珠江河口復(fù)雜河網(wǎng)的水資源調(diào)度方案評價(jià)

許 偉，劉 培，黃鵬飛，龍曉飛

(珠江水利科學(xué)研究院河流海岸研究所，廣東 廣州 510630)

珠江河口地區(qū)人口眾多、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、河網(wǎng)密布，由于近年來珠江河口圍區(qū)內(nèi)河道污染物蓄積，水體負(fù)荷不斷加重，超出了水體自凈能力[1-3]。河網(wǎng)水環(huán)境綜合整治，關(guān)鍵在于污染源的有效控制，但污染源全面治理是一項(xiàng)長期工作，在污染源得到有效治理之前，通過水資源調(diào)度可以在一定程度上提高水體自凈能力和增加水體環(huán)境容量，從而緩解區(qū)域水環(huán)境問題[4-6]，是改善圍區(qū)內(nèi)水環(huán)境行之有效的措施之一[7]。

珠江河口外江縱橫交錯(cuò)，圍區(qū)內(nèi)河流密布，水系結(jié)構(gòu)復(fù)雜。珠江河口地區(qū)靠近海洋，同時(shí)受到潮流和徑流的交互影響，水動力條件復(fù)雜。圍區(qū)內(nèi)河流與外江之間均設(shè)置閘、泵等水工建筑物，河流水體的流動性很大程度上受到水工建筑物的調(diào)度影響。珠江河口感潮河網(wǎng)地區(qū)水量充沛，水閘、泵站等水利設(shè)施眾多，為水資源調(diào)度提供了有利的基礎(chǔ)條件[8]。

已有對珠江河口河網(wǎng)區(qū)水環(huán)境問題研究多采用MIKE一維、二維數(shù)值模型，通過模擬水動力及水質(zhì)現(xiàn)狀，結(jié)合實(shí)際的水系、外江潮汐和水環(huán)境特征來評價(jià)調(diào)度方案的優(yōu)劣[9]。實(shí)際工作中，快速評價(jià)無水質(zhì)資料地區(qū)調(diào)度方案的需求較多，而水質(zhì)模型的率定需要大量的實(shí)測數(shù)據(jù)和時(shí)間。為解決上述問題，無水質(zhì)資料地區(qū)水資源調(diào)度方案或可采用水體交換能力作為評價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)快速評價(jià)。

水體交換能力作為評價(jià)水體環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)，主要反映了水動力的強(qiáng)弱和水體更新的水平[10]。水體交換實(shí)質(zhì)是研究區(qū)內(nèi)水體與外界水體物質(zhì)的交換，伴隨物質(zhì)的交換，水的動能或者其他促使水體流動的能量被消耗。Luff等[11]提出采用半交換周期來評價(jià)水體交換的能力，但多用于海域水環(huán)境質(zhì)量的評價(jià)。水體環(huán)境質(zhì)量也可采用水交換率來評價(jià)，如羅鵬達(dá)等[12]在梅山港區(qū)新建圍堤工程預(yù)留龍口方案比選中，通過比較不同方案條件下的水交換率，評價(jià)了工程方案對水環(huán)境的影響。半交換周期與水交換率一般通過FVCOM、EFDC、MIKE等數(shù)值模型計(jì)算的結(jié)果統(tǒng)計(jì)得到[13-15]。

本文考慮實(shí)際情況，以水體交換能力作為評價(jià)指標(biāo)，采用MIKE11中的水動力模塊(HD)和對流擴(kuò)散模塊(AD)計(jì)算保守物質(zhì)運(yùn)移，根據(jù)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)半交換周期和水交換率，對比分析珠江河口復(fù)雜河網(wǎng)的不同水資源調(diào)度方案，以期為珠江河口復(fù)雜河網(wǎng)區(qū)水資源調(diào)度提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 水域特征

本文以橫琴中心溝水系(圖1)為研究區(qū)域，研究珠江河口圍區(qū)內(nèi)水利工程調(diào)度對水環(huán)境改善的影響。橫琴島地處南海之濱，毗鄰澳門，西臨磨刀門水道，東接十字門水道。橫琴中心溝的河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，由橫貫橫琴新區(qū)東西的天沐河、北環(huán)山河、南環(huán)山河及相互連通的排洪渠構(gòu)成，主要河道參數(shù)如表1所示。中心溝水系中天沐河?xùn)|、西兩側(cè)設(shè)有水閘，水閘常處于關(guān)閉狀態(tài)，以維持橫琴中心溝水系的水位。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，橫琴中心溝水系的水體為封閉水體，存在黑臭現(xiàn)象，水質(zhì)屬于劣Ⅴ類。《珠海市橫琴新區(qū)市政基礎(chǔ)設(shè)施工程專項(xiàng)規(guī)劃》對橫琴中心溝水系主要河道寬度的規(guī)劃寬窄不一，最寬處超過100 m，最窄處不足10 m，規(guī)劃近期水質(zhì)目標(biāo)為Ⅳ類，遠(yuǎn)期水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類。

圖1 橫琴中心溝水系

表1 橫琴中心溝水系主要河道參數(shù)

1.2 潮汐特征

橫琴中心溝水系外江潮汐都屬不規(guī)則半日混合潮，潮汐不等現(xiàn)象顯著，潮位潮期均不相等。一個(gè)日周潮內(nèi)發(fā)生兩次高潮、兩次低潮，歷時(shí)約24.85 h，其中漲潮歷時(shí)約13.57 h，落潮歷時(shí)約11.28 h。潮型以高高潮—低低潮—低高潮—高低潮的形式出現(xiàn)，大約經(jīng)過12 d或13 d，潮型變?yōu)榈透叱薄叩统薄吒叱薄偷统薄Ｖ榻涌谑侨醭焙涌冢骄辈钤? m左右，但大潮潮差可達(dá)2 m左右。一般情況下各年代的平均潮差變化不大，年內(nèi)變化亦很小，相差不超過0.20 m。

1.3 水資源調(diào)度方案

根據(jù)水功能區(qū)劃，橫琴中心溝水系西側(cè)磨刀門水道為珠海市主要飲用水保護(hù)區(qū)，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)Ⅱ類。東側(cè)十字門水道主要用于泄洪、通航等，水質(zhì)相對較差。原調(diào)度方案擬定了“東引西排”控導(dǎo)路徑，結(jié)合本區(qū)外江1 m的平均潮差，通過天沐河兩側(cè)水閘，利用天然潮動力，漲潮時(shí)西閘引水至1.50 m，落潮時(shí)東閘排水至1.00 m。

水資源調(diào)度關(guān)鍵在于確定合適的調(diào)度路徑、調(diào)度時(shí)機(jī)、調(diào)度規(guī)模和調(diào)度方式。調(diào)度路徑需考慮引水水源地的水質(zhì)、水量和其他相關(guān)因素，根據(jù)水功能區(qū)劃確定排水出口位置，實(shí)現(xiàn)水體的單向流動。調(diào)度的時(shí)機(jī)和頻次要結(jié)合潮汐特征、外江水質(zhì)情況，以及所治理河道的水質(zhì)目標(biāo)來確定。河口地區(qū)需結(jié)合潮差，確定調(diào)度規(guī)模，潮差越大引排水幅度越大，潮差越小引排水幅度越小。調(diào)度方式需結(jié)合地區(qū)水利工程現(xiàn)狀或者地形特征現(xiàn)狀，選擇合適的水利工程措施，如水閘、泵站、導(dǎo)流堤和柔性拍門等。

原調(diào)度方案中調(diào)度路徑、調(diào)度時(shí)機(jī)、調(diào)度方式均適宜，但引排水幅度較小，沒有充分利用本區(qū)大潮潮差近2 m的優(yōu)勢。因此，本文結(jié)合潮汐特征提出常規(guī)引排水的景觀調(diào)度方案和突發(fā)水污染時(shí)的應(yīng)急調(diào)度方案來實(shí)現(xiàn)水資源調(diào)度。各方案具體調(diào)度情況如下：

a.原調(diào)度方案。外江落潮時(shí)，橫琴中心溝水系通過東閘排水，使得天沐河水位從1.50 m降至1.00 m；外江漲潮時(shí)，橫琴中心溝水系通過西閘引水，蓄水至1.50 m時(shí)停止引水。

b.景觀調(diào)度方案。外江落潮時(shí)，橫琴中心溝水系通過東閘排水，使得天沐河水位從1.50 m降至 1.00 m；外江漲潮時(shí)，橫琴中心溝水系通過西閘引水，蓄水至1.97 m時(shí)停止引水。

c.應(yīng)急調(diào)度方案。外江落潮時(shí)，橫琴中心溝水系通過東閘排水，使得天沐河水位從1.50 m降至 0.00 m；外江漲潮時(shí)，橫琴中心溝水系通過西閘引水，蓄水至1.97 m時(shí)停止引水。

2 評價(jià)方法

2.1 模型及參數(shù)設(shè)置

采用MIKE11中的水動力模塊(HD)和對流擴(kuò)散模塊(AD)模擬珠江河口復(fù)雜河網(wǎng)引排水調(diào)度方案。模型采用的圣維南方程組和對流擴(kuò)散方程分別為

(1)

(2)

式中：x為距離坐標(biāo)，m；t為時(shí)間坐標(biāo)，s；A為河道過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q為流量，m3/s；h為河道水位，m；q為河道旁側(cè)入流量，m3/s；C為謝才系數(shù)，m；R為水力半徑，m；g為重力加速度，m/s2；ρ、ρ2分別為保守物質(zhì)質(zhì)量濃度和源/匯質(zhì)量濃度，mg/L；D為縱向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；K為線性衰減系數(shù)，d-1。

研究區(qū)各河道經(jīng)整治后均為人工混凝土堤岸，參考張紅艷等[16]對河道糙率值分析成果，河道糙率取值為0.025；內(nèi)河涌污染物擴(kuò)散系數(shù)取值為 10.00 m2/s[17]。結(jié)合研究區(qū)當(dāng)?shù)氐乃磺闆r，初始水位設(shè)為1.50 m。為了便于半交換周期和水交換率的統(tǒng)計(jì)分析，參考匡翠萍等[18]的研究，假定橫琴中心溝水系水體保守物質(zhì)初始質(zhì)量濃度為1.00 mg/L，外江保守物質(zhì)質(zhì)量濃度取為0.00 mg/L。

2.2 評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)相關(guān)研究成果[13-14]，結(jié)合實(shí)際工作，本文以水體交換能力為評價(jià)指標(biāo)評價(jià)水資源調(diào)度方案，主要評價(jià)的因子為半交換周期和水交換率。半交換周期以MIKE11中的水動力模塊(HD)和對流擴(kuò)散模塊(AD)計(jì)算保守物質(zhì)運(yùn)移，根據(jù)模型計(jì)算的結(jié)果統(tǒng)計(jì)保守物質(zhì)交換一半的時(shí)間來確定。水交換率同樣根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)某個(gè)時(shí)刻保守物質(zhì)交換的比例，計(jì)算公式如下：

(3)

式中：Rt為t時(shí)刻水交換率；ρ0為初始保守物質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L；ρt為t時(shí)刻保守物質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L。

3 結(jié)果與分析

3.1 半交換周期對比

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，繪制各方案采樣斷面半交換周期如圖2所示(采樣斷面位置見圖1)。原調(diào)度方案條件下，橫琴中心溝水系各河段的半交換周期自西向東不斷增大，其中天沐河西閘半交換周期最小，僅為21.3 h。與天沐河相比，南、北環(huán)山河河段半交換周期相對較長。調(diào)度方案優(yōu)化后，橫琴中心溝水系各河段的半交換周期普遍降低，尤其是應(yīng)急調(diào)度方案條件下，天沐河各斷面半交換周期在 11.3～30.5 h之間，與原調(diào)度方案相比，各河段半交換周期降低了近50%。

圖2 各方案采樣斷面半交換周期

原調(diào)度方案引排水幅度較小，南、北環(huán)山河地勢較高，西側(cè)引進(jìn)的清水進(jìn)入南、北環(huán)山河較慢，尤其是南、北環(huán)山河?xùn)|側(cè)，水動力不足，延長了南、北環(huán)山河水體交換周期，導(dǎo)致水體交換能力弱，容易出現(xiàn)污染蓄積。景觀調(diào)度方案和應(yīng)急調(diào)度方案均增大了引排水幅度，應(yīng)急調(diào)度方案引排水位差達(dá)1.97 m，有效縮短了中心溝局部河段的半交換周期。可見，在珠江河口區(qū)，圍區(qū)內(nèi)利用外江潮汐動力實(shí)施水資源調(diào)度，可有效提高水體半交換周期。

3.2 水交換率對比

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，各方案橫琴中心溝水系的水交換率如表2所示，各方案中心溝水系的保守物質(zhì)質(zhì)量濃度分布見圖3。

圖3 各方案橫琴中心溝水系保守物質(zhì)質(zhì)量濃度分布

表2 橫琴中心溝水系的水交換率

景觀調(diào)度和應(yīng)急調(diào)度方案引排水幅度均大于原調(diào)度方案，且應(yīng)急調(diào)度方案引排水幅度大于景觀調(diào)度方案，中心溝水體置換量隨著引排水幅度增大而增大。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，景觀調(diào)度方案調(diào)度1次的水交換率是原調(diào)度方案的1.52倍，而應(yīng)急調(diào)度方案調(diào)度1次的水交換率分別是原調(diào)度方案、景觀調(diào)度方案的3.34和2.19倍。相對于原調(diào)度方案，水體置換總量增加，景觀調(diào)度和應(yīng)急調(diào)度方案水交換率明顯提高。

橫琴中心溝水系水體屬于劣Ⅴ類水，規(guī)劃近期水質(zhì)目標(biāo)為Ⅳ類，遠(yuǎn)期水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類,而磨刀門水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)Ⅱ類。橫琴中心溝水系水體主要受到生活污水污染，因而本文以COD作為水質(zhì)模擬指標(biāo)，通過模型計(jì)算各方案在調(diào)度4次后水體中COD質(zhì)量濃度。結(jié)合實(shí)際水質(zhì)情況，橫琴中心溝水系水體COD初始質(zhì)量濃度設(shè)為50.00 mg/L，磨刀門水道水體COD質(zhì)量濃度設(shè)為15.00 mg/L。按原調(diào)度方案調(diào)度4次后，橫琴中心溝水系水體COD質(zhì)量濃度均值為37.96 mg/L，可達(dá)Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；按景觀調(diào)度方案調(diào)度4次后，橫琴中心溝水系水體COD質(zhì)量濃度均值為29.56 mg/L，可達(dá)規(guī)劃近期Ⅳ類水水質(zhì)目標(biāo)；按應(yīng)急調(diào)度方案調(diào)度4次后，橫琴中心溝水系水體COD質(zhì)量濃度均值為16.87 mg/L，可達(dá)規(guī)劃遠(yuǎn)期Ⅲ類水水質(zhì)目標(biāo)。

4 結(jié) 語

橫琴中心溝水系屬于珠江河口圍區(qū)內(nèi)典型的河網(wǎng)區(qū)，水系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水體自凈能力受弱水動力條件的限制，通過水資源調(diào)度改善橫琴中心溝水系的水環(huán)境具有重要的意義。橫琴中心溝水系的東、西兩側(cè)磨刀門水道和十字門水道均受到潮汐的影響，在水資源調(diào)度時(shí)，需要充分利用潮汐特征制定調(diào)度方案。原調(diào)度方案中調(diào)度路徑、調(diào)度時(shí)機(jī)、調(diào)度方式均適宜，但引排水幅度較小，未充分利用本區(qū)潮動力。本文根據(jù)潮汐特征，調(diào)整了水資源調(diào)度的規(guī)模，優(yōu)化了調(diào)度方案，并提出以水體交換能力為評價(jià)指標(biāo)，評價(jià)了不同調(diào)度方案水體交換能力。優(yōu)化方案中心溝水系調(diào)水幅度增加后，整體水交換能力得到提升，半交換周期普遍縮短，水交換率提高。結(jié)合實(shí)際水質(zhì)情況，設(shè)定河網(wǎng)COD質(zhì)量濃度，模擬了不同調(diào)度方案對水質(zhì)改善程度，結(jié)果表明原調(diào)度方案難以滿足規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo)，而優(yōu)化調(diào)度方案可以滿足規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo)。可見本文提出的以水體交換能力為評價(jià)指標(biāo)評價(jià)水資源調(diào)度方案，可以在實(shí)際工作中快速評價(jià)無水質(zhì)資料地區(qū)調(diào)度方案的優(yōu)劣。