海口市龙昆沟水系水量调度数值模拟

黄国如，冼卓雁，冯 杰，翁白莎

(1.华南理工大学 土木与交通学院, 广东 广州 510640;2.中国水利水电科学研究院 水资源研究所, 北京 100038)

海口市龙昆沟水系水量调度数值模拟

黄国如1，冼卓雁1，冯 杰2，翁白莎2

(1.华南理工大学 土木与交通学院, 广东 广州 510640;2.中国水利水电科学研究院 水资源研究所, 北京 100038)

龙昆沟是位于海口市主城区的排洪河道,受人类活动破坏和潮水顶托影响,水体污染严重。拟利用现有水利工程对龙昆沟水系进行联合调度,以改善其水环境现状。为确定合理调水方案,以不同潮位和调水流量作为边界条件,构建水动力水质模型，模拟水量水质变化过程。结果表明,枯水大潮和枯水小潮期应分别采用间断性和连续性调水，红城湖与东西湖联合调水可有效地解决龙昆沟、大同沟及东西湖水质问题。

海口市；水量调度；水动力模型；水质模型

“以动治静、以净释污、以丰补枯、改善水质”的水环境调度是河网地区迅速改善水环境的一种有效措施,通过对现有闸站等水利工程联合调度,使河涌由往复流变为单向流,增加净泄量,使长期回荡的污水及时排出,达到改善河涌水质，初步消除黑臭现象的目标[1-3]。近年来很多学者通过构建河流水量水质模型,合理确定水量调度方案并实现方案最优化,在大量的水环境规划管理实践中得到成功应用[4-7]。龙昆沟为海口市中心城区的主要排洪河道,因管理不善及潮水顶托,工农业和生活废污水蓄积回荡在河道内,造成河道污染，严重影响居民生活。为改善龙昆沟现状,拟利用河湖水体动力特性,实行龙昆沟水系联合调度。本文分析不同潮位和流量情形下龙昆沟下游河段水流和水质变化状况,以便确定合理的调水方案,改善海口市中心城区的水环境质量。

1 研究区域概况

龙昆沟水系位于海口市中心城区,主要由四条河流和三个湖泊组成(图1和表1)。上游连接红城湖,在中游处分为东崩潭和西崩潭,东崩潭起自解放军187医院附近,沿龙昆南路东侧,经目客村、道客村等地;西崩潭起自金牛岭人工湖闸下,沿海秀大道自南向东直至与东崩潭汇合,汇合后河道沿龙昆北路经九孔涵入海;下游有大同沟与东西湖相连。

图1 龙昆沟水系示意图

表1 龙昆沟水系各水体概况

水体名称长度/km平均河宽/m面积/km2龙昆沟3.72817.0西崩潭1.4007.5东崩潭0.5955.0大同沟1.50015.0红城湖0.36金牛岭人工湖0.20东西湖0.10

综合考虑该水系及周边河流实际情况,预设红城湖与东西湖联合调水方案(图1),利用美舍河流域的河口溪泵站,抽南渡江水至红城湖,再以一定流量出流稀释龙昆沟中下游水体，考虑到红城湖比河口溪泵站高约5 m,需在河口溪泵站处修建长度约2.5 km的涵管至红城湖;利用美舍河橡胶坝工程调水至东西湖,使原来水体间的往复流变为单向流,让东西湖及大同沟水在大同沟口汇入龙昆沟后出流入海,改善整个龙昆沟水系水质。

2 模型构建

为确定合理调度方案并实现方案最优化,水流水质的数值模拟在水环境规划管理中尤为重要。河网水流数值模拟通常分为组合单元法[8]和一维圣维南方程组数值解法[9],圣维南方程组是描述河道中渐变非恒定水流运动规律的偏微分方程组,由反映质量守恒定律的连续方程和反映动量守恒定律的运动方程组成,利用有限差分法求解该方程组,构建该河网水系水动力模型[10]。

水质数值模拟方法与水流模拟相似,也分为组合单元法[11]和一维对流扩散方程求解法[12]。后者假定物质在横断面上完全混合,物质守恒或者遵守一阶反应动力学,符合Fick扩散定律,扩散速率与浓度梯度成正比,设定一个恒定的衰减系数模拟非保守物质,基于质量守恒原理,建立一维对流扩散方程,采用时间和空间中心隐式差分格式对模型进行求解,模拟物质在水体的对流扩散过程[10]。

龙昆沟水系河道断面形式较为规则,断面间距约50 m～400 m,对重点研究区域则加密断面,如龙昆沟中下游、大同沟口等。上游流量边界条件由不同调水方案确定,考虑到已建水利工程规模,红城湖、东西湖分别采用1 m3/s、2 m3/s和3 m3/s共9种流量组合进行分析。考虑感潮河段受潮位变化牵引影响,龙昆沟下游水位边界分别采用海口站2006年1月3日和2006年1月21日潮位过程线,如图2所示。两个潮位过程颇具代表性:(1) 前者潮差较大且高低潮位分明,可利用高潮涨憩后的退水牵引力使河涌污水顺流出海;(2) 后者潮差较小且高潮位较低,对龙昆沟下游感潮河段影响较小,可实行小流量连续调水措施。

图2 潮位过程线

龙昆沟水系河湖水质较差,总体只有Ⅴ类水标准,部分河段达到劣Ⅴ类水。根据地表水环境质量标准和工程实际情况,选取COD作为水质控制因子,龙昆沟水系各水质边界条件取值为40 mg/L,河道糙率n取0.025,扩散系数为0.05 m2/s[13-14]。

3 结果分析

红城湖和东西湖同时出流,分别采用1 m3/s、2 m3/s和3 m3/s共9种组合,分别考虑枯水大潮和枯水小潮两种情况。

(1) 枯水大潮情况

下游水位边界条件采用枯水大潮,为区分河段断面,龙昆沟下游指大同沟口到出海口段,中游指龙昆沟与东崩潭交汇处到大同沟口段。

通常来说,下游潮位较高时,使用较大流量下压顶托潮水,更有可能利用水动力实现理想的水质改善[15]。故直接考虑红城湖与东西湖同时出流3 m3/s时大同沟口附近区域流量数值模拟结果,如图3所示,涨潮期间,龙昆沟上游持续来水,下游潮水顶托,水难以排出外海,只能在龙昆沟内回荡,部分分流至大同沟,出现逆流现象。开始退潮后,退潮力牵引和上游来水下压共同作用,龙昆沟下游和大同沟均改变水流流向,且流量迅速增大,远大于上游调水流量。

图3 红城湖与东西湖同时出流3 m3/s时

大同沟口附近区域流量模拟过程

因此,枯水大潮期间想要调水整治水环境,最好选择在高潮涨憩后调水,这样可充分利用高潮涨憩后的退潮牵引力,可适当减少调水量,更好地达到调水改善水质目的。

由于上游感潮河段存在退潮时间的延迟性,当出海口高潮涨憩后2 h,感潮河段末端(大同沟口附近)流量才逐渐变为正值。故假定在高潮涨憩后2 h,红城湖和东西湖同时出流3 m3/s,龙昆沟水系水流数值模拟过程如图4所示。

从图4可看出,龙昆沟下游基本上不受潮水顶托,未出现长时间大流量的逆流现象,红城湖和东西湖水均能顺利地流至龙昆沟,继而出流入海,实现水质改善目标,与预期设想基本吻合,也验证了高潮涨憩后2 h开始调水为较为理想的调水方案。

在此调水方案情景下模拟该河网水系的水质变化过程,选取大同沟口到出海口河道的三个断面,断面1靠近出海口,断面3靠近大同沟口,断面2位于两者中间,结果见图5。开始调水后,龙昆沟下游河段污染物浓度迅速降低,水质有很大改善,证明这是一种行之有效的水环境整治方法。

图4 高潮涨憩后2 h调水龙昆沟流量模拟过程

图5 红城湖和东西湖均调水3 m3/s情况下

龙昆沟水质变化过程

因此,在枯水大潮期间调水,最好选择高潮涨憩后1 h～2 h开始,且河涌内必须实行截污控源等综合措施,以保证调水整治水环境的良好效果。

(2) 枯水小潮情况

采用枯水小潮为下游水位边界条件,各流量组合情形下龙昆沟水流数值模拟结果见图6。

由图6可知,枯水小潮期间,如果调水量太小,遇到下游高潮位时,龙昆沟下游与大同沟也会出现短时间的倒流现象。枯水小潮期间最好实行连续调水,同时实际调水过程中应根据潮位起伏来选择相应的调水量,调水量太小,调水水动力效果不理想,盲目地增大调水量,容易造成水资源浪费。

当采用红城湖出流1 m3/s、东西湖出流2 m3/s这一流量组合进行调水时,既不出现倒流又不浪费水资源,为较为合理的调水方案。为了解该调水方案下污染物浓度变化过程,利用与枯水大潮时相同的模拟算法,进行水质模拟计算,结果见图7。从图7中可以看出,龙昆沟下游感潮河段污染物浓度迅速降低,水质得到明显改善,说明该方案为行之有效的水环境治理方案。

图6 红城湖与东西湖各种调水流量组合下龙昆沟流量模拟过程

图7 红城湖调水3 m3/s且东西湖调水2 m3/s情况下龙昆沟水质变化过程

4 结 语

建立龙昆沟水系水量水质联合调度模型,模拟不同潮位过程和调水流量下控制断面的水流水质过程,可得出如下结论:

(1) 龙昆沟水系感潮特性决定了水流水质模拟时必须考虑外海潮位对水流的顶托或牵引作用。枯水大潮期间,潮位顶托会使污水难以排出外海,调水应尽量避开高潮涨潮,故应采用间断性调水方式,高潮涨憩后2 h开始调水,可以充分利用退潮牵引力,达到事半功倍效果;而枯水小潮期间调水,潮位变化对污水排放影响不显著,可实行连续调水方式,采用较小流量可实现水环境整治目的,且不会浪费水资源；

(2) 采用红城湖与东西湖联合调水可利用东西湖调水量下压大同沟逆流的污染物,可同时解决龙昆沟、大同沟及东西湖水质问题,在实际调水过程中,具体调水时间及调水量还须根据龙昆沟水系的实际情况加以确定；

(3) 利用相对干净水体对污水进行冲刷能快速改善河网地区水环境,但仅依靠水动力完成水体更新只是治标不治本的方法。建议在进行调水冲污的同时,实行截污控源等综合措施,力求从源头上减少污水量,双管齐下才能达到整治水环境的良好效果。

[1] 钱 玲，刘 媛，晁建颖.我国水质水量联合调度研究现状和发展趋势[J].环境科学与技术，2013,36(6):484-487.

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Numerical Simulation of Longkungou River Integrated Dispatch in Haikou

HUANG Guoru1, XIAN Zhuoyan1, FENG Jie2, WENG Baisha2

(1.SchoolofCivilEngineeringandTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510640,China;2.DepartmentofWaterResources,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China)

Longkungou, which is located in Haikou, is the main drainage channel of the city. It has been seriously polluted by the human activities and tide push. Regarding to this situation, it was proposed to divert clearer water from other lakes and rivers in Longkungou river system into Longkungou by adopting the existing hydraulic channels, so as to improve its water environment. In order to determine a suitable water diversion plan, a hydrodynamic water quality model was established to simulate the changing process of the flow and quality with different tide levels and water diversion amounts as the boundary conditions. The results suggest that intermittent mode and continuous mode should be adopted during the low water high tide and low tide period respectively. Besides, the combined water diversion from Hongcheng lake and Dongxi lake can solve the water quality problems of Longkungou river, Datonggou river and Dongxi lake at the same time.

Haikou city; water diversion; hydrodynamic model; water quality model

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.05.002

2015-04-10

2015-05-15

水利部公益性行业科研专项经费项目(201401048)

黄国如(1969—)，男，江苏南京人，教授，博导，主要从事水文水资源研究工作。 E-mail:huanggr@scut.edu.cn

P333

A

1672—1144(2015)05—0005—04