龍曉飛,武亞菊,范群芳,朱 嵩,王 華,朱金和

(珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院,廣東 廣州 510611)

珠江三角洲感潮河網(wǎng)區(qū),受潮流和徑流的共同作用,污染物在河網(wǎng)區(qū)往復(fù)震蕩、滯留時間延長,易造成污染物的積累,水環(huán)境惡化。同時由于防洪防潮安全的需要,河網(wǎng)區(qū)大規(guī)模的閘泵體系建設(shè),人為改變了內(nèi)河與外江的天然聯(lián)系,阻斷了水體的自然交換,區(qū)域內(nèi)水體形成相對封閉空間,水系連通性減弱,導(dǎo)致水環(huán)境進(jìn)一步惡化。利用外江潮汐動力并通過水閘調(diào)度沖淤排污,可以明顯改善區(qū)域水環(huán)境,是珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)水污染防治及生態(tài)修復(fù)的重要途徑,而不合理的調(diào)度方式易形成嚴(yán)重的污染事件。如何合理調(diào)整工程措施調(diào)度換水,提高換水效率,是改善感潮河網(wǎng)區(qū)水環(huán)境的關(guān)鍵[1-8]。

國內(nèi)多采用數(shù)值模擬的方法對感潮河網(wǎng)的水文水質(zhì)進(jìn)行研究。武亞菊等[9]利用MIKE11 AD模型,模擬論證綜合調(diào)水、整治河道和截斷污染源對中順大圍骨干河涌的水質(zhì)影響,在多渠道的工程措施下,中順大圍骨干河涌水質(zhì)能達(dá)到與西江水同質(zhì)的目標(biāo)。杜鵑[10]利用MIKE11作為計算平臺,構(gòu)建了潁上縣河網(wǎng)水動力水質(zhì)模型,引清調(diào)度方案在一定程度上可以改善河網(wǎng)水質(zhì)。高學(xué)瓏[11]針對福州市江北城區(qū)感潮河網(wǎng)的水動力和水質(zhì)特點,構(gòu)建河網(wǎng)一維水動力水質(zhì)耦合模型,并進(jìn)行模型驗證,實現(xiàn)江北城區(qū)河網(wǎng)水系景觀生態(tài)補水的合理配置。董志等[12]建立了廣州市芳村片感潮河網(wǎng)一維水流水質(zhì)數(shù)值模型,并對模型進(jìn)行了率定,計算分析了河涌連通、水閘調(diào)度、水閘建設(shè)等措施對河網(wǎng)水體交換的影響,提出了芳村片引清調(diào)水的優(yōu)化方案。張現(xiàn)國等[13]基于EFDC構(gòu)建福州復(fù)雜河網(wǎng)水系水動力水質(zhì)模型,模擬研究區(qū)內(nèi)不同水質(zhì)目標(biāo)及引水條件下的閘泵調(diào)度對河道水質(zhì)變化影響,模擬結(jié)果表明:采用泵站補水可以快速改善河道內(nèi)水質(zhì),相比于潮差引水,非汛期不溢流工況下,水質(zhì)從合格到良好恢復(fù)時間可以縮短18.3%～29.6%。蔣雪蓮[14]針對感潮河網(wǎng),采用MIKE11水動力模塊(HD)、對流擴(kuò)散模塊(AD)對河涌水系進(jìn)行水動力和水質(zhì)模擬計算,分析評價利用潮汐動力及閘泵調(diào)度的補水量及補水活水后水環(huán)境質(zhì)量的改善效果,分析表明:利用MIKE11模型研究改善感潮河網(wǎng)水量水質(zhì)的方案計算簡單、可靠、效率高,可直接確定水閘和泵站的規(guī)劃流量,是較為有效的分析途徑。

本文以珠海橫琴中心溝水系為例,構(gòu)建了河網(wǎng)區(qū)一維水動力精細(xì)化數(shù)學(xué)模型,開展改善區(qū)域水動力水環(huán)境的調(diào)控方案研究,綜合運用數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化調(diào)度等技術(shù)手段,計算分析原調(diào)控方案換水效果,并根據(jù)外江潮汐特征及區(qū)域水景觀建設(shè)目標(biāo),對原調(diào)控方案進(jìn)行優(yōu)化,對比分析其水質(zhì)改善效果,為中心溝水系合理引水調(diào)控提供技術(shù)支撐。

1 區(qū)域概況及調(diào)控方案分析

1.1 區(qū)域概況

珠海市橫琴島位于珠海市陸域東南部,毗鄰港澳,橫琴島南北長8.6 km,東西寬約7 km,包括部分海域總面積106.46 km2。橫琴島四面環(huán)水,北部為馬騮洲水道(又稱洪灣水道),東部為十字門水道,西部為磨刀門水道,南部為南中國海,周邊水系見圖1。

圖1 橫琴島周邊水系

中心溝水系由橫貫橫琴新區(qū)東西的天沐河、北區(qū)排洪渠、南區(qū)排洪渠及相互連通的排洪渠構(gòu)成(圖2)。中心溝北區(qū)設(shè)置20條排洪渠,中心溝南區(qū)設(shè)置25條排洪渠。天沐河河道從中心向東西兩端逐步拓寬,從最窄處的70 m到最寬處的400 m。天沐河屬一級河道,正常運行水位為1.5 m,渠底設(shè)計高程為-2.5 m。環(huán)島西路水閘凈寬60 m,4孔,閘底高程-2.5 m;濱海東路水閘凈寬40 m,4孔,閘底高程-1.5 m,防洪標(biāo)準(zhǔn)均為50年一遇。天沐河內(nèi)接南北區(qū)二十余條排洪渠,外接磨刀門水道和十字門水道。

圖2 中心溝水系

天沐河為一級可通航河道,最高通航水位為2.2 m,最低通航水位為1.0 m,渠底高程-2.5 m,渠道頂高程定為3.70 m。

1.2 引水調(diào)控方案優(yōu)化

1.2.1原調(diào)控方案

中心溝兩側(cè)僅有東西兩側(cè)水閘與外海聯(lián)通,受特殊地形影響,中心溝水系區(qū)域內(nèi)水體相對封閉,缺乏流動性,容易引起污染物的蓄積,導(dǎo)致水質(zhì)惡化。為解決水質(zhì)惡化問題,《橫琴新區(qū)天沐河防洪及景觀工程可行性研究報告》(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院,2013年)中提出了中心溝規(guī)劃水系的控導(dǎo)方案:當(dāng)天沐河水質(zhì)惡化時,須進(jìn)行水體更換。水體更換以天沐河?xùn)|、西兩閘為主。環(huán)島西堤水閘與濱海東路水閘聯(lián)合調(diào)度,調(diào)度運行原則如下:①水體交換前,先利用外海落潮時刻開啟濱海東路水閘使得天沐河水位降至1.0 m;②外海漲潮時開啟環(huán)島西堤水閘、關(guān)閉濱海東路水閘,通過環(huán)島西堤水閘為天沐河蓄水,蓄水至1.5 m時關(guān)閉環(huán)島西堤水閘,停止蓄水,外海落潮時關(guān)閉環(huán)島西堤水閘、開啟濱海東路水閘,通過濱海東路水閘進(jìn)行排水,排水至1.0 m時關(guān)閉濱海東路水閘,停止排水;③水體交換結(jié)束后,利用外海漲潮的時刻開啟環(huán)島西堤水閘使得天沐河水位升至1.5 m。

結(jié)合磨刀門水道潮汐特性規(guī)律,不同季節(jié)不同時段潮位特征相差較大,原調(diào)控方案采用1.0～1.5 m控制水位不能滿足不同時段中心溝水體與外海有效交換,特別是夏季氣溫高,區(qū)域封閉水體易變黑變臭,區(qū)域水環(huán)境問題更為突出。

1.2.2優(yōu)化調(diào)控方案

綜合考慮夏季氣溫高、封閉水體含氧量相對較低、容易發(fā)黑發(fā)臭等水環(huán)境問題,利用珠江三角洲每月2次半月潮大潮過程,采用大流量、短周期引換水,適當(dāng)擴(kuò)大調(diào)控水位變幅,適時實施大換水,優(yōu)化調(diào)控方案:①落潮時刻開啟濱海東路水閘使得天沐河水位降至0 m;②漲潮時開啟環(huán)島西堤水閘引水、關(guān)閉濱海東路水閘,蓄水至高潮位時關(guān)閉水閘。相比較原調(diào)控方案,優(yōu)化調(diào)控方案一個完整潮周期可以實現(xiàn)2次開閘引水,增加了引水量、增強了區(qū)域水動力。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 一維水流基本方程組

一維水流是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程,即圣維南方程組:

連續(xù)性方程:

(1)

(2)

式中H——斷面水位;Q——流量;S——河道過水面積;u——平均流速,u=QS;g——重力加速度;B——不同高程下的過水寬度;ql——旁側(cè)入流流量或取水流量;R——水力半徑;C——謝才系數(shù);x、t——位置、時間的坐標(biāo);ul——單位流程上的側(cè)向出流流速在主流方向的分量。

2.2 一維水質(zhì)模型控制方程

河網(wǎng)水質(zhì)模型的控制方程為一維對流擴(kuò)散方程,其基本假定是:物質(zhì)在斷面上完全混合;物質(zhì)守恒或符合一級反應(yīng)動力學(xué)(即線性衰減);符合Fick擴(kuò)散定律,即擴(kuò)散與濃度梯度成正比。一維對流擴(kuò)散方程見式(3):

(3)

式中A——橫斷面面積,m2;C——物質(zhì)濃度,mg/L;x——空間坐標(biāo),m;t——時間坐標(biāo),s;D——縱向擴(kuò)散系數(shù),m2/s;K——線性衰減系數(shù),1/d;C2——源/匯濃度,mg/L;q——旁側(cè)入流流量,m3/s。

2.3 方程離散和求解

方程離散利用Abbott六點隱式格式,該離散格式在每一個網(wǎng)格點不是同時計算水位和流量,而是按順序交替計算水位或流量,分別稱為h點和Q點計算網(wǎng)格,布置為交叉網(wǎng)格方式。對流擴(kuò)散方程采用中心和空間的隱式差分格式。

2.4 河網(wǎng)概化及參數(shù)取值

采用GIS軟件對中心溝水系進(jìn)行概化,概化河網(wǎng)見圖3,包括中心溝、截洪渠、防洪溝以及環(huán)島西堤水閘和濱海東路水閘。參考《水力學(xué)》(李家星、趙振興主編/河海大學(xué)出版社),結(jié)合河道堤岸設(shè)計結(jié)構(gòu)型式,模型糙率按0.020～0.024取值。本研究中污染物為保守物質(zhì),不發(fā)生降解,即衰減系數(shù)K=0。

圖3 河網(wǎng)概化

2.5 模型邊界條件

結(jié)合磨刀門潮汐特性分析成果,選取2008年11月9—21日實測潮位過程作為模型計算邊界,其高高潮位為1.97 m接近逐日高高潮位累積頻率1%,潮位邊界見圖4。為了便于半交換周期及換水率的統(tǒng)計分析,選用溶解態(tài)的保守性物質(zhì)作為示蹤劑,區(qū)域內(nèi)初始水位1.5 m,初始濃度為10 mg/L,外海污染物濃度取為0。

圖4 典型潮位過程

3 引水換水效果分析

3.1 評價指標(biāo)選擇

廣泛收集并參考了國內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)成果,同時結(jié)合項目特征,提出主要評價的指標(biāo):流速、半交換周期和換水率。其中半交換周期和換水率[15]的定義如下:①半交換周期,利用保守物質(zhì)作為示蹤物,通過分析各河段保守物質(zhì)濃度變化,計算河網(wǎng)某斷面保守物質(zhì)濃度減少一半需要的時間,反映河涌各段的水體交換能力;②換水率,可以反映河網(wǎng)水體被置換的程度,物理含義為河涌水體與外江水體在漲潮、落潮過程中,河涌水體與外江水體不斷混合,混合后的水體在潮流的作用下向外江輸運。其定義見式(4):

(4)

式中R(r,l,t)——河涌某位置瞬時換水率;r——某條河涌;l——里程;t——時間;C(r,l,t0)——河涌某位置初始濃度場;C(r,l,t)——河涌某位置瞬時濃度場。

為了便于統(tǒng)計分析,在中心溝水系布設(shè)了觀測斷面(圖5)。統(tǒng)計各斷面的流速、半交換周期及整個水體換水率,對比分析調(diào)控方案優(yōu)化前后水質(zhì)改善效果。限于篇幅,僅對主干河涌天沐河進(jìn)行流速、半交換周期對比分析。

圖5 觀測斷面位置示意

3.2 流速分析

流速變化統(tǒng)計見表1。對于原調(diào)控方案,各斷面最大流速為0.36～0.52 m/s,自西至東流速逐漸減小、水動力逐漸減弱;對于優(yōu)化調(diào)控方案,各斷面最大流速為0.31～0.72 m/s。相比較原方案,各斷面流速均增加,增幅為0.09～0.20 m/s,其中1號斷面距離引水?dāng)嗝孀罱?流速增加幅度亦最大為0.2 m/s。

表1 流速統(tǒng)計 單位:m/s

3.3 半交換周期分析

水體半交換周期見圖6。原調(diào)控方案各斷面半交換周期為21.3～132.0 h,靠近西閘河段,由于外江凈水的匯入稀釋,水體半交換周期較短,而靠近東閘水體,受到水流不斷向東輸移的影響,保守物質(zhì)總體呈現(xiàn)向東閘方向富集的趨勢,水體半交換周期較長。優(yōu)化調(diào)控方案各斷面半交換周期為11.3～30.5 h,相比較原方案,各斷面半交換周期大幅減小,其中東閘河段水體半交換周期縮短了101.5 h。

圖6 水體半交換周期統(tǒng)計

3.4 換水率分析

水體換水率統(tǒng)計見圖7、表2。原調(diào)控方案中,調(diào)控水位變幅為0.5 m,一次引調(diào)水至1.5 m換水率為14.55%,排水至1.0 m換水率為15.24%;二次引調(diào)水至1.5 m換水率為28.90%,排水至1.0 m換水率為30.69%;三次引調(diào)水至1.5 m換水率為43.41%,排水至1.0 m換水率為45.88%。優(yōu)化調(diào)控方案中,調(diào)控水位變幅為1.97 m,一次引調(diào)水至1.97 m換水率為48.55%,排水至0 m換水率為65.71%;二次引調(diào)水換水率為88.19%;三次引調(diào)水換水率為94.19%。相比較原方案,優(yōu)化方案一次引調(diào)水換水率提高了3.3倍,三次引調(diào)水換水率提高了1.1倍。

a)原方案

b)優(yōu)化方案圖7 換水率變化

表2 換水率統(tǒng)計 %

4 結(jié)語

a)建立了珠海橫琴中心溝水系一維水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,計算分析了典型潮位過程中心溝的水動力特性及水體交換規(guī)律,結(jié)合流速、換水率等指標(biāo),對比分析了原調(diào)控方案及優(yōu)化調(diào)控方案換水效果。研究表明:結(jié)合內(nèi)河水質(zhì)狀況,優(yōu)化調(diào)控方案,利用每月2次半月潮大潮期,適當(dāng)擴(kuò)大調(diào)控水位變幅,適時實施大流量、短周期引換水,區(qū)域流速增加了0.20 m/s、半交換周期減少了101.5 h、換水率提高了1.1倍,可以明顯改善區(qū)域水環(huán)境,對于珠江三角洲感潮河網(wǎng)區(qū)引水調(diào)控方案的實施有一定的借鑒價值。

b)充分利用潮汐動力和原有水閘調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控引水,有利于實施,但優(yōu)化調(diào)控方案增大了中心溝水系控制水位變幅、增加了河道水流流速,實施引調(diào)過程中應(yīng)注意天沐河通航安全。