diào)度方案對中順大圍河網(wǎng)的水動力進(jìn)行模擬，得到赤洲河與鵝毛涌交界處的水位過程(見圖2所示)。

圖2 鵝毛涌與赤洲河交界處水位過程邊界示意

水質(zhì)模型邊界為常數(shù)邊界，取大涌鎮(zhèn)赤洲河目標(biāo)水質(zhì)，氨氮濃度為1.5 mg/L。假定赤洲河水質(zhì)已達(dá)標(biāo)，才能實(shí)現(xiàn)引清調(diào)度的目的。

2)河涌末端邊界

現(xiàn)狀為閉邊界。

工程補(bǔ)水時，為點(diǎn)源邊界。水動力模型邊界為流量過程邊界，流量過程根據(jù)外江水位過程確定，使泵站引水時間要保證每天10～12 h(見圖3所示)。

圖3 引水流量過程示意

根據(jù)外河水位過程線分析可知，大涌鎮(zhèn)河涌的外河水位大于0.3 m時開泵引水時間約12 h；大于0.2 m時開泵引水時間約16 h；大于0.4 m時開泵引水時間約8.5 h。因補(bǔ)水方案中及以上，故僅外河水位大于0.3 m時開泵引水時長符合目標(biāo)要求，選擇 0.3 m時開泵。即當(dāng)外江水位大于等于0.3 m時取假設(shè)引水流量，當(dāng)外江水位小于0.3 m時取0。

水質(zhì)模型邊界為常數(shù)邊界，來自大涌鎮(zhèn)赤洲河目標(biāo)水質(zhì)數(shù)據(jù)，氨氮濃度為1.5 mg/L。

3)源匯項

鵝毛涌無支涌匯入，故無支涌源匯項。

排污口污水入河量以源匯項加入模型。鵝毛涌排污口實(shí)測污水排放量為0.042 7 m3/s，排污時間為24 h/d，污水濃度為COD 200 mg/L，氨氮11.5 mg/L。

3.3.2模型參數(shù)

模擬時間為典型年的枯水月，即2011年1月1日8:00—2011年2月1日7:00，地形為實(shí)測現(xiàn)狀地形。

1)水動力參數(shù)

鵝毛涌斷面為規(guī)則斷面，以梯形為主，故糙率取經(jīng)驗值0.025。

2)水質(zhì)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)狀實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)分析可知，鵝毛涌氨氮濃度為8.55，總磷濃度為1.07，主要超標(biāo)污染物為氨氮，故選取氨氮為水質(zhì)指標(biāo)。

對于污染物綜合衰減系數(shù)k，近20多a來，華南環(huán)境科學(xué)研究所、中山大學(xué)等多個科研單位對珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)各類水體的COD、NH3-N的衰減規(guī)律作了系統(tǒng)的研究(見表2所示)。

表2 廣東省重點(diǎn)研究成果采用的衰減系數(shù)

因此，水質(zhì)模型參數(shù)初始濃度取大涌鎮(zhèn)鵝毛涌實(shí)測氨氮濃度為8.55 mg/L。氨氮衰減系數(shù)取0.07/d。

3.4 結(jié)果分析

3.4.1現(xiàn)狀流場及水質(zhì)分布

從計算結(jié)果和模擬動畫可知：現(xiàn)狀條件下，由于外河水位的波動，河涌交界處會有水流一直來回波動，使得河涌換水頻率并不小。外河水位低時，僅連接處附近400 m處有水流，末端為死水區(qū)；而水質(zhì)改善范圍僅為50 m以內(nèi)。外河水位高時，水流波動范圍可達(dá)到500 m，河涌末端仍為死水區(qū)；水質(zhì)改善范圍也可達(dá)到350 m?，F(xiàn)狀低水位、高水位情況下鵝毛涌流場-水質(zhì)分布見圖4和圖5。

圖4 現(xiàn)狀低水位情況下鵝毛涌流場-水質(zhì)分布示意

圖5 現(xiàn)狀高水位情況鵝毛涌流場-水質(zhì)分布示意

3.4.2引水流場及水質(zhì)分布

假設(shè)引水流量，通過試算，使河涌水質(zhì)保證率達(dá)到70%時的流量為所求流量。補(bǔ)水低水位、高水位情況下鵝毛涌流場-水質(zhì)分布見圖6和圖7。

圖7 補(bǔ)水高水位情況下鵝毛涌流場-水質(zhì)分布示意

根據(jù)模擬結(jié)果，70%水質(zhì)達(dá)標(biāo)保證率情況下，鵝毛涌的引水流量為0.13 m3/s，換水頻率為1.73 次/d。通過外河引水，河涌末端從死水區(qū)變?yōu)榛钏畢^(qū)，水動力條件得到明顯改善，平均流速增大約10倍，河涌整體的換水頻率也變大。外河水位較低時，河涌基本為單向流，從河涌末端流向河涌交界處；隨著補(bǔ)水的推進(jìn)，河涌水質(zhì)影響范圍也逐漸擴(kuò)大。當(dāng)外河水位變高后，河涌內(nèi)出現(xiàn)對流，水流方向比較紊亂。經(jīng)過2 d，整條河涌水質(zhì)明顯變好，平均水質(zhì)基本達(dá)到V類，但由于排污口入河污染物的影響，仍需補(bǔ)水來維持水質(zhì)的穩(wěn)定。

3.4.3模擬結(jié)果對比分析

不同工況下鵝毛涌平均流速、水質(zhì)對比見圖8和圖9，可見在補(bǔ)水工況下，河涌流速得到了提高，死水區(qū)變活水區(qū)，河涌水質(zhì)也得到極大改善，基本可達(dá)到V類水。

圖9 不同工況下鵝毛涌平均水質(zhì)對比示意

4 結(jié)語

1)“現(xiàn)場考察—水源確定—控制目標(biāo)—建模試算—補(bǔ)水方案”(SSTMS)生態(tài)補(bǔ)水方案確定方法綜合考慮河涌周邊水文、水質(zhì)、水利工程、水源條件等，通過建立二維水動力水質(zhì)模型，設(shè)定不同水質(zhì)達(dá)標(biāo)率控制目標(biāo)，確定具體的模擬工況，可以確定內(nèi)河涌的最優(yōu)補(bǔ)水方案，使內(nèi)河涌水動力、水質(zhì)條件得到改善，為大灣區(qū)內(nèi)河涌水環(huán)境治理提供參考依據(jù)。

2)以中山市內(nèi)河涌鵝毛涌為例，研究得到70%水質(zhì)達(dá)標(biāo)保證率情況下，鵝毛涌的引水流量為0.13 m3/s，換水頻率為1.73次/d。通過補(bǔ)水，斷頭涌末端從死水區(qū)變?yōu)榛钏畢^(qū)，水動力條件得到明顯改善，平均流速增加約10倍，河涌整體的換水頻率變大，河涌水質(zhì)也得到極大改善，基本可達(dá)到V類水。

3)補(bǔ)水的前提是要確保補(bǔ)水水源的水質(zhì)達(dá)到政府規(guī)定的目標(biāo)水質(zhì)。內(nèi)河涌治理時，建議在補(bǔ)水工程的基礎(chǔ)上，結(jié)合排污口原位生態(tài)修復(fù)工程、曝氣工程、微生物菌劑工程等聯(lián)合使用，使內(nèi)河涌徹底消除黑臭。