（环境工程专业论文）西南水闸改建对西南涌及广州西部饮用水源水质的影响研究.pdf

中山大学硕士学位论文 佛山西南水闸改建对西南涌及广州西部饮用水源水质 的影响研究 专业：环境工程 硕士生：郭静翔 指导教师：李适宇 摘要 西南涌属于北江下游大堤左岸的分洪河道。西南涌汇入广州珠江西航道约 1 0 公里范围内存在有江村水厂、石门水厂、西村水厂三个自来水厂的饮用水源 地，因此，西南涌水质的优劣直接影响着下游广州市珠江西航道饮用水源的水质。 西南水闸重建后，通过调节西南水闸闸孔的开度，引入北江水进行河涌整治， 将导致西南涌上游污染物向下游迁移，同时但涨潮时关闸门，不让污染较严重的 西南涌水进入北江。由于下游珠江口河水的上溯，上下游河水交汇处河水流速最 小，污染物的交换能力最弱，导致污染物的最大浓度沉积。本研究将应用珠江口 一维感潮河网模型，模拟分析在水环境容量较小的平、枯水期，西南水闸闸底高 程现状降低至0 5 m 引水，对西南涌下游和广州市西部饮用水源水质的影响范围 和程度；从水环境效果的角度出发，计算不同的引水方案( 闸底高程0 5 m 三孔 引水、闸底高程升高0 5 m 中孔引水) 对水质的影响程度，提出最佳引水方案和 河涌整治措施建议。 本研究利用区域感潮河网水环境模型研究局部河道水利工程对整个区域的 正负面环境影响，考虑了区域河道整治可能引起的跨区域环境问题，提供了在更 广范围评价水利工程环境影响的方法。以典型河涌西南水闸闸底高程降低引水对 广州市西部重要饮用水源的影响为研究范例，为我国河涌整治工作的开展提供实 践参考。 但是本论文也有需要进一步发展的地方。例如，河网模型中未考虑引水导致 河床淤泥污染物的释放对水质的影响；西南水闸重建后，研究区域内水系直在 进行着河涌整治和截污，导致下游河段河底高程和污染物的排放量的变化，使预 测结果与实际监测结果存在一定的差异。 关键词：西南水闸，引水，广州西部饮用水源，一维感潮模型，水质影响分析 中山大学硕士学位论文 i m p a c to f f o s h a nx i n a n c h o n gsl u i c er e c o n s t r u c t i o n o nd r i n k i n gw a t e rs o u r c eq u a l i t yo fg u a n g z h o u m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a r n e ：g u oj i n g x i a n g s u p e r v i s o r ：l is h i y u a b s t r a c t x i n a n c h o n gi st h ef l o o d w a yi nt h el e f tb a n ko ft h en o r t hr i v e rd o w n s t r e a m 1 1 1 c r ea l e3d r i n k i n gw a t e rs o n r c 2 so fw a t e rp l a n t si n1 0k i l o m e t e r sa r o u n dt h ea r e a w h e r ex i n a n e h o n gi m p o r tt h ew e s tc h a n n e lo fg u a n g z h o up e a r lr i v e r t h e ya 他 j i a n g c u nw a t e rp l a n t , s h i m e nw a t e rp l a n t , x i e u nw a t e rp l a n t t h e r e f o r e ，w a t e r q u a l i t yo fx i n a n c h o n gd i r e c t l ya f f e c t st h eq u a l i t yo fd r i n k i n gw a t e rs o u r c e sa l o n g t h e w e s tc h a n n e lo ft h ed o w n s t r e a mo ft h eg u a n g z h o up e a r lr i v e rw a t e r b ya d j u s t i n gt h ex i n a n c h o n gs l u i c eo p e n i n gh o l e ，i n t r o d u c t i n gt h en o r t hr i v e rt o r e g u l a t et h es u r g ew a t e r , w i l lr e m o v et h ep o l l u t a n t sf r o mu p s t r e a mt od o w n s t r e a mo f t h es o u t h w e s ts l i u s e ，a n dp o l l u t a n t sw i l lr e s u l ti nt h eg r e a t e s tc o n c e n t r a t i o n , b e c a u s e t h ed o w n s t r e a mo fp e a r lr i v e rf l o wu p s t r e a m , t h ew a t e rf l o w ss m a l l e s ti nt h e i n t e r c h a n g e so fu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a m , a n dt h ee x c h a n g ec a p a c i t yo fp o l l u t a n t s a c h i e v e st h ew e a k e s t i nt h i ss t u d y , o n e - d i m e m i o n a lt i d a lm o d e lo ft h ep e a r lr i v e r e s t u a r yi su s e dt os t i m u l a t et h ee x t e n t i o na n dd e g r e eo fp i l o t a g ea f f e c t i n gw a t e r q u a l i t yo fs o u t hw r e s ts l i u c ea n dt h ew e s td r i n g k i n gw a t e ro fg u a n g z h o u , w h e nt h e w a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yi si nn o r m a l - w a t e rp e r i o do rl o w - w a t e rp e r i o d ，a n dt h e b o t t o me l e v a t i o no fx i n a n c h o n gs l u i c ed o w nt o 0 5 m ，n l i sp a p e ra l s or e s e a r c h e sh o w t h ep i l o t a g ep r o g r a m m e ( t h eb o t t o me l e v a t i o no fs l u i c ei s 一0 5 ma n dp i l o tf r o m3h o l e s ； t h eb o t t o me l e v a t i o no fs l u i c er i s e0 5 ma n dp i l o tf r o mm i d d l eh o l e )a f f e c t i n gt h e w a t e rq u a l i t yf r o me f f e c t i v e n e s so fw a t e re n v i r o n m e n t , a n db r i n gf o r w a r dt h eb e s t p i l o t a g ep r o g i a l t l l n ea n dm a n a g e m e n tp r o g r a mo rs l u i c e i nt h i ss t u d y , t h er e g i o n a lt i d a lr i v e rn e t w o r km o d e lo fw a t e re n v i r o n m e n ti nf i v e r w a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c to nt h ee n t i r er e g i o no fl o c a lp o s i t i v ea n dn e g a t i v e e n v i r o n m e n t a li m p a c t s ，t a k e ni n t oa c c o u n tr e g i o n a lr i v e rr e g u l a t i o nm a yl e a dt o c r o s s r e g i o n a le n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s ，a n dp r o v i d e dab r o a d e ra s s e s s m e n to f e n v i r o n m e n t a li m p a c t so fw a t e rp r o j e c tm e t h o d s 【et h i sr e s e a r c ht h a tt h eb o t t o m e l e v a t i o no fx i n a n c h o n gs l u i c ep i l o t a g ea f f e c t i n gt h ew a t e r q u a l i t yo ft h ei m p o r t a n t d r i n g k i n gw a t e ri nw e s to fg u a n g z h o ua sa ne x a m p l e i th a sg r e a tr e f e r e n c ev a l u ea n d p r o v i d e sp r a c t i c a li n f o r m a t i o nt os u r g em a n a g e m a n t h o w e v e r , t h i ss t u d ya l s on e e df u r t h e rr e s e a r c h f o re x a m p l e ，t h er i v e rn e t w o r k m o d e ld i dn o tc o n s i d e rt h ed i v e r s i o nl e dt ot h er e l e a s eo fp o l l u t a n t si nr i v e rm u da n d a f f e c tw a t e rq u a l i t y 1 1 l er e s e a r c h e da r e ah a sb e e nc o n d u c t i n gaw a t e ra n ds e w a g e i n t e r c e p t i o nr i v e rr e g u l a t i o n ，r e s u l t i n gi nd o w n s t r e a mr i v e r b e de l e v a t i o na n d c h a n g e si nt h ee m i s s i o no fp o l l u t a n t s ，s ot h e r ea l es o m ed i f f e r e n c e sf r o mt h er e s u l t s 中山大学硕士学位论文 p r e d i c t e da n da c t u a lm o n i t o r i n gr e s u l t s k e y w o r d s ：x i n a n c h o n gs l u i c e ，p i l o t a g e ，t h es o u r c eo fd r i n k i n gw a t e ri nw e s to f g u a n g z h o u ，o n e - d i m e n s i o n a lt i d a lm o d e h ，w a t e rq u a l i t yi m p a c ta n a l y s i s 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：却萄抑 日期：p l d 年6 月i o 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 保密论文保密期满后，适用本声明。 中山大学硕士学位论文 1 1 研究背景及选题意义 第一章绪论 西南涌属于北江下游大堤左岸的分洪河道。起点位于佛山市三水区的西南水 闸，向东流经三水高丰，在南海区官窑附近与芦苞涌汇合，经里水、和顺等镇， 在广州鸦岗附近与流溪河汇合后注入珠江，全长4 1 6 k i n 1 1 。西南涌汇入广州珠江 西航道约1 0 公里范围内存在有江村水厂、石门水厂、西村水厂三个自来水厂的 饮用水源地，因此，西南涌水质的优劣直接影响着下游广州市珠江西航道饮用水 源的水质，见图1 1 。 1 1 1 西南涌河涌整治背景 随着广东省经济的快速发展，污染物的产生量日渐增多，对水环境带来巨大 压力。2 0 0 2 年1 0 月，广东省委、省政府召开了珠江综合整治工作会议，省政府 与流域各市政府签订了珠江整治责任书，并批准实施了广东省珠江水环境 综合整治方案；提出了珠江综合整治目标一一年初见成效，三年不黑不臭， 八年江水变清”。 根据广东省委、省政府关于加强珠江综合整治工作的决定和佛山市政府 佛山市珠江环境综合整治实施方案等文件精神，佛山市三水区政府于2 0 0 2 年1 2 月签订的珠江水环境综合治理目标责任书中将西南涌列为珠江综合治理的 组成部分。西南涌为北江的主要支流之一，是佛山市和广州市间相互贯通的重要 河流，受珠江潮汐的影响，为感潮河流，潮型属不规则半日潮，西南涌水质的好 坏直接影响着下游广州市西部河流的水质。据三水区2 0 0 3 年的监测资料表明， 西南涌部分水质监测因子已超出地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) i v 类 标准的要求 2 1 ，由于沿岸排污量的增大，水质有逐步恶化的趋势，所以，西南涌 水环境的综合整治迫在眉睫。 为改善西南涌的水质，广东省北江大堤管理局、佛山市水利局、三水区水利 局和环保局等相关部门对西南涌及沿线各河涌( 如大棉涌、乐平涌、左岸涌、芦 “帮犁外-g扑丌1 中山大学硕士学位论文 苞涌等) 采取了一系列的综合整治措施。包括有大棉涌综合整治工程( 石基头弓l 水涵重建、鸭咀岗泵站重建、涌道整治工程、景观规划、大棉电排站重建) 、乐 平涌综合整治工程( 涌道整治、海洲水闸重建等) 、左岸涌综合整治工程( 全线 清淤、修建水闸等) 、芦苞涌综合整治工程( 修建水闸等) 、西南涌主干的整治工 程( 西南水闸引水、城区段首期工程、城区段二期工程、西南涌下游堤段加固工 程、西南涌城区段石栏杆制作与安装工程等) 。 1 1 2 西南水闸重建的主要背景 西南水闸位于北江大堤下游与佛山市三水区西南涌交汇处，用于控制北江洪 水流入该涌的流量，以减少广州及沿河涌两岸地区的洪水灾害。 北江为珠江三大干流之一，主干位于广东省北部，其上游浈江发源于江西省 信丰县石碣，与武水会流于韶关后称北江，在三水区的思贤窖与西江相通，汇入 珠江三角洲网河，主流由虎门出海。思贤窖以上流域面积为4 6 7 1 0 k m 2 ( 广东省 境内4 2 9 3 0 k m 2 ) ，干流总长4 6 8 k m t 。北江大堤位于北江下游左岸，由数个堤段 组成，北起清远市石角镇骑背岭，沿北江支流大燕河及北江干流南下，经清远市 石角镇，三水区大塘、芦苞、黄塘、河口和西南街道，至南海市小塘镇狮山止， 总长6 3 3 4 k m ，是构成广州市和珠江三角洲地区防洪体系的核心建筑物。西南、 芦苞两涌是位于北江下游大堤左岸的两条分洪河道，设计分洪流量分别为 1 1 0 0 m 3 s 和1 2 0 0 m a s t 。两涌是北江大堤防洪体系的重要组成部分，其河道整治 和堤防加固既是保障分洪的要求，又关系到广州市的花都区、白云区和佛山市的 南海区、三水区的防洪安全。 西南水闸( 北江大堤西南堤段桩号5 2 + 7 4 2 ) 建成于1 9 5 7 年4 月，原洪水标 准按西江2 0 0 年一遇与北江1 0 年一遇的洪水相遇，闸前设计水位为9 8 8 m ，闸 身段长1 7 m ，闸孔净宽l o m ，9 孔，每孔高4 m ，底坎高1 8 m ，闸总宽1 0 6 m ， 闸门为弧形钢闸f - jr 4 。1 9 8 3 年 - - 1 9 8 7 年期间对水闸进行了加固，按西江2 0 0 年 一遇，与北江1 0 0 年一遇的洪水相遇，闸前水位1 1 1 3 m 、闸底高程1 8 0 m ，分洪 流量1 1 0 0 m a s 1 3 。西南水闸自1 9 5 7 年建成运行以来，未经受设计洪水考验，1 9 9 4 年6 月2 4 日闸前最高洪水位仅为9 3 6 m ，尚未达到2 0 年一遇洪水标准9 9 3 m ， 水闸已经出现了以下险情，右侧翼墙管涌绕渗严重，水闸地基透水严重，排水反 3 中山大学硕士学位论文 滤孔冒沙，消力池地板掏空下沉，闸前淤积严重以及闸下游右岸挡墙塌陷等【5 】。 此外，还有闸室木桩承载力不够且腐蚀严重、露天布置的启闭机经4 0 多年的风 吹雨淋导致机电设备老化、金属构件锈蚀、闸墩及工作桥交通桥砼因碳化引起钢 筋锈蚀等问题，这些都危及到闸室的安全【4 l 。 同时，由于近年来北江上游兴建水库和下游无序大量采沙，造成来沙量减少， 北江河床下切严重，西南闸前水位近年来明显下降，原水闸1 8 0 m 的闸底槛高程 在枯水期基本不进水。根据广州市人民政府穗府函 2 0 0 2 1 3 号文：关于恢复北江 引水改善“两涌一河”水环境问题的函中反映：在正常情况下，西南涌已无北江 清水流入，航道断绝，两岸农田灌溉旱情时有发生，平时因无造床流量通过，河 道淤积，人为设障严重。以西航道为水源的江村、石门、西村三间水厂，供水能 力占广州市总供水的6 2 5 ，折合供水流量2 5 7 m 3 s 。西航道鸦岗站保证率p = 9 0 的枯水流量为1 2 8 m 3 $ ，可以看出自来水水源缺口仍较大；而因上游来水不 足，导致下游污水上溯，污染了取水口，其水质已不能满足水厂水源的要求，枯 季多数河涌水质发黑发臭，周边环境十分恶劣 3 1 。根据广州市水环境功能区划， 广州市饮用水源保护区的分布情况见图1 2 。 2 0 0 2 年1 月3 1 日，广东省水利厅在北江大堤管理局主持召开了北江大堤西 南水闸重建工程初步设计方案的研讨会，会后下发了北江大堤西南水闸重建工 程初步设计方案研讨会会议纪要( 广东省水利厅工作会议纪要2 0 0 2 年第2 期) 。 会议纪要中要求对西南水闸进行重建，西南水闸在满足分洪功能的情况下，应当 兼顾引水入西南涌解决农业灌溉及改善水环境等的需要，有条件时宜尽量考虑自 流引水。 因此，作为北江大堤的穿堤涵闸，一方面存在的问题若不进行处理，势必严 重影响北江大堤防洪调度和堤防的安全，直接影响和威胁着广州地区的防洪安 全；另一方面，在加强对水污染治理和有效控制的同时，根据北江河床下切状况， 适当降低闸底板高程，改善自流水条件，使西南涌内经常有水流动，改善水环境， 以满足两岸农田灌溉用水及下游城市供水增长的需求。 1 1 3 选题意义 西南水闸重建工程完成后，闸底高程降低，在北江水位高于西南涌闸内水位 4 中m 人芈t 学论i 中山大学硕士学位论文 时自行引水，从而稀释了河水中污染物浓度，加快了西南涌水体向广州市西部饮 用水源( 珠江西航道) 方向流动，但涨潮时关闸门，不让污染较严重的西南涌水 进入北江，因为北江是饮用水源。这样会产生两个效果：一是改善西南涌的水质， 二是由于西南涌的水被输送到下游，可能使得西南涌下游和广州市西部饮用水源 的水质变差。 西南水闸环境影响评价报告广东省北江大堤加固达标工程环境影响只对 西南水闸和芦苞水闸重建后对下游三角洲洪水过程的水质影响进行分析，没有分 析西南水闸引入北江水在平水期和枯水期造成的污染物转移，对下游水质的影响 程度。 考虑到西南涌为跨城市管理辖区的河流，其下游的广州市西部水源的高度敏 感性，必须对西南水闸重建的影响作出更为深入的分析研究。本论文拟采用数学 模型的方法，综合分析西南水闸闸底高程降低后( 平水期和枯水期) 对下游水环 境质量的影响程度，采用多方案比较论证的方式，为以后有关水闸引水整治河涌 水质方面的研究开拓新的思路。 1 2 国内外的研究现状 人类社会经济的发展在开发利用水资源的同时，对水环境也会产生负面影 响。1 8 世纪产业革命以来，特别是近半个世纪以来，世界人口剧增，灌溉农业 扩大，工业化和城市化发展，城乡居民生活水平提高，人类社会对水的需求急剧 增长。同时由于城乡污水大量排放，地表水和地下水源不断受到污染，可供人类 利用的水源日益短缺。部分地区出现了河道断流，湖泊干涸，地下含水层接近疏 干，地面下沉，生态环境不断恶化等问题。因此，水环境问题已引起全世界的普 遍关注。 1 2 1 河涌综合整治国内外的研究发展现状 人类社会经济的发展在开发利用水资源的同时，对水环境也会产生负面影 响。1 8 世纪产业革命以来，特别是近半个世纪以来，世界人口剧增，灌溉农业 扩大，工业化和城市化发展，城乡居民牛活水平提高，人类社会对水的需求急剧 增长。同时由于城乡污水大量排放，地表水和地下水源不断受到污染，可供人类 6 中山大学硕士学位论文 利用的水源日益短缺。部分地区出现了河道断流，湖泊干涸，地下含水层接近疏 干，地面下沉，生态环境不断恶化等问题。因此，水环境问题已引起全世界的普 遍关注。 对河流水环境的综合整治，国外较我国要早。上个世纪，西方发达国家经历 了城市河流严重污染再到水质恢复的阶段，国外的研究学者开发了很多富有成效 的河流治理技术【4 】。河涌综合整治，按照作用原理，目前国内外己经研究和应用 的污染河道水体净化技术主要可以分为物理、化学和生物一生态法三大类【5 】。 ( 1 ) 物理法 污染河道水体的物理净化技术主要有清淤疏浚、曝气、机械除藻、调水等。 河道曝气方式是由于河流受到污染后缺氧，通过人工向水体充入空气或氧 气，提高水体中溶解氧的量，恢复和增强水体中好氧微生物的活力，加快了有机 污染物的降解，从而改善了河涌的水质 4 1 。河道曝气方式一般采用固定式充氧站 和移动式充氧船 c - s 。2 0 世纪五六十年代起，英、德、美等发达国家就开始利用 河道曝气技术治理河道污染。英国的t h a m e s ，德国的r u h r 、e n s h c e r 与s a a r 河， 澳大利亚的s w a n 河、c a n n i n g 河和美国的h o m e w o o d 等河流就先后利用河道曝 气技术明显的改善了河流的水质【9 ，一0 1 。美国为了改善进入c h e s a p e a k e 海湾的 h a m e w o o d 运河的水质，1