基于水量水质联合调控的中顺大围水量调控模拟研究

基于水量水质联合调控的中顺大围水量调控模拟研究

1城市河道水环境问题随着珠江三角洲经济的快速发展，河网区的水环境逐年恶化。在20世纪80年代和2004年代，中国的全球经济增长了20%，但由于经济的快速发展，该地区的水文环境发生了显著变化。珠江三角洲河网区为典型的感潮河网,受潮流和径流的双重作用,污染物在河网区往复流荡,停留时间长,使得污染物的降解跟不上排放,造成污染物的积累,大量消耗水体中的溶解氧,形成恶性循环。同时,为了保护主干河道的水质,城市大规模的筑闸设泵,人为的改变了城市内河与外河的天然联系,阻断了主干河道和城市内河的水体的自然交换,进一步恶化了水环境。随着生活水平不断改善和提高,全社会对水环境质量的要求越来越高,优质的河网自然环境可以为城市提供最佳生活环境及人文内涵要素,改善、保持、提高河网水环境是河网地区可持续发展的重要任务。河网地区水环境常见问题有污染源控制力度不足、水污染严重、治理手段单一与水体交换缓慢。城市河道水环境综合治理包括减污、增容和生态修复等几个方面,其中,治理污染源、减少污染物排放量是根本途径,而引调清水以提高水体的同化自净能力、增加水环境容量则是一项迅速改善水质的重要且可行的措施,如太湖流域管理局采取“引江济太”调水试验,改善了太湖水质;福州市内河通过水闸控制由纳潮冲刷河道稀释水质解决内河污染;苏州市在截污、治污、河道整治的同时,调整工程措施,合理调度换水,营造良好的河流水景。本文以水质水量联合调控为核心,结合河网地区水利设施,建立河网地区水质水量调控模型,研究珠江三角洲中顺大围水环境引水调控措施与实施效果。研究结果表明:通过科学调度泵站及节制闸等水利工程措施,建立河涌与外河互通可控的水网体系,可加快水体循环,逐步改善水环境。本文的研究可为珠江三角洲地区河涌整治方案的制定提供决策参考,也可为其它感潮河网地区引调清水工程的实施提供借鉴。2潮汐河网的水量调节数学模型2.1流量模型2.1.1基于普通式流水量模型的一维能力模型采用描述河道非恒定流的一维圣维南方程组。连续方程动量方程式中:z为断面水位,m;Q为流量,m3/s;A为河道的过水断面,m2;g为重力加速度,m2/s;B为过水宽度,m;q为单位长度的旁侧入流量,m3/(m·s);R为水力半径,m;c为谢才系数,c=R1/6/n;n为糙率系数;x、t为位置和时间坐标。本文采用四点加权Preissmann隐式差分格式离散圣维南方程组式(1)和式(2),求解一维河网非恒定流水量模型的数值方法很多,其中三级联解法最为常用。该算法将河网分成微段、河段、节点三级,逐级处理,再联合运算,具体的计算过程及边界处理方法见文献9~10。2.1.2特殊河道追踪处理水闸控制的河段由于河道水力特性的突变,导致圣维南方程组不再适用,此时必须根据其水力特性进行特殊处理,这种处理就归结于特殊河道追赶系数的求解,其求解的具体过程见文献,对于有泵站抽引水河段,其内边界类型作为集中旁侧出入流处理。2.2节点回代量计算水质计算采用一维对流扩散输移方程:河道方程式中:EX为纵向分散系数,m2/s;C为水流输送的物质浓度,mg/L;Ω为河道汊点—节点的水面面积,m2;j为节点编号;i为与节点j相联接的河道编号;SC为输送物质浓度有关的衰减项,SC=Kd×A×C,Kd是衰减因子,s-1;SB为外部的源或汇项,g/(s.m)。采用隐式差分迎风格式将式(4)离散,根据感潮河流流向顺逆不定的特点,将水流分顺流向流动、逆流向流动、河道两端向中间流动、河道中间任意河段向两端流动等4种情况递推出河道方程,然后利用河道方程、边界条件、节点连接条件形成节点方程,解得节点水质后,将其回代河道方程求得各断面的浓度值。限于篇幅,具体的求解方法见文献,这里不再赘述。2.3河道水质模拟将上述模型用于闸泵联合调度引水下中顺大围水质改善效果研究。中顺大围西临古镇水道、西海水道、磨刀门水道,北面为东海水道,小榄水道顺东面接横门水道入海,由于中顺大围及其相关联河道是西北江三角洲网河区的主体部分,而网河受上游来水和河口潮流的共同作用,其水流及污染物在各汊河中贯流并交互影响。为此,需将整个西北江三角洲网河水系作为一个完整的系统进行模拟(下简称“大范围模拟”),水流计算范围见图1。同时,为了更细致地分析引水方案实施前后的水动力学特征及水质改善效果,在“大范围模拟”的基础上对中顺大围进行水质模拟。大范围的模拟上游边界取为北江的石角、西江的高要、流溪河的老鸦岗水文(位)站,下游边界取为黄埔(珠江广州河段)、三沙口(沙湾水道)、南沙(焦门水道)、万顷沙西(洪奇沥)、横门(横门水道)、灯笼山(磨刀门水道)、黄金(鸡啼门水道)、黄冲(崖门水道)、西炮台(虎跳门水道),西北江三角洲河网区概化后有内河道141条、外河道13条;内节点94个,外节点13个;断面754个,断面间距为500~2500m不等。上游入口断面石角和高要采用实测流量过程作为边界条件,其它控制断面采用实测水位过程作为边界条件。河道基本地形资料采用1999年实测航道图划分断面,按断面地形摘录断面各点起点距、河底高程,统一为珠江基面。水质模拟的范围为东河水闸、凫洲水闸、沙口水闸、横海水闸、鸡笼水闸、滨涌水闸、西河水闸、拱北水闸、白濠头水闸等边界组成,其水质模拟水系概化见图2。同时,根据内河涌集水范围及现状污水处理厂布局,将中顺大围的入河排污口概化成9个。由于中顺大围的污染为耗氧型有机污染,因此,选择COD作为模拟因子。河涌水质边界按照引水河道的现状水质确定,磨刀门水道、均安水道、西海水道水质较好,按地表II类水标准(COD为15mg/l)赋值,即凫洲水闸、白濠头水闸、东海水闸、拱北水闸的COD为15mg/l,其他边界参照引水河道现状水质,按地表III类水标准(COD为20mg/l)赋值。各河涌的背景值根据河涌实测水质资料,给定各河涌的初始水质浓度。2.4计算模型与算法以1999年12月16日14:00~24日16:00的西北江三角洲同步水文测验资料进行模型参数率定,上游边界石角、高要采用实测流量过程,下游边界采用同期实测潮位过程。根据多个单位已有的研究成果,珠江三角洲的河床糙率范围为0.016~0.035,选取容奇和南华作为模型的验证站点,以与计算时刻同步监测(2001年2月7~15日)的观测流量和水位资料对计算结果进行验证。验证结果见图3,计算值和实测值拟合较好。3引水配置值的模拟3.1洪水调控措施珠江三角洲中顺大围的河涌水环境容量小,自净能力差,水质污染较为严重,围内河涌中约半数以上已受污染,部分河涌水质已达到或超Ⅴ类水质标准。围内河渠纵横,水闸及泵站的建设完善,应利用贯穿围内的主要排涝河道与闸泵联合调控,从上游水闸引入大量外江水,经下游水闸排入外江,改善围内水环境。引水调控的目的为引入清洁的外江水,加强河涌水动力能力,提高河涌水的自净能力,缓解河涌水质污染状况。由凫洲水闸、西河水闸、东河水闸的人工控制,辅以白濠头水闸、石龙水闸、横海水闸引水,通过围内主要水体运行通道,对石岐河河网进行稀释和推送,将河网水体由东河排入横门水道,将内河涌由双向流变为单向流,形成由西向东的单向流,最终河涌水流排往横门水道,制定了枯水期调度方案。调控方案见表1。凫洲水闸、沙口水闸、横海水闸、鸡笼水闸、滨涌水闸、西河水闸、拱北水闸、白濠头水闸等调控原则为水流只引不排。涨潮期间,当外江潮水位高于内河水位时,开闸引水;退潮期间,当外江潮水位低于内河水位时,关闸挡水。东河水闸的调控原则是水流只排不引,以水闸自排为主。当外江潮水位低于内河水位时,开闸排水;当外江潮水位高于内河水位时,关闭东河闸。鸡笼、白濠头、西河泵站维持外江引水的运作。方案计算选枯水期截污前后进行计算,截污后方案计算从0时开始。3.2枯水期洪水调控截污前后各断面水体差异及水体截污效果在内河涌网河设置8个监控断面分布见图2所示。在枯水期,经过36h引水调控后,截污前各断面的水质都能达到水质目标Ⅳ类水质标准,截污后断面1(横琴海)的水质由Ⅴ类水质到接近Ⅲ类水质;断面2(北部排洪渠)的水质由劣Ⅴ类到接近Ⅲ类水质;断面3(中部排洪渠)的水质由Ⅴ类到Ⅳ类水质标准;断面4(十六顷排灌渠)的水质由Ⅴ类到Ⅳ类;断面5(东部排洪渠)的水质由劣Ⅴ类接近Ⅲ类水质;断面6(浅水湖)的水质由Ⅴ类到Ⅲ类水质;断面7(石歧河)的水质由Ⅴ类到Ⅳ类;断面8(石歧河)的水质由Ⅴ类到Ⅲ类。调控效果见图4、表2。枯水期的引水调控,在36h后内河涌的水质在截污前能由劣Ⅴ/Ⅴ类水质改善到Ⅳ类水质,截污后能改善到Ⅲ/Ⅳ类水质。各代表性断面水质在引水调控背景下截污前后的变化情况见表2所示。枯水期引水调控36h后,截污前各断面水质改善程度在25.3%~48%之间,各断面的水质平均改善程度为36.6%,而截污后各断面水质改善程度在39.3%~57.8%,各断面的水质平均改善程度为48.4%,由此可见通过引水调控后内河涌各断面的水质明显好转,同时引水调控截污后的水质改善效果明显好于引水调控截污前的水质改善效果。截污前后断面3、断面5~7模拟结果出现COD浓度突然增大的过程,这是因为在截污前是因为上游污染物随着水动力的作用快速输移至下游。在截污后是因为引入的水体的水质不一致所致,同时内河涌的水体与外江水体未充分稀释就快速冲到下游。通过引水调控,在截污前,各代表性断面的水质能达到水质目标,在截污后,各代表性断面的水质都能达到水质目标,部分断面处优于水质目标,而且各代表断面的水质浓度在截污后有明显下降。在枯水期对河涌污染源进行整治,实施引水调控措施可以明显改善河涌水质。通过水闸、泵站等水利措施的联合调控,引外江水入内河涌,并通过河涌水动力的作用将内河涌的水体排出,进行水体置换,并对内河涌截污可以起到明显改善内河涌水质的效果。因此要改善围内整体水环境,一是必须截污;二是加大引水量;三是通过河涌整治,疏通水体流动通道;四是科学调度。即就是在截污的前提下,通过科学调度泵站及围内节制闸,从上游引入大量外江清水入河涌,抬高内河水位,加快水体循环,逐步改善围内水环境。4联合调控措施珠江三角洲河网地区河道纵横,社会经济发展快速,大量未处理的污(废)水排入河涌,造成河涌涌容缩减、水质恶化,河涌的防汛、灌溉、交通、生态功能逐渐衰退。同时三角洲网河区水流异常复杂,既受上游径流的影响又受浅海潮波的影响,是一种周期性的往复流。利用河网地区建设的许多水闸、泵站等水利设施,通过水利设施联合调控措施,变往复流为单向流,这样可以保证上游水体不受潮流顶托,加快下泄速度,同时增加水体的稀释和自净的作用,形成良性循环。本文研究表明,在截污后枯水期实施引水调控36h后,河涌水质都能达到水质目标,部分河段处优于水质目标。即通过科学调度站及围内节制闸,从上游引入大量外江清水,抬高内河