網河區河湖聯合水環境調控分析

張曉艷，董 明，倪培桐，唐造造

(廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635)

1 概述

網河區特別是感潮河網地區，河涌交錯，水情復雜多變，為擋潮、灌溉、引水等修建了眾多不同功能的水閘和泵站，使得水流運動更為復雜，流向多變，隨著經濟社會的快速發展和城市化進程的推進，城市河流的水質普遍受到嚴重污染。徐峰俊、劉潔等利用數學模型等研究手段研究感潮網河區的水環境問題[1-2]，倪培桐、林蓉璇等對網河區群閘聯控以及平原網河區城市河涌水環境改善進行了研究與探討[3-8]，研究表明，如何利用水閘、泵站等水利工程借助潮汐動力創造排污通道或者引入清潔水源等都是改善城市河涌水環境的有效措施。本文以廣州市海珠區為例，研究了水閘、泵站聯合調度下不同補水方案對河涌水環境的影響，并探討群閘聯控下網河區有無調蓄區(湖)對周邊水環境的影響，本文的研究可為網河區水利規劃建設以及改善河涌水環境提供借鑒與技術參考。

2 河湖聯控水環境調控分析

2.1 海珠區水系及水環境概況

海珠區是廣州市中部的一個島區，地處北緯23°52′～23°59′、東經113°29′～113°46′之間。海珠區四面環水，北臨珠江前航道與天河區、越秀區隔江相望，南接珠江后航道與番禺區相鄰，東與黃埔區、西與荔灣區隔江相望。全區面積為90.45 km2，整個行政區域由海珠島、琶洲島、官洲島等島組成，全區由新滘圍、共和圍、琶洲圍、北帝沙圍、丫髻沙圍、官洲圍和陳沙圍等組成防護堤。外江堤線總長為81.9 km，由北面的珠江前航道、南面的珠江后航道、官洲水道、侖頭水道等分隔開來。海珠區四面臨江，區內河流、河涌交錯，據統計，海珠區內現有大小河涌70余條，其中主要河涌19條。根據海珠區河涌水系規劃深化實施方案[9-10]，通過連通和梳理水系構建該區“六環七線”的水系格局，構成海珠區水系的整個骨架，形成相互聯系又相對獨立的水系格局。六環即將本區劃分為琶洲島片、共和圍片、石榴崗河北部片、石榴崗河南部片、北濠涌—石溪涌片及獨立河涌片共6片；七線為黃埔涌、赤沙涌、石榴崗河、土華涌、北濠涌、墩和涌和海珠涌(水系見圖1所示)。

圖1 海珠區河涌水系以及補水方案示意

工業廢水和城市生活污水的直接排放導致區內河涌水質不容樂觀，幾十年來污染物不斷積累，嚴重影響了沿岸居民生活質量和城市生態景觀。為了改善水環境、水生態、水景觀，還涌于民，海珠區進行了引水補水規劃，并引入雨洪調蓄區(海珠湖)，構筑生態城市框架，充分利用現有的水利工程體系，通過引水、補水工程建設與調度，實現大部分主要河涌的單向流動，改善河涌水質，維護城市區域生態環境和水體景觀。受篇幅所限，本文僅列舉1個補引水方案以及在區內設置人工湖，在群閘聯控條件下，研究補引水工程實施后以及有無人工湖的情況下河涌水體的交換情況。

2.2 數學模型的建立

2.2.1計算模式

本次建立一維水動力、水質數學模擬，分析海珠區水環境調控的狀況與規律。

描述一維非恒定流運動的圣維南方程組其控制方程為：

(1)

式中：

x、t——距離和時間的坐標；

A——過水斷面面積；

Q——流量；

h——水位；

q——旁側入流流量；

C——謝才系數；

R——水力半徑；

α——動量校正系數；

g——重力加速度。

河網水質模型的控制方程為：

(2)

式中：

C——物質濃度，mg/L；

D——縱向擴散系數,m2/s；

C2——源/匯濃度,mg/L；

K——線性衰減系數,1/d 。

MIKE 11的水動力模塊(HD)是用以模擬河流及河網水流的隱式有限差分模型。模型利用常用的Abbott六點隱式格式離散上述控制方程組，該離散格式在每一個網格點不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。

海珠區河網有大量的水閘、泵站等水工構筑物，在這些構筑物處，根據閘、泵的水力學特征作特殊處理。海珠區河網水系的水閘絕大多數屬于寬頂堰式水閘，在模型中閘、泵通常作為流量點處理，根據相鄰水位點水位關系采用寬頂堰水閘的堰流或孔流流量公式計算過閘流量。

雨洪調蓄區與河涌相通，有較大的水面面積，通過引水和排水，能對區域的水量進行調節。模型通過在調蓄區位置添加與其規模相應的調蓄容積來模擬和反映海珠湖或低洼地調蓄區的影響[11]。

模型的邊界、范圍、控制參數取值以及模型的驗證等已經過率定[12-13]，本文不再贅述。

2.2.2水體交換指標

在上述一維水動力、物質輸運模型的基礎上，利用溶解態保守物質的濃度為示蹤劑，建立海珠區水體交換數值模式。

設海珠區內河涌水體初始濃度場為C(r,l,t0)，瞬時濃度場為C(r,l,t)，則不同時刻、不同河涌、不同里程的海珠區內河涌被外江水體(外江是指前航道、后航道，示蹤物濃度為0，內河涌示蹤物濃度為1)置換的比率R(r,l,t)，即換水率為：

(3)

對于內河涌，令C(r,l,t0)=1,則：

R(r,l,t)=[1-C(r,l,t)]×100%

(4)

式中：

r——河涌；

l——河涌特定位置里程標示；

t0——初始時刻。

假定進入海珠區內河涌的外江水體與內河涌水體完全混合,混合后的水體在落潮或漲潮隨河涌排水時排出內河涌。當換水率為1或100%則表示內河涌水體已被完全置換。

2.3 計算方案

本次在考慮推薦的海珠區引水補水工程規劃方案的基礎上，考慮計算對石榴崗河以上各斷頭涌進行補水的方案，當對石榴崗河以北的五鳳涌、康樂涌、墩和涌、大塘涌等斷頭涌進行補水時，在打開石榴崗水閘引水的同時關閉西祿水閘及土華西閘；反之則打開西祿水閘、土華西閘。在楊灣涌與淋沙涌交界處建楊灣泵站，當對康樂涌及五鳳涌補水時開啟楊灣泵站，以保證水量。上游斷頭涌五鳳涌、康樂涌、墩和涌、大塘涌仍然采取二級提水來進行補水，并設節制閘，以保證污水不被重復利用。本次選擇一組斷頭涌補水流量方案以及增加雨洪調蓄區(人工湖)，進行海珠區河湖聯控的水體交換計算，雨洪調蓄區規模按40 hm2考慮。

對于區內的水閘、泵站的調度規則，根據《廣州市海珠區引水補水工程規劃深化實施方案》及《廣州市海珠區引水補水工程規劃深化實施方案調整》，結合海珠區不同片區或區域的景觀水位和河網水系特點，分片或分區擬定引水補水方案和水閘調度運行方式。總的原則是通過水閘群的聯合調控，實現大部分河涌的單向流動，形成漲潮時引水、落潮時排水的運行格局，改善河涌水環境，保持河涌景觀水位。根據海珠區各分片或分區水閘、泵站詳細的調度運行方式和人工湖的汛期、非汛期調度運行方式[11]，擬定計算方案。本次的計算方案組次見表1。

表1 計算方案組次

2.4 成果分析

采用海珠區河網水動力與水質數學模型，對選擇的海珠區河涌水系引水補水工程規劃方案及雨洪調蓄區方案進行水體交換計算，模擬內河涌污染物相對濃度隨時間變化過程。

計算的部分河涌典型斷面位置24 h、72 h內平均相對濃度，24 h、72 h內平均換水率見表2、表3以及圖2。

圖2 河涌典型斷面不同方案濃度變化對比示意

表2 部分河涌典型斷面位置24 h、72 h內平均相對濃度統計

表3 部分河涌典型斷面位置24 h、72 h內平均換水率統計

方案0是海珠區引水補水工程規劃方案，由計算知，石榴崗河北部片的斷頭涌五鳳涌、康樂涌、墩和涌、大塘涌等的典型斷面72 h內平均濃度在0.65～0.75之間，平均換水率為25%～35%。在增加五鳳涌等斷頭涌進行泵站提水補水后(方案1)，石榴崗河北部片的斷頭涌大部分典型斷面72 h平均濃度變化基本在0.05以內，平均換水率變化基本在5%以內，兩方案的水體濃度和換水率差別不大，沒有質的飛越，說明通過泵站提引水質濃度相差不大的水補充進斷頭涌，對改善斷頭涌水質濃度和水體交換的作用并不明顯，但補水有利于實現河涌內的活水、動水。

在泵站補水的情況下，增加人工湖(方案2)，由計算知，增加相同水質濃度的人工湖，除了進水通道比如石榴崗河的水體交換加快外，區內部分河涌包括斷頭涌的水體交換稍有變慢。因此，增加了在斷頭涌排放點源污染的情況[2]，以論述人工湖建設前后區內河涌濃度的改變情況，由計算知，五鳳涌、康樂涌、墩和涌、大塘涌等斷頭涌相對濃度略有降低、平均換水率略有增加，但有無人工湖差別不明顯，與人工湖臨近的淋沙涌、后滘涌、上沖涌以及作為排水通道的西祿涌、北濠涌、黃沖涌、土華涌西段等河涌相對濃度有所降低、平均換水率有所增加，河涌水質有所改善。從上述分析知，新建人工湖改善斷頭涌水質的作用不明顯，但可在一定程度上改善其臨近河涌和排水通道河涌的水質。

3 結語

1) 本文采用海珠區河網水動力與水質數學模型，對選擇的海珠區河涌水系引水補水工程規劃方案及雨洪調蓄區方案進行水體交換計算，模擬內河涌污染物相對濃度隨時間變化過程。由模擬知，利用泵站提水與受水河涌水質相差不大的水補充進斷頭涌，對改善斷頭涌水質濃度和水體交換的作用并不明顯，但有利于實現河涌內的活水、動水。

2) 雨洪調蓄區的存在使得周邊河涌與外江的水體交換周期略有增加，但其存在增加了區域環境容量，可在一定程度上改善其臨近河涌和排水通道河涌的水質，改善當地的生態環境。

3) 網河區城市河涌水環境的改善，可充分利用水閘、泵站的調度，使河涌中的水流動起來，有條件的情況下可利用泵站引入清潔水源可改善河涌水質，同時結合興建雨洪調蓄區等水利工程措施，在增大區域環境容量改善生態環境的同時，對于當地排澇也是有利的。實際運用中，選擇何種方式應結合當地實際情況進行論證。

4) 本文探討了感潮網河區河湖聯合、群閘聯控下，引補水和新建雨洪調蓄區等措施對周邊河涌水環境的影響，可為今后指導網河區的水利規劃建設以及改善河涌水環境提供借鑒與參考。