基于水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控的中順大圍水量調(diào)控模擬研究

基于水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控的中順大圍水量調(diào)控模擬研究

1城市河道水環(huán)境問題隨著珠江三角洲經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，河網(wǎng)區(qū)的水環(huán)境逐年惡化。在20世紀(jì)80年代和2004年代，中國的全球經(jīng)濟(jì)增長了20%，但由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，該地區(qū)的水文環(huán)境發(fā)生了顯著變化。珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)為典型的感潮河網(wǎng),受潮流和徑流的雙重作用,污染物在河網(wǎng)區(qū)往復(fù)流蕩,停留時(shí)間長,使得污染物的降解跟不上排放,造成污染物的積累,大量消耗水體中的溶解氧,形成惡性循環(huán)。同時(shí),為了保護(hù)主干河道的水質(zhì),城市大規(guī)模的筑閘設(shè)泵,人為的改變了城市內(nèi)河與外河的天然聯(lián)系,阻斷了主干河道和城市內(nèi)河的水體的自然交換,進(jìn)一步惡化了水環(huán)境。隨著生活水平不斷改善和提高,全社會對水環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高,優(yōu)質(zhì)的河網(wǎng)自然環(huán)境可以為城市提供最佳生活環(huán)境及人文內(nèi)涵要素,改善、保持、提高河網(wǎng)水環(huán)境是河網(wǎng)地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)。河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境常見問題有污染源控制力度不足、水污染嚴(yán)重、治理手段單一與水體交換緩慢。城市河道水環(huán)境綜合治理包括減污、增容和生態(tài)修復(fù)等幾個(gè)方面,其中,治理污染源、減少污染物排放量是根本途徑,而引調(diào)清水以提高水體的同化自凈能力、增加水環(huán)境容量則是一項(xiàng)迅速改善水質(zhì)的重要且可行的措施,如太湖流域管理局采取“引江濟(jì)太”調(diào)水試驗(yàn),改善了太湖水質(zhì);福州市內(nèi)河通過水閘控制由納潮沖刷河道稀釋水質(zhì)解決內(nèi)河污染;蘇州市在截污、治污、河道整治的同時(shí),調(diào)整工程措施,合理調(diào)度換水,營造良好的河流水景。本文以水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控為核心,結(jié)合河網(wǎng)地區(qū)水利設(shè)施,建立河網(wǎng)地區(qū)水質(zhì)水量調(diào)控模型,研究珠江三角洲中順大圍水環(huán)境引水調(diào)控措施與實(shí)施效果。研究結(jié)果表明:通過科學(xué)調(diào)度泵站及節(jié)制閘等水利工程措施,建立河涌與外河互通可控的水網(wǎng)體系,可加快水體循環(huán),逐步改善水環(huán)境。本文的研究可為珠江三角洲地區(qū)河涌整治方案的制定提供決策參考,也可為其它感潮河網(wǎng)地區(qū)引調(diào)清水工程的實(shí)施提供借鑒。2潮汐河網(wǎng)的水量調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型2.1流量模型2.1.1基于普通式流水量模型的一維能力模型采用描述河道非恒定流的一維圣維南方程組。連續(xù)方程動(dòng)量方程式中:z為斷面水位,m;Q為流量,m3/s;A為河道的過水?dāng)嗝?m2;g為重力加速度,m2/s;B為過水寬度,m;q為單位長度的旁側(cè)入流量,m3/(m·s);R為水力半徑,m;c為謝才系數(shù),c=R1/6/n;n為糙率系數(shù);x、t為位置和時(shí)間坐標(biāo)。本文采用四點(diǎn)加權(quán)Preissmann隱式差分格式離散圣維南方程組式(1)和式(2),求解一維河網(wǎng)非恒定流水量模型的數(shù)值方法很多,其中三級聯(lián)解法最為常用。該算法將河網(wǎng)分成微段、河段、節(jié)點(diǎn)三級,逐級處理,再聯(lián)合運(yùn)算,具體的計(jì)算過程及邊界處理方法見文獻(xiàn)9~10。2.1.2特殊河道追蹤處理水閘控制的河段由于河道水力特性的突變,導(dǎo)致圣維南方程組不再適用,此時(shí)必須根據(jù)其水力特性進(jìn)行特殊處理,這種處理就歸結(jié)于特殊河道追趕系數(shù)的求解,其求解的具體過程見文獻(xiàn),對于有泵站抽引水河段,其內(nèi)邊界類型作為集中旁側(cè)出入流處理。2.2節(jié)點(diǎn)回代量計(jì)算水質(zhì)計(jì)算采用一維對流擴(kuò)散輸移方程:河道方程式中:EX為縱向分散系數(shù),m2/s;C為水流輸送的物質(zhì)濃度,mg/L;Ω為河道汊點(diǎn)—節(jié)點(diǎn)的水面面積,m2;j為節(jié)點(diǎn)編號;i為與節(jié)點(diǎn)j相聯(lián)接的河道編號;SC為輸送物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項(xiàng),SC=Kd×A×C,Kd是衰減因子,s-1;SB為外部的源或匯項(xiàng),g/(s.m)。采用隱式差分迎風(fēng)格式將式(4)離散,根據(jù)感潮河流流向順逆不定的特點(diǎn),將水流分順流向流動(dòng)、逆流向流動(dòng)、河道兩端向中間流動(dòng)、河道中間任意河段向兩端流動(dòng)等4種情況遞推出河道方程,然后利用河道方程、邊界條件、節(jié)點(diǎn)連接條件形成節(jié)點(diǎn)方程,解得節(jié)點(diǎn)水質(zhì)后,將其回代河道方程求得各斷面的濃度值。限于篇幅,具體的求解方法見文獻(xiàn),這里不再贅述。2.3河道水質(zhì)模擬將上述模型用于閘泵聯(lián)合調(diào)度引水下中順大圍水質(zhì)改善效果研究。中順大圍西臨古鎮(zhèn)水道、西海水道、磨刀門水道,北面為東海水道,小欖水道順東面接橫門水道入海,由于中順大圍及其相關(guān)聯(lián)河道是西北江三角洲網(wǎng)河區(qū)的主體部分,而網(wǎng)河受上游來水和河口潮流的共同作用,其水流及污染物在各汊河中貫流并交互影響。為此,需將整個(gè)西北江三角洲網(wǎng)河水系作為一個(gè)完整的系統(tǒng)進(jìn)行模擬(下簡稱“大范圍模擬”),水流計(jì)算范圍見圖1。同時(shí),為了更細(xì)致地分析引水方案實(shí)施前后的水動(dòng)力學(xué)特征及水質(zhì)改善效果,在“大范圍模擬”的基礎(chǔ)上對中順大圍進(jìn)行水質(zhì)模擬。大范圍的模擬上游邊界取為北江的石角、西江的高要、流溪河的老鴉崗水文(位)站,下游邊界取為黃埔(珠江廣州河段)、三沙口(沙灣水道)、南沙(焦門水道)、萬頃沙西(洪奇瀝)、橫門(橫門水道)、燈籠山(磨刀門水道)、黃金(雞啼門水道)、黃沖(崖門水道)、西炮臺(虎跳門水道),西北江三角洲河網(wǎng)區(qū)概化后有內(nèi)河道141條、外河道13條;內(nèi)節(jié)點(diǎn)94個(gè),外節(jié)點(diǎn)13個(gè);斷面754個(gè),斷面間距為500~2500m不等。上游入口斷面石角和高要采用實(shí)測流量過程作為邊界條件,其它控制斷面采用實(shí)測水位過程作為邊界條件。河道基本地形資料采用1999年實(shí)測航道圖劃分?jǐn)嗝?按斷面地形摘錄斷面各點(diǎn)起點(diǎn)距、河底高程,統(tǒng)一為珠江基面。水質(zhì)模擬的范圍為東河水閘、鳧洲水閘、沙口水閘、橫海水閘、雞籠水閘、濱涌水閘、西河水閘、拱北水閘、白濠頭水閘等邊界組成,其水質(zhì)模擬水系概化見圖2。同時(shí),根據(jù)內(nèi)河涌集水范圍及現(xiàn)狀污水處理廠布局,將中順大圍的入河排污口概化成9個(gè)。由于中順大圍的污染為耗氧型有機(jī)污染,因此,選擇COD作為模擬因子。河涌水質(zhì)邊界按照引水河道的現(xiàn)狀水質(zhì)確定,磨刀門水道、均安水道、西海水道水質(zhì)較好,按地表II類水標(biāo)準(zhǔn)(COD為15mg/l)賦值,即鳧洲水閘、白濠頭水閘、東海水閘、拱北水閘的COD為15mg/l,其他邊界參照引水河道現(xiàn)狀水質(zhì),按地表III類水標(biāo)準(zhǔn)(COD為20mg/l)賦值。各河涌的背景值根據(jù)河涌實(shí)測水質(zhì)資料,給定各河涌的初始水質(zhì)濃度。2.4計(jì)算模型與算法以1999年12月16日14:00~24日16:00的西北江三角洲同步水文測驗(yàn)資料進(jìn)行模型參數(shù)率定,上游邊界石角、高要采用實(shí)測流量過程,下游邊界采用同期實(shí)測潮位過程。根據(jù)多個(gè)單位已有的研究成果,珠江三角洲的河床糙率范圍為0.016~0.035,選取容奇和南華作為模型的驗(yàn)證站點(diǎn),以與計(jì)算時(shí)刻同步監(jiān)測(2001年2月7~15日)的觀測流量和水位資料對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果見圖3,計(jì)算值和實(shí)測值擬合較好。3引水配置值的模擬3.1洪水調(diào)控措施珠江三角洲中順大圍的河涌水環(huán)境容量小,自凈能力差,水質(zhì)污染較為嚴(yán)重,圍內(nèi)河涌中約半數(shù)以上已受污染,部分河涌水質(zhì)已達(dá)到或超Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。圍內(nèi)河渠縱橫,水閘及泵站的建設(shè)完善,應(yīng)利用貫穿圍內(nèi)的主要排澇河道與閘泵聯(lián)合調(diào)控,從上游水閘引入大量外江水,經(jīng)下游水閘排入外江,改善圍內(nèi)水環(huán)境。引水調(diào)控的目的為引入清潔的外江水,加強(qiáng)河涌水動(dòng)力能力,提高河涌水的自凈能力,緩解河涌水質(zhì)污染狀況。由鳧洲水閘、西河水閘、東河水閘的人工控制,輔以白濠頭水閘、石龍水閘、橫海水閘引水,通過圍內(nèi)主要水體運(yùn)行通道,對石岐河河網(wǎng)進(jìn)行稀釋和推送,將河網(wǎng)水體由東河排入橫門水道,將內(nèi)河涌由雙向流變?yōu)閱蜗蛄?形成由西向東的單向流,最終河涌水流排往橫門水道,制定了枯水期調(diào)度方案。調(diào)控方案見表1。鳧洲水閘、沙口水閘、橫海水閘、雞籠水閘、濱涌水閘、西河水閘、拱北水閘、白濠頭水閘等調(diào)控原則為水流只引不排。漲潮期間,當(dāng)外江潮水位高于內(nèi)河水位時(shí),開閘引水;退潮期間,當(dāng)外江潮水位低于內(nèi)河水位時(shí),關(guān)閘擋水。東河水閘的調(diào)控原則是水流只排不引,以水閘自排為主。當(dāng)外江潮水位低于內(nèi)河水位時(shí),開閘排水;當(dāng)外江潮水位高于內(nèi)河水位時(shí),關(guān)閉東河閘。雞籠、白濠頭、西河泵站維持外江引水的運(yùn)作。方案計(jì)算選枯水期截污前后進(jìn)行計(jì)算,截污后方案計(jì)算從0時(shí)開始。3.2枯水期洪水調(diào)控截污前后各斷面水體差異及水體截污效果在內(nèi)河涌網(wǎng)河設(shè)置8個(gè)監(jiān)控?cái)嗝娣植家妶D2所示。在枯水期,經(jīng)過36h引水調(diào)控后,截污前各斷面的水質(zhì)都能達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),截污后斷面1(橫琴海)的水質(zhì)由Ⅴ類水質(zhì)到接近Ⅲ類水質(zhì);斷面2(北部排洪渠)的水質(zhì)由劣Ⅴ類到接近Ⅲ類水質(zhì);斷面3(中部排洪渠)的水質(zhì)由Ⅴ類到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);斷面4(十六頃排灌渠)的水質(zhì)由Ⅴ類到Ⅳ類;斷面5(東部排洪渠)的水質(zhì)由劣Ⅴ類接近Ⅲ類水質(zhì);斷面6(淺水湖)的水質(zhì)由Ⅴ類到Ⅲ類水質(zhì);斷面7(石歧河)的水質(zhì)由Ⅴ類到Ⅳ類;斷面8(石歧河)的水質(zhì)由Ⅴ類到Ⅲ類。調(diào)控效果見圖4、表2。枯水期的引水調(diào)控,在36h后內(nèi)河涌的水質(zhì)在截污前能由劣Ⅴ/Ⅴ類水質(zhì)改善到Ⅳ類水質(zhì),截污后能改善到Ⅲ/Ⅳ類水質(zhì)。各代表性斷面水質(zhì)在引水調(diào)控背景下截污前后的變化情況見表2所示。枯水期引水調(diào)控36h后,截污前各斷面水質(zhì)改善程度在25.3%~48%之間,各斷面的水質(zhì)平均改善程度為36.6%,而截污后各斷面水質(zhì)改善程度在39.3%~57.8%,各斷面的水質(zhì)平均改善程度為48.4%,由此可見通過引水調(diào)控后內(nèi)河涌各斷面的水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn),同時(shí)引水調(diào)控截污后的水質(zhì)改善效果明顯好于引水調(diào)控截污前的水質(zhì)改善效果。截污前后斷面3、斷面5~7模擬結(jié)果出現(xiàn)COD濃度突然增大的過程,這是因?yàn)樵诮匚矍笆且驗(yàn)樯嫌挝廴疚镫S著水動(dòng)力的作用快速輸移至下游。在截污后是因?yàn)橐氲乃w的水質(zhì)不一致所致,同時(shí)內(nèi)河涌的水體與外江水體未充分稀釋就快速?zèng)_到下游。通過引水調(diào)控,在截污前,各代表性斷面的水質(zhì)能達(dá)到水質(zhì)目標(biāo),在截污后,各代表性斷面的水質(zhì)都能達(dá)到水質(zhì)目標(biāo),部分?jǐn)嗝嫣巸?yōu)于水質(zhì)目標(biāo),而且各代表斷面的水質(zhì)濃度在截污后有明顯下降。在枯水期對河涌污染源進(jìn)行整治,實(shí)施引水調(diào)控措施可以明顯改善河涌水質(zhì)。通過水閘、泵站等水利措施的聯(lián)合調(diào)控,引外江水入內(nèi)河涌,并通過河涌水動(dòng)力的作用將內(nèi)河涌的水體排出,進(jìn)行水體置換,并對內(nèi)河涌截污可以起到明顯改善內(nèi)河涌水質(zhì)的效果。因此要改善圍內(nèi)整體水環(huán)境,一是必須截污;二是加大引水量;三是通過河涌整治,疏通水體流動(dòng)通道;四是科學(xué)調(diào)度。即就是在截污的前提下,通過科學(xué)調(diào)度泵站及圍內(nèi)節(jié)制閘,從上游引入大量外江清水入河涌,抬高內(nèi)河水位,加快水體循環(huán),逐步改善圍內(nèi)水環(huán)境。4聯(lián)合調(diào)控措施珠江三角洲河網(wǎng)地區(qū)河道縱橫,社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速,大量未處理的污(廢)水排入河涌,造成河涌涌容縮減、水質(zhì)惡化,河涌的防汛、灌溉、交通、生態(tài)功能逐漸衰退。同時(shí)三角洲網(wǎng)河區(qū)水流異常復(fù)雜,既受上游徑流的影響又受淺海潮波的影響,是一種周期性的往復(fù)流。利用河網(wǎng)地區(qū)建設(shè)的許多水閘、泵站等水利設(shè)施,通過水利設(shè)施聯(lián)合調(diào)控措施,變往復(fù)流為單向流,這樣可以保證上游水體不受潮流頂托,加快下泄速度,同時(shí)增加水體的稀釋和自凈的作用,形成良性循環(huán)。本文研究表明,在截污后枯水期實(shí)施引水調(diào)控36h后,河涌水質(zhì)都能達(dá)到水質(zhì)目標(biāo),部分河段處優(yōu)于水質(zhì)目標(biāo)。即通過科學(xué)調(diào)度站及圍內(nèi)節(jié)制閘,從上游引入大量外江清水,抬高內(nèi)河