粵港澳大灣區內河涌生態補水方案研究
——以中山市鵝毛涌為例

臧克清，穆貴玲

(1.廣東水科院勘測設計院，廣州 510635；2.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣州 510611)

1 概述

粵港澳大灣區是我國開放程度最高、經濟活力最強的區域之一，在國家發展大局中具有重要的戰略地位。《粵港澳大灣區發展規劃綱要》提出，全面建成宜居宜業宜游的優質生活圈，打造高質量發展和高品質生活的典范，增強人民群眾的幸福感，這勢必對優質的水資源、健康的水生態、宜居的水環境提出更高標準。《粵港澳大灣區水安全保障規劃》提出要保障河流生態流量，系統治理大灣區核心區域三角洲水生態環境，形成全區域綠色生態水網，讓大灣區河流成為人民的幸福河。

粵港澳大灣區地處珠江流域下游，據不完全統計，珠三角圍內河涌有數萬條，是珠三角城市中最為普遍的水系，直接承擔著珠三角城市防洪、排澇、供水、水環境、水景觀等多重功能。內河涌水動力條件較弱，河道比降平緩，很大一部分內河涌為斷頭涌，水體交換能力弱，水環境問題較突出。

補水工程是借助泵站、水閘等工程，充分利用上游山塘、湖庫，干流，污水處理廠尾水等水源補水，改善內河涌水環境。生態補水工程最早起源于日本的隅田川[1]，后續在荷蘭 Veluwemeetr 湖[2]、美國Moses湖[3]、新西蘭Rotoiti湖[4]、俄羅斯的莫斯科河[5]等均得到了成功應用。我國也開展了滇池補水工程[6]、“引江濟太”工程[7]、杭州西湖補水工程[8]、廣州市三涌補水工程[9]、深圳市深圳河補水工程[10]等生態補水改善水生態環境工程。

本研究針對粵港澳大灣區內河涌斷頭涌水環境問題，為增強內河涌河道換水能力，提高內河涌水環境容量，改善內河涌水環境狀況，以中山市內河涌斷頭涌鵝毛涌為例，對其具體的生態補水方案進行研究，以期為大灣區內河涌水環境治理提供參考依據。

2 河涌補水方案制定SSTMS法

河涌補水方案的制定采用“現場考察—水源確定—控制目標—建模試算—補水方案”(SSTMS)方法，綜合考慮河涌周邊水文、水質、水利工程、水源條件等，確定具體的模擬工況，并根據模擬結果確定最優的補水方案(見圖1)。

圖1 補水方案制定技術路線示意

具體步驟如下：① 現場勘察，收集河涌周邊水文、水質資料及水閘、泵站等水利工程資料，掌握河涌周圍現狀閘泵調度情況；② 確定補水水源、水質目標和控制目標，提出模擬工況；③ 建立內河涌水動力水質模型，確定模型邊界、參數、構筑物及源匯項，并進行率定驗證；④ 模型試算，并對模擬結果進行分析，確定最優補水方案。

2.1 補水水源及目標確定

補水水源根據水量是否滿足、距離是否合適等基本要求，充分利用上游山塘、湖庫，干流，污水處理廠尾水等來確定。上游附近有山塘、湖庫的河涌，日常引入上游山塘水、湖庫水補水；河長較短的河涌可考慮從干流引水；在污水處理廠服務區內的河涌，選擇合適的路徑引入污水處理廠尾水補水。

水質治理目標參考附近水功能區水質目標、政府下達任務指標等確定；控制目標根據各河涌實際情況和預期達到的效果綜合確定。

2.2 模型方法

生態補水工程的水環境改善效應研究主要基于水動力水質耦合模型。Hayes 等構建一維水動力、水質、發電耦合模型，研究水庫瀉流對下游河道水質的影響及水庫最優調度方案[11]；Campbell等研究巴西Klamath河流，構建水動力水質耦合模型，對Klamath河流的調度方式進行評價分析[12]；馮斯安運用一維水動力水質耦合模型對車陂涌生態補水的水質改善效應進行了研究[13]；陳儷丹等利用一維河網水動力水質耦合模型分析研究了濱江圩區最優活水方案[14]；戴昱等構建二維水動力—水質耦合模型對赤山湖的水流運動、水質變化規律及防治措施進行了研究[15]。宮雪亮利用MIKE21水動力—水質耦合模型對南四湖上級湖的水質變化規律及治理方案進行了研究[16]。

本次選取二維水動力—水質耦合模型對大灣區內河涌生態補水工程的水環境改善效應進行研究，模型原理詳見參考文獻[16]。

3 實例分析

3.1 研究區域概況

中山市處于粵港澳大灣區的幾何中心，珠江三角洲中南部，北連廣州，南連珠海，毗鄰港澳。為發揮其在大灣區的作用，中山市努力打造高水平發展平臺，主動對接深圳、香港，進一步密切與粵西地區的經濟聯系，做好“東承”文章，強化“西接”功能，奮力把中山建設成為珠江東西兩岸融合發展的支撐點、沿海經濟帶的樞紐城市、粵港澳大灣區的重要一極，這勢必對中山市水生態環境提出了更高的要求。為打好污染防治攻堅戰，中山市委市政府印發了《中山市水環境治理責任追究工作意見》，未來3 a計劃投入600多億元推進全市黑臭(未達標)水體整治工程建設。

鵝毛涌是中順大圍內中山市中心組團大涌鎮內河涌，起于涌口與赤洲河交界處，止于起鳳環市場，全長為808 m，平均寬度為10 m。鵝毛涌為斷頭涌，河涌流動性差；且河涌污染嚴重，為劣V類水。

3.2 補水水源及目標確定

河涌末端是起鳳環市場，附近無山塘、湖庫，也無污水處理廠，但河涌長度較短，離赤洲河僅800 m左右，故選擇赤洲河為引水水源。

補水目標是通過泵站抽水至河涌末端來加大河涌流動性，提高河涌納污能力，進而改善河涌水質，使內河涌基本消除黑臭，水質達到V類水標準。根據《全國水利發展十三五規劃》，到2020年，七大重點流域水質優良比例總體達到70%以上，因此，選取水質保證率達到70%為控制指標，確定補水工程的規模。具體模擬工況見表1。

表1 模擬工況及控制目標

為確保外河引水的可靠性，選擇90%降雨保證率的年份為設計年。根據石岐站近30 a降雨量資料進行頻率分析，計算降雨保證率。根據計算結果，90%降雨保證率的年份為2011年，故選擇2011年為設計典型年。

3.3 模型建立

3.3.1模型邊界

因調水主要集中在枯水時期，故本次僅考慮典型年2011年枯水月1月的調度，即水位邊界條件為2011年1月模擬結果。

1)與赤洲河交界處邊界

鵝毛涌與赤洲河交界處為開邊界。水動力模型邊界為該點赤洲河水位過程邊界。赤洲河屬于中順大圍河涌，受河網和潮位雙重影響，水位較難確定。項目區目前已實施中順大圍河涌閘泵調度方案，總體西進東出。根據前期建立的一維中順大圍河網模型，以2011年實測外河水位、潮位為邊界條件，按照已實施中順大圍河涌閘泵調度方案對中順大圍河網的水動力進行模擬，得到赤洲河與鵝毛涌交界處的水位過程(見圖2所示)。

圖2 鵝毛涌與赤洲河交界處水位過程邊界示意

水質模型邊界為常數邊界，取大涌鎮赤洲河目標水質，氨氮濃度為1.5 mg/L。假定赤洲河水質已達標，才能實現引清調度的目的。

2)河涌末端邊界

現狀為閉邊界。

工程補水時，為點源邊界。水動力模型邊界為流量過程邊界，流量過程根據外江水位過程確定，使泵站引水時間要保證每天10～12 h(見圖3所示)。

圖3 引水流量過程示意

根據外河水位過程線分析可知，大涌鎮河涌的外河水位大于0.3 m時開泵引水時間約12 h；大于0.2 m時開泵引水時間約16 h；大于0.4 m時開泵引水時間約8.5 h。因補水方案中及以上，故僅外河水位大于0.3 m時開泵引水時長符合目標要求，選擇 0.3 m時開泵。即當外江水位大于等于0.3 m時取假設引水流量，當外江水位小于0.3 m時取0。

水質模型邊界為常數邊界，來自大涌鎮赤洲河目標水質數據，氨氮濃度為1.5 mg/L。

3)源匯項

鵝毛涌無支涌匯入，故無支涌源匯項。

排污口污水入河量以源匯項加入模型。鵝毛涌排污口實測污水排放量為0.042 7 m3/s，排污時間為24 h/d，污水濃度為COD 200 mg/L，氨氮11.5 mg/L。

3.3.2模型參數

模擬時間為典型年的枯水月，即2011年1月1日8:00—2011年2月1日7:00，地形為實測現狀地形。

1)水動力參數

鵝毛涌斷面為規則斷面，以梯形為主，故糙率取經驗值0.025。

2)水質參數

根據現狀實測水質數據分析可知，鵝毛涌氨氮濃度為8.55，總磷濃度為1.07，主要超標污染物為氨氮，故選取氨氮為水質指標。

對于污染物綜合衰減系數k，近20多a來，華南環境科學研究所、中山大學等多個科研單位對珠江三角洲網河區各類水體的COD、NH3-N的衰減規律作了系統的研究(見表2所示)。

表2 廣東省重點研究成果采用的衰減系數

因此，水質模型參數初始濃度取大涌鎮鵝毛涌實測氨氮濃度為8.55 mg/L。氨氮衰減系數取0.07/d。

3.4 結果分析

3.4.1現狀流場及水質分布

從計算結果和模擬動畫可知：現狀條件下，由于外河水位的波動，河涌交界處會有水流一直來回波動，使得河涌換水頻率并不小。外河水位低時，僅連接處附近400 m處有水流，末端為死水區；而水質改善范圍僅為50 m以內。外河水位高時，水流波動范圍可達到500 m，河涌末端仍為死水區；水質改善范圍也可達到350 m。現狀低水位、高水位情況下鵝毛涌流場-水質分布見圖4和圖5。

圖4 現狀低水位情況下鵝毛涌流場-水質分布示意

圖5 現狀高水位情況鵝毛涌流場-水質分布示意

3.4.2引水流場及水質分布

假設引水流量，通過試算，使河涌水質保證率達到70%時的流量為所求流量。補水低水位、高水位情況下鵝毛涌流場-水質分布見圖6和圖7。

圖7 補水高水位情況下鵝毛涌流場-水質分布示意

根據模擬結果，70%水質達標保證率情況下，鵝毛涌的引水流量為0.13 m3/s，換水頻率為1.73 次/d。通過外河引水，河涌末端從死水區變為活水區，水動力條件得到明顯改善，平均流速增大約10倍，河涌整體的換水頻率也變大。外河水位較低時，河涌基本為單向流，從河涌末端流向河涌交界處；隨著補水的推進，河涌水質影響范圍也逐漸擴大。當外河水位變高后，河涌內出現對流，水流方向比較紊亂。經過2 d，整條河涌水質明顯變好，平均水質基本達到V類，但由于排污口入河污染物的影響，仍需補水來維持水質的穩定。

3.4.3模擬結果對比分析

不同工況下鵝毛涌平均流速、水質對比見圖8和圖9，可見在補水工況下，河涌流速得到了提高，死水區變活水區，河涌水質也得到極大改善，基本可達到V類水。

圖9 不同工況下鵝毛涌平均水質對比示意

4 結語

1)“現場考察—水源確定—控制目標—建模試算—補水方案”(SSTMS)生態補水方案確定方法綜合考慮河涌周邊水文、水質、水利工程、水源條件等，通過建立二維水動力水質模型，設定不同水質達標率控制目標，確定具體的模擬工況，可以確定內河涌的最優補水方案，使內河涌水動力、水質條件得到改善，為大灣區內河涌水環境治理提供參考依據。

2)以中山市內河涌鵝毛涌為例，研究得到70%水質達標保證率情況下，鵝毛涌的引水流量為0.13 m3/s，換水頻率為1.73次/d。通過補水，斷頭涌末端從死水區變為活水區，水動力條件得到明顯改善，平均流速增加約10倍，河涌整體的換水頻率變大，河涌水質也得到極大改善，基本可達到V類水。

3)補水的前提是要確保補水水源的水質達到政府規定的目標水質。內河涌治理時，建議在補水工程的基礎上，結合排污口原位生態修復工程、曝氣工程、微生物菌劑工程等聯合使用，使內河涌徹底消除黑臭。