摘要：為解決粵港澳大灣區(qū)跨境河涌鴨涌河生態(tài)補水工程與河口水閘聯(lián)合調度的問題，考慮到外海潮位頂托作用顯著，構建了MIKE 11一維河網水動力水質數(shù)學模型，并設計不同類型的調度方案，包括天然狀態(tài)方案、現(xiàn)狀調度方案、聯(lián)合調度方案，評估各方案降低污染物濃度和改善水質的效果。結果表明：在日常補水調度中，若河口水閘調度不與生態(tài)補水調度結合，鴨涌河水體更新效率偏低，若河口水閘與生態(tài)補水聯(lián)合調度，在枯水期月份前5 d每天補水2 h的水質改善效果較好，電費較低，綜合評價指數(shù)最優(yōu)；而在汛期防洪排澇調度中，不需要進行生態(tài)補水調度。此外，水量分析結果表明，不同補水方案的綜合評價指數(shù)與典型斷面的進出水量、進出水量比值的響應規(guī)律相反。評估結果可為鴨涌河的水環(huán)境質量提升方案提供科學依據(jù)。

關鍵詞：感潮平原河網區(qū)；生態(tài)補水；水動力水質數(shù)學模型；粵港澳大灣區(qū)；鴨涌河

中圖分類號：TV212.5+1文獻標識碼：A文章編號：1001-9235（2024）07-0048-10

高華勇，趙璧奎，郭曉娟，等.基于MIKE 11的粵港澳大灣區(qū)河涌生態(tài)補水調度方案評估［J］.人民珠江，2024，45（7）：48-57.

Evaluation of Scheduling Schemes for Ecological Water Supplement of Rivers in Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area Based on MIKE 11

GAO Huayong，ZHAO Bikui，GUO Xiaojuan，TAN Chao

（Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower，Guangzhou 510610，China）

Abstract：To achieve joint scheduling of the ecological water supplement project and the estuarine sluice of the cross-boundary Yachong River in the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area，the mathematical model of hydrodynamics and water quality of the one-dimensional river network based on MIKE 11 was constructed by considering the significant jacking role of the open sea tide level.In addition，different types of scheduling schemes were designed，including natural state scheme，current state scheme，and joint scheduling scheme，so as to evaluate the effect of each scheme in reducing pollutant concentration and improving water quality.The results show that in the daily water supplement scheduling，if the estuarine sluice and ecological water supplement are not jointly scheduled，the water renewal efficiency of the Yachong River is low，and if they are jointly scheduled，the water quality is better improved when water is supplied for two hours per day in the first five days of the dry season，along with a lower electricity cost and the best comprehensive evaluation index.In the flood season with flood control and drainage scheduling，there is no need for ecological water supplement scheduling.In addition，the water quantity analysis shows that the comprehensive evaluation indexof different water supplement schemes is opposite to the response law of the inflow water volume and outflow water volume and their ratio of typical sections.The evaluation results can provide a scientific basis for the water environment and quality improvement schemes of theYachong River.

Keywords：tidal plain river network area;ecological water supplement;mathematical model of hydrodynamics and water quality;Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area;Yachong River

珠江三角洲地區(qū)位于中國南部的粵港澳大灣區(qū)。經濟發(fā)展迅速以及城鎮(zhèn)化率的提高顯著影響了該區(qū)域河湖水系的生態(tài)環(huán)境，城市化建設侵占河道空間使河道出現(xiàn)縮窄、淤積、斷頭等情況，導致河道水流動力不足、水環(huán)境容量減小、水體自凈能力減弱、水環(huán)境質量變差等［1］。此外，珠江三角洲地區(qū)是典型的感潮平原河網區(qū)，受潮流和徑流的雙重作用［2］，水流為往復流，污染物降解速度慢，且該區(qū)域聯(lián)圍、水閘、泵站等數(shù)量眾多，河湖水系連通差，進一步加劇了河道水環(huán)境的惡化程度。

感潮平原河網區(qū)水環(huán)境問題的主要解決措施包括控源截污［3-4］、內源治理［5］、生態(tài)修復［6-7］、生態(tài)補水和調水［8-10］等，其中，生態(tài)補水和調水能有效加強水體流動性，提高水體的自凈能力，達到明顯改善水環(huán)境的效果，成為感潮平原河網區(qū)水環(huán)境問題治理最常用的方法之一。生態(tài)補水和調水是利用清水、凈化后的雨水或尾水等補充河道內水量，或通過水系連通等措施改善水動力條件。國內生態(tài)補水和調水的研究主要集中于不同補水方案改善污染物濃度的效果評估，如利用MIKE 21模擬不同閘泵引水調度方案對湖泊水質的改善效果［8-9］或入海排污口污染物擴散影響情況［10］，或者利用MIKE 11模擬截污、清淤、引水、閘泵調度、水系連通等工程方案對區(qū)域河流水系的水質提升效果。長三角感潮河網區(qū)中，許益新等［11］分析張家港市三大水循環(huán)體系的水質模型模擬結果，揭示了不同引水量與河網水質改善效果、引水服務面積的響應關系；王思如等［12］通過Infoworks ICM水動力水質模擬分析水系格局、工程布局和調度方式對啟東市河網水體流動性的改善程度；陳黎明等［13］采用金川河流域一維水動力水質模型，對降低入河污染負荷、增加補水量與水質達標問題展開深入研究。珠三角感潮河網區(qū)中，李青峰等［14］以佛山北村水系為例，探討了現(xiàn)狀泵閘引水、截污清淤、增設調蓄池和新建泵閘不同方案的水質改善效果；劉培等［15］研究了水系連通工程和活水調度方案對佛山市良安水系水網水質的提升能力；蔣雪蓮［16］則探究了感潮河網水系連通和閘泵引水結合的補水活水方案對水環(huán)境的效果；黃春華等［17］研究了中山市小隱涌流域旱季和雨季的閘泵引水方案恢復河涌水質的效果；張海麗等［18］研究不同閘泵群調度方案對中順大圍的水動力變化和水質變化的影響；郭鑫宇等［19］基于水動力-水質耦合模型探究不同閘門調度策略下的水力停留時間和水質改善結果。此外，張現(xiàn)國等［20］在福州倉山龍津陽岐水系，基于EFDC模型研究了潮差引水、泵站引水方案與河道水質變化的規(guī)律。目前，感潮河網區(qū)的閘泵調度研究已較為深入，但是較少研究聚焦跨境的引水工程和閘泵調度聯(lián)合的生態(tài)補水方案效果評估，對潮位差和引水流量協(xié)同作用的研究尚不夠深入。

因此，以粵港澳大灣區(qū)珠海澳門交界的跨境河涌鴨涌河為例，考慮鴨涌河河口處典型的外海潮位情景，并結合上游生態(tài)補水工程啟閉條件變化因素，基于汛期防洪排澇、日常生態(tài)補水等不同需求，通過建立水動力水質數(shù)學模型，研究前山河-鴨涌河生態(tài)補水工程與河口水閘的聯(lián)合調度方案，為粵港澳大灣區(qū)感潮平原河網區(qū)水環(huán)境質量提升方案提供參考依據(jù)。

1研究區(qū)域

鴨涌河是位于珠海市和澳門特別行政區(qū)的跨境河涌（圖1），現(xiàn)狀河道長度2.3 km，河道寬度為25～60 m，流域匯水面積約1.1 km2，蓄水容量約為6.98萬m3，常水位（景觀水位）為0.771 m（1985國家高程基準，下同），設計高水位為2.331 m，危險水位為1.371 m，防洪（潮）標準為100年一遇。

歷史上，鴨涌河東接拱北灣、西匯灣仔水道，全線貫通，但1999年拱北邊檢口岸建設后河涌上游拱北灣處進水口被截斷，成為斷頭涌，源頭無自然來水，河涌另一端臨近前山河水道出海口，受到外海潮汐影響。澳門青州山附近填海造城以及跨境工業(yè)園區(qū)建設導致鴨涌河斷面逐漸縮窄，整體水體交換能力較差，底泥淤積嚴重，自凈能力降低，河道水環(huán)境急劇惡化（水質呈劣Ⅴ類），河涌大面積死魚等環(huán)境突發(fā)事件多發(fā)。為改善鴨涌河水質，鴨涌河靠近拱北口岸一端建設1座?。?）型引水泵站（管理部門屬于珠海，圖2），設計流量為2 520 m3/h，從前山河水道引清水至鴨涌河源頭，加快河道的水體循環(huán)速度，而鴨涌河河口處建設一河口閘站工程利用潮位差進行生態(tài)補水（管理部門屬于澳門，圖2），水閘凈寬為7 m，排澇站設計流量為14.5 m3/s。但是，目前生態(tài)補水工程與河口水閘聯(lián)合調度的方案尚未明確，如何在汛期防洪排澇調度以及在日常進行生態(tài)補水成為珠海和澳門雙方亟需解決的問題。

2鴨涌河水動力水質數(shù)學模型構建

2.1模型介紹

MIKE 11是一款全面的河流水動力學和水環(huán)境模擬軟件，應用范圍廣泛，可精確模擬平原或者城市網狀水系的流量、水位變化，另設置有水質模塊模擬氨氮、TN、TP等水質參數(shù)，且具有較為完整的水工建筑物構建模塊模擬水閘、泵站、涵洞等多種類型的水工建筑物。因此，MIKE 11適用于研究生態(tài)補水與河口水閘的聯(lián)合調度問題。

2.2模型構建

鴨涌河水動力水質數(shù)學模型通過MIKE 11的HD和AD模塊耦合搭建完成，其中，水動力模型基于一維非恒定流圣維南方程組，采用Abbott六點隱式格式離散形式進行求解，水質模型基于一維非恒定流圣維南方程組與一維對流擴散方程建立。根據(jù)鴨涌河綜合整治工程竣工圖等數(shù)據(jù)，模型共設置28個河道斷面，斷面間距為50～100 m，模型各組成部分的設置見圖3。

水動力模型的邊界設置：①由于鴨涌河口與石角咀水閘距離較近（圖1），潮位過程相似，故鴨涌河下游典型潮位采用枯水期石角咀水閘閘外潮位過程，分為大潮、中潮和小潮3個階段，該過程可通過已有研究成果［21-22］的前山河流域MIKE 11模型計算獲取，見圖4；②上游流量邊界在無生態(tài)補水情況下流量為0，有生態(tài)補水情況下流量平均為0.7 m3/s。

調度模型設置：在水動力模型基礎上，鴨涌河河口附近設置MIKE 11 SO模塊中的可控水工建筑物（Control Structures）用于模擬河口水閘?？煽厮そㄖ锬苣M溢流閘、底流閘、泵、弧形閘門等多種形式的水閘或泵站。根據(jù)河口水閘相關數(shù)據(jù)，本模型選用底流閘，設置閘底高程為-1.029 m，閘頂高程為5.211 m，閘門為1孔，閘門凈寬為7 m，閘門的最大啟閉速度為0.1 m/s。MIKE 11通過If/else的條件判斷語句實現(xiàn)調度目標。在模型中設置調度方案及其優(yōu)先度，并為調度方案設立不同調度方案的啟用條件，調度模型將根據(jù)設定的優(yōu)先級別（1為最高級，順序最后1個方案為無條件執(zhí)行方案），判斷啟用條件是否滿足，依次往下執(zhí)行其調度控制方式。

水質模型的邊界設置：采用MIKE 11模型中對流擴散AD模塊模擬水質參數(shù)的變化，該模塊通過定義不同污染物類型、擴散系數(shù)因子、初始濃度等參數(shù)。鴨涌河歷史實測資料偏少，無法準確判斷河道內污染物濃度情況，但根據(jù)現(xiàn)場查勘結果，鴨涌河水質在枯水季節(jié)較差，可設置鴨涌河河道內污染物濃度為1 mg/L，并對比聯(lián)合調度后污染物濃度數(shù)值，用于評估不同聯(lián)合調度方案的水質改善效果。

鴨涌河水動力水質模型的計算參數(shù)設置：①水動力模型主要計算參數(shù)為河道糙率，因鴨涌河河道經過綜合整治后較為平整，參照相關論文，河道糙率取值為0.028；②水質模型主要計算參數(shù)為擴散系數(shù)，因為鴨涌河流量較小，根據(jù)經驗值設定擴散系數(shù)的系數(shù)項a=10，b=1（模型推薦小溪的擴散系數(shù)為2～5 m2/s）。

由于鴨涌河水位水質監(jiān)測數(shù)據(jù)較少，難以支持模型的率定與驗證工作，故大多數(shù)參數(shù)為經驗取值或參考鴨涌河附近相似區(qū)域的參數(shù)取值。

3生態(tài)補水工程與河口水閘聯(lián)合調度數(shù)值模擬

3.1現(xiàn)有調度方案與水位-涌容曲線關系

3.1.1現(xiàn)有調度方案

鴨涌河現(xiàn)有調度方案分為汛期防洪排澇調度和日常生態(tài)補水調度（主要是枯水期）。①汛期防洪排澇調度：汛期暴雨階段，外海潮位低于0.771 m，打開河口水閘，維持鴨涌河0.771 m景觀水位；外海潮位高于0.771 m但低于涌內水位，打開河口水閘進行排水；外海潮位高于0.771 m且高于涌內水位，河口水閘保持關閉，涌內水位上漲。②日常生態(tài)補水調度：利用退潮期間，外海潮位低于涌內水位，打開河口水閘將景觀水位降至0.271 m；高潮期間開閘引入潮水，外海潮位高于涌內水位，將涌內水位恢復至0.771 m。

3.1.2水位-涌容曲線關系

通過數(shù)學模型計算可得鴨涌河水位與河涌水體容積之間的關系曲線見圖5，結合現(xiàn)有調度方案和生態(tài)補水流量等，可得生態(tài)補水歷時與水位關系曲線見圖6，水位從0.271 m恢復至0.771 m的景觀水位的容積差為2.9萬m3，若全部采用生態(tài)補水需要11.5 h。

3.2現(xiàn)有調度方案與聯(lián)合調度方案設置

3.2.1天然狀態(tài)下鴨涌河自然流量方案

為準確計算生態(tài)補水量，需要設置天然狀態(tài)下鴨涌河無調度的方案，根據(jù)水動力學模擬，鴨涌河東側潮汐相較于河口水閘外的相位提前1 h，潮位略低0.05 m。

3.2.2現(xiàn)狀調度方案

為模擬現(xiàn)狀不補水情況下僅依靠水閘調度的污染物擴散情況，設置日常生態(tài)補水調度方案、河口水閘全開方案、汛期防洪排澇調度。其中，汛期暴雨按5年一遇24 h考慮。鴨涌河集雨面僅包括珠海側邊檢公路和河道水體的面積，道路面積較小，本次僅計算河道水體面積匯流，即110 000 m2。根據(jù)澳門提供資料可知，5年一遇24 h降雨量為293mm，對應的降雨總量為3.2萬m3，在模型中設置旁側均勻入流。

3.2.3聯(lián)合調度方案

聯(lián)合調度方案主要針對于枯水期月度的日常生態(tài)補水調度，根據(jù)石角咀水閘閘外潮位過程，設置不同的補水間隔時間、補水時長等，模擬分析不同聯(lián)合調度方案下污染物濃度變化情況，計算水體完全更新率，得到最優(yōu)的生態(tài)補水聯(lián)合調度方案?，F(xiàn)有調度方案與聯(lián)合調度方案設置見表1。

3.3現(xiàn)有調度方案與聯(lián)合調度方案模擬結果分析

3.3.1天然狀態(tài)下鴨涌河流量推算

方案0的模擬結果表明，天然狀態(tài)下鴨涌河余流流向為自西向東，在一個時間周期內（大潮、中潮、小潮）的平均凈泄量為9.04萬m3/d，即1.04 m3/sgt;0.7 m3/s（生態(tài)補水平均流量），故生態(tài)補水工程不能完全恢復鴨涌河天然狀態(tài)下的流量過程。

為全面評估鴨涌河水質狀況，選取3個斷面的污染物濃度變化過程作為評價對象，斷面分別為上游YCH 0斷面、中游YCH 1200斷面、河口水閘內YCH 2300斷面（下同），由圖7可知鴨涌河水體在11 h內可完全更新。

3.3.2現(xiàn)狀調度方案水體更新率對比

方案1—3的污染物濃度變化過程（圖7）表明，在不進行生態(tài)補水情況下，方案1的鴨涌河上游段水體基本不交換，污染物濃度降低值較小，上游YCH 0斷面污染物濃度在30 d內僅降低了15%，水體更新率不足；而方案2中鴨涌河的水體更新率僅為73%，鴨涌河上游水體僅依靠河口的潮汐動力時最上游斷面流速基本為零，水流動力不足，水質容易惡化；但在汛期暴雨情況下，河道內污染物濃度在降雨條件下執(zhí)行汛期防洪排澇調度規(guī)則可降低至較低水平，水體更新率達到90%以上，無需補水。因此，鴨涌河在上游不補水情況下，按照現(xiàn)有日常補水調度規(guī)則進行調度或水閘全開均不能滿足水體更新的需求。

3.3.3聯(lián)合調度方案比選

方案4—10的污染物濃度變化過程（圖8）表明，采用生態(tài)補水與河口水閘的聯(lián)合調度能夠加速水體更新，有利于改善鴨涌河的水環(huán)境，但不同的補水時間間隔的聯(lián)合調度方案污染物濃度變化過程不同，水體更新率也不相同。每天補水8 h，水體在2 d內基本完成更新，而隨著補水間隔從1 d增加至6 d，相同時間內水體更新率逐漸降低，水體更新率達到100%的時間逐漸增加。統(tǒng)計不同補水間隔方案的水體更新率見表2，由表可得，每天補水8 h的水體更新率達到100%所需時間為50 h，但補水間隔調整為6 d后，該數(shù)值增加至483 h，增加了9.6倍，表明補水時間間隔是聯(lián)合調度方案中的重要參數(shù)之一。

方案11—15的污染物濃度變化過程（圖9和表2）表明，補水時間也是影響聯(lián)合調度方案改善水質效果的重要參數(shù)，隨著補水天數(shù)的減少，補水使水體100%更新所需時間逐漸增加，前5 d補水2 h比每天補水2 h的水體更新率達到100%所需時間增加了3倍左右。方案11—15的污染物濃度變化趨勢基本相同，在0～120 h時間區(qū)間內數(shù)值較為接近，主要區(qū)別位于120～720 h的時間區(qū)間。

不同補水時間間隔方案（方案4—10）和不同補水時間方案（方案11—15）的對比結果表明，每天補水8 h比每天補水2 h污染物濃度降低速度更快，原因是在不補水的6 h時，靠近河口水閘附近污染物由于水閘調度規(guī)則的影響，出現(xiàn)較為明顯的潮水倒流情況，導致中游和下游斷面的污染物濃度反復回升，故水體更新時間更長；此外，2種類型方案在進行生態(tài)補水后，上游斷面的污染物濃度變化趨勢基本相同，均在10 h或11 h時污染物濃度降至0且不再回升，表明生態(tài)補水能有效恢復鴨涌河斷流一端的水流動力，提高水體的自凈能力。

在實際生態(tài)補水調度中，水體更新率達到100%是較難實現(xiàn)的目標，故通常采用更有可行性的生態(tài)補水調度目標，如在一定時間段內污染物濃度降低至某一閾值，該閾值通常與河流的生態(tài)流量、水質要求等相關。鴨涌河作為跨境河涌，除了在枯水期維持河道內水位達到景觀水位外，還需保證河道水質達到Ⅳ類或Ⅳ類以上，維持河道水體的自凈能力。因此，根據(jù)鴨涌河現(xiàn)狀水體水質狀況，鴨涌河水體更新率達到75%左右可實現(xiàn)河道水質目標。聯(lián)合調度方案的使用費用是實際工程運用中考慮的重要因素，生態(tài)補水工程以及水閘啟閉等均消耗一定的電能，但生態(tài)補水工程的泵站啟用所需電能遠大于水閘啟閉，故聯(lián)合調度方案的使用費用約等于泵站啟用所需電費（泵站啟用的功率為150 kW，電價設定為0.9元/（kW·h））。因此，綜合考慮水質目標和費用情況，建立綜合評價指數(shù)見式（1），指數(shù)越小，說明性價比越高，得到各個補水方案的綜合對比見表3。由表可得，方案14綜合評價指數(shù)最低，為17.42（h·萬元），故最終選用方案14，補水時間為前5 d補水2 h，補水頻率為每個月10 h，所選取的3個典型斷面的污染物濃度均在120 h內基本降低至25%以下，能較好維持鴨涌河的水質狀況。

I=H·C（1）

式中：H為水體更新率達到75%所需的時間，h；C為泵站啟用所需電費，萬元；I為綜合評價指數(shù)，h·萬元。

為進一步分析綜合評價指數(shù)與鴨涌河的不同典型斷面進出水量之間的關系，選取方案4—15的河流源頭（斷面里程為0）、河流中段（斷面里程為1 200）和河口處（斷面里程為2 300）3個典型斷面的進出水量進行統(tǒng)計分析。根據(jù)圖10可知：①不同典型斷面的進出水量也呈正比關系，大小關系為河口處gt;河流中段gt;河流源頭，不同補水方案河口處、河流中段、河流源頭的進出水量平均倍比關系為2.07∶1.75∶1.00，表明河流源頭進出水量明顯低于河口處，水體更新動力不足；②進一步分析不同補水方案的進出水量倍比關系，發(fā)現(xiàn)河流中段與河流源頭進出水量比值、河口處與河流源頭進出水量比值均與綜合評價指數(shù)呈反比關系；③不同補水方案的綜合評價指數(shù)與典型斷面的進出水量呈正比關系，表明斷面的進出水量受到補水時間的正向影響，補水時間越長，斷面的進出水量越大，水體整體混合更充分，但各方案水體更新率均達到河道水質目標。

4結論

鴨涌河是位于粵港澳大灣區(qū)珠海市和澳門特別行政區(qū)的跨境河涌，其水環(huán)境狀況與兩岸人民的生活幸福感緊密相關，構建科學的生態(tài)補水調度方案，是貫徹落實《粵港澳大灣區(qū)水安全保障規(guī)劃》、鞏固鴨涌河的水環(huán)境治理成效的重要舉措，對提高兩岸人民的幸福感具有重要的意義。

通過模擬鴨涌河在不同情景下天然狀態(tài)方案、現(xiàn)狀調度方案和聯(lián)合調度方案的污染物濃度變化情況，綜合考慮了水質目標和費用情況，詳細地評估了鴨涌河生態(tài)補水調度方案改善水質的效果，得到以下結論：①不補水情況下，僅通過河口水閘調度，鴨涌河上游段水動力條件不佳，水體交換動力不足，污染物濃度難以降低，水質容易變差，因此，鴨涌河生態(tài)補水工程對改善水環(huán)境是十分必要的；②預報未來24 h降雨量超過293 mm時，可以停止補水；③通過生態(tài)補水，結合河口水閘調度，能有效加快河道水體更新，且前5 d補水2 h，水質改善效果較好，所需電費較低，綜合評價指數(shù)最優(yōu)；④不同補水方案的綜合評價指數(shù)與典型斷面的進出水量呈正比關系，但河流中段與河流源頭進出水量比值、河口處與河流源頭進出水量比值均與綜合評價指數(shù)呈反比關系。

因此，鴨涌河現(xiàn)狀日常補水調度方案中，可結合河口水閘調度在枯水期月內前5 d補水2 h，提升水環(huán)境，原則上可一周完成一次補水換水，具體可視水質變化趨勢、氣象條件、工程運行維護計劃等實際情況綜合確定并適時調整。

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（責任編輯：李燕珊）