东深供水工程取水口潮流上溯影响因素研究

林高松，廖国威，唐天均

(深圳市环境科学研究院，深圳 518001)

东深供水工程是为解决香港淡水供应困难而兴建的一项跨流域大型引水工程。目前，东深供水工程每年对香港、深圳和东莞沿线八镇的供水量分别占其用水总量的75%、50%和80%以上，供水安全对香港、深圳和东莞等地社会经济发展和人民健康具有极其重要的意义。

东深供水工程取水口位于东莞桥头镇太园泵站。取水口水质不仅受到东江上游来水影响，还受石马河溢流的威胁。石马河是东江的一级支流，发源于深圳市宝安区大脑壳山，河长约88 km，集水面积1 249 km2。石马河受纳了沿岸深圳、东莞的生活污水和生产废水，水质长期劣于地表水Ⅴ类标准。为防止石马河河水排入东江而影响饮用水源安全，目前实施了石马河调污工程，即在河口用橡胶坝阻拦将河水通过地下暗管排入小海河，流经企石水闸入东莞运河，从虎门出海口排出[1]。但橡胶坝截污能力有限，石马河流量较大时河水会溢流过橡胶坝而进入东江干流。石马河河口虽处太园泵站取水口下游，但距离取水口仅300 m左右，如果发生突发性污染事故导致石马河大量污染物溢流进入东江，并遇到潮流上溯，则污染物将会影响太园泵站取水口，严重威胁东深供水的水质安全。

石马河影响东深供水工程取水口的前提是潮流上溯。东江水利枢纽工程位于取水口上游约28 km，必要时可通过调节下泄流量来控制潮流上溯强度。理论上下泄流量增加至某个“临界值”后，取水口附近潮流不会上溯，从而避免石马河对取水口的水质污染。科学合理确定下泄流量的“临界值”，对于制定水利应急调度方案和保障东深供水水质安全具有重要意义。

水利工程调度是处置突发性水污染事件的一个重要手段[2-5]。丁洪亮等[2]利用平面二维水动力水质模型，分析了汉江丹襄段不同位置发生水污染事故时，丹江口水库不同应急调度方式对污染物的稀释掺混作用；余真真等[3]研究了小浪底水库运行方式对污染事件的调控能力及实施效果。部分学者也针对突发性污染事故的东江水库调度问题开展了研究[6,7]。例如，江涛等[6]模拟分析了不同下泄流量时石马河对东深供水工程取水口的水质影响，但其计算仅采用汛期一个典型潮位过程，未考虑下游各类复杂的潮汐条件，无法反映出最不利水文条件的影响，而且建模的水文验证数据较少，对结论的准确性也产生一定影响。此外，现有研究均未进一步探讨调度水量的“临界值”问题，即最不利条件下避免取水口附近潮流上溯所对应的最小下泄流量。

本文重点研究东江水利枢纽工程下泄流量对取水口附近潮流的影响，采用实测数据统计分析并结合数值模拟方法，计算出最不利潮汐条件下取水口潮流不上溯所对应的下泄流量临界值，为东江水利枢纽工程应急水量调度提供决策依据。

1 取水口断面潮流上溯特征分析

东深供水工程取水口的水文状况是下游潮汐和上游径流动力综合作用的结果。上游径流量主要受东江水利枢纽工程控制；下游潮汐是南海潮波通过伶仃洋-狮子洋-东江河口传导进入，属于不规则半日潮[8]。由于狮子洋等还受东江、北江、珠江的径流影响，潮汐状况较为复杂。为反映不同类型的下游潮汐和上游径流作用，筛选出潮流上溯对应的最不利水文组合，采用2017年3月22日-6月12日逐时实测流量数据进行分析，站点包括代表取水口断面的东岸站和代表东江水利枢纽工程的博罗站，剔除部分缺失数据后，共有样本1 922 组。样本的时间跨度82 d，包括了多种潮汐条件，博罗站流量范围从129～2 130 m3/s，平均值661 m3/s，基本代表了不同上游流量的影响。尽管样本无法反映出所有水文组合特征，但对上下游综合动力作用也具有一定的代表性。

根据统计，东岸站潮流上溯在大中小潮均可能发生，取决于上游径流和下游潮汐强弱对比。样本中东岸潮流上溯的比例为9.8%，平均上溯流量为203 m3/s；最大连续上溯累计流量为1 703 m3/s(2017年4月10日0∶00-2∶00)，期间博罗站平均流量为541 m3/s；最长连续上溯时间持续达4 h。

实测的东岸流量与博罗下泄流量的对应关系如图1所示。由于东岸流量还受下游潮汐影响，因此两者并没有显著的相关关系，但从图1仍可以看出，总体上随着博罗流量增加，东岸流量也相应增大。值得注意的是，东岸流量为负值(潮流上溯)所对应的博罗站流量往往较低，范围为128～880 m3/s，即样本显示博罗流量超过880 m3/s时东岸流量均为正值，未发生潮流上溯现象。考虑样本的有限性，对最右下侧两点进行连线，确保所有点均在连线左上方(见图1)，粗略判断博罗流量大于1 165 m3/s时可确保东岸流量为正。

图1 实测东岸流量与博罗流量的对应关系Fig.1 The relationship between measured Dongan's flow and Buoluo's flow

2 水动力模型

为尽可能全面反映所有水文组合特征和定量研究分析下泄流量对取水口潮流的影响，本文采用丹麦水力研究所(DHI)研发的MIKE21FM建立东江下游水动力模型。

2.1 模型基本原理

MIKE 21 FM水动力模型的控制方程为基于Boussinesq假定和流体静压假定的二维不可压雷诺平均N-S方程，即浅水方程。

(1)

(2)

(3)

MIKE 21 FM对控制方程的空间离散采用基于网格中心的有限体积法。计算域采用非结构化网格进行概化，网格可以是三角形、四边形的混合网格。非结构化网格不仅可以对复杂几何地形提供最优程度的拟合，对边界进行光滑处理，而且可以在重点区域布置较小的网格单元，非重点区域布置较大的网格单元，在提高预测精度的同时也提高了计算速度。

2.2 模拟范围

模拟范围包括了东江水利枢纽工程以下的东江干流段、东江河网和狮子洋(图2)。上游边界包括东江干流的水利枢纽工程和曾江的麒麟嘴，下游边界包括黄埔和虎门。

图2 计算范围Fig.2 Location of study area

本文的研究重点是水利枢纽工程至石龙的东江干流河段。但考虑到石龙受径流影响较大，如果模拟范围下边界仅至石龙，则建模后作情景计算时上游边界流量可能会影响下游边界潮位，导致结果不准确。因此，将计算范围扩大至狮子洋。需要指出，开边界理论上还应包括沙湾水道，但由于缺乏该边界实测潮位数据，因此简化作陆边界处理。由于沙湾水道距离东江干流较远，相互作用不明显，这种处理方式并不影响东江干流模拟结果的准确性。

网格划分采用了三角形、四边形的混合网格，其中东江干流段尤其是取水口附近作加密处理，计算范围内共划分网格9 620 个。

2.3 数据来源与参数取值

东江干流及河网区的地形采用2016年航道图，狮子洋的地形采用2015海图。上游(东江水利枢纽工程、麒麟嘴)边界条件采用流量逐时实测值，下游(黄埔、虎门)边界条件采用潮位逐时实测值。时间从2017年1月1日至6月30日。

模型的涡黏系数选取Smagorinsky公式，Smagorinsky系数取0.28。曼宁系数根据实测水文数据进行校正，取值范围30～70 m1/3/s。

2.4 模型验证

采用2017年3月16日-6月12日东岸的流量和水位实测数据进行验证，部分验证结果如图3和图4所示(4月3日0∶00-4月11日0∶00)。东岸水位模拟结果与实测值吻合较好，平均误差0.06 m；流量平均误差112 m3/s。总体而言，模型误差在可接受范围内，并能较准确地反映出研究区域的水动力特征。

图3 东岸断面水位验证Fig.3 The verification result of water level of Dongan section

图4 东岸断面流量验证Fig.4 The verification result of flow of Dongan section

3 潮流上溯影响因素模拟分析

3.1 东江水利枢纽工程下泄流量的影响

为定量分析上游流量对取水口潮流的影响，采用模型模拟水利枢纽工程不同下泄流量对应的潮流状况。模拟时段从2017年1月1日至6月30日，时间上涵盖了旱季、雨季，基本包括各种下游潮汐边界条件。本研究重点关注石马河污染取水口的潜在风险，为体现最不利潮汐条件，潮流上溯强度采用模拟时段内取水口断面逐时流量的最小值表示，流量越小则潮流上溯强度越大。东江水利枢纽工程下泄流量分别取800、1 000、1 200、1 300、1 400和1 500 m3/s几种情况计算，结果如图5所示。

图5 模拟下泄流量与潮流上溯强度关系Fig.5 The relationship between the simulated discharge flow and the trend of upstream

由图5可见，下泄流量与取水口断面潮流上溯强度总体上呈线性负相关关系，即潮流上溯强度随下泄流量增加而减小。当下泄流量增加至1 400 m3/s左右时，取水口断面最小流量为0，即水流不再上涨。经试算，下泄流量临界值为1 380 m3/s。

3.2 石马河流量的影响

石马河河口距离取水口仅300 m，而连续降雨情况下石马河流量较大[1]。为反映汛期石马流量对取水口断面水文的影响，这里假定下泄流量为1 380 m3/s，分石马河无溢流和石马河溢流量为200 m3/s两种情况，计算取水口的水文状况，最不利下游边界边界条件下的流量过程如图6所示。

图6 石马河溢流对取水口断面流量影响Fig.6 Influence of Shima River overflow on flow of the water intake section

由图6可见，石马河溢流量为200 m3/s情况下取水口断面的流量最小值略有上升，总体而言两种情况下取水口断面流量过程变化并不明显。主要原因是取水口位于石马河上游，而石马河溢流主要影响其下游的水文过程。因此，东江水利枢纽工程下泄流量增加至1 380 m3/s后，石马河溢流并不会改变取水口潮流流向，甚至对潮汐上溯略有抑制作用。

江涛等[6]针对石马河泄洪对东深供水工程取水口水质的影响进行了研究分析，结果显示石马河泄洪量越大则东江水利枢纽下泄流量越大才能使取水口氨氮达标，其中石马河泄洪量为200 m3/s时，下泄流量需达到1 770 m3/s[6]。本文研究表明，在最不利潮汐条件下，当东江水利枢纽工程下泄流量达到1 380 m3/s时，即可抑制取水口附近潮流上溯，此时石马河泄洪量并不会改变取水口潮流流向，也不会影响取水口水质。本文研究结果与文献[6]结论存在较大差异。

根据2017年3-6月的逐时实测数据，东岸流量为负值(潮流上溯)时的博罗站流量范围为128～880 m3/s，即下泄流量超过880 m3/s时取水口附近均未发生潮流上溯现象。考虑样本的有限性，本文第1节对实测数据进行了统计分析，初步判断博罗流量大于1 165 m3/s时可确保取水口流量为正。监测数据的下泄流量范围从129～2 130 m3/s，基本包括了不同下泄流量的影响，虽然不能反映出所有水文组合特征，但仍具有较强的代表性。

本文模型模拟结果(1 380 m3/s)与实测数据的统计分析结果(1 165 m3/s)比较接近。由于模型模拟的周期更长，可以更方便和全面地设置各种水文条件进行分析，计算结果会更偏保守(即临界值更大)。因此，结合实测数据的分析结果与模型模拟结果，可认为本文的研究结论是合理的。

3.3 河床地形的影响

东江下游受上游建库及人工采沙等人类活动的强烈影响，河床高程显著降低，已成为影响潮流上溯的一个重要因素[9,10]。假定东江干流从水利枢纽工程至石龙段河床高程分别下降2和6 m并进行计算，则潮流上溯强度明显增加。试算结果显示，东江水利枢纽工程下泄流量需分别增加至1 550和1 660 m3/s，才能确保取水口附近不发生潮流上溯现象。

4 结 语

本文利用现有水文监测数据并结合数值模拟方法，针对东江水利枢纽工程下泄流量对东深供水工程取水口潮流上溯的影响进行了研究分析，结果表明：

(1)东深供水工程取水口的水文状况与下游潮汐、上游径流、地形等有关。东江水利枢纽工程的下泄流量对取水口潮流上溯具有抑制作用。当下泄流量达到1 380 m3/s时，取水口附近潮流不再上溯。如果石马河发生严重溢流事故，建议东江水利枢纽工程下泄流量不低于1 380 m3/s，确保避免潮流上溯影响取水口水质。

(2)下泄流量大于取水口潮流上溯的临界值(1 380 m3/s)时，石马河溢流流量增加并不会改变取水口潮流流向，因此溢流污染物也不会影响取水口水质。

(3)潮流上溯强度与地形密切相关，如果东江干流河床分别下切2和6 m，则为防止取水口潮流上溯的东江下泄流量分别增加至1 550和1 660 m3/s。

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参考文献：

[1] 高 磊,陈建耀,朱爱萍,等. 基于SCS模型的跨界小流域物质通量估算——以东莞石马河流域为例[J]. 中国环境科学,2015,(3):925-933.

[2] 丁洪亮,张洪刚. 汉江丹襄段水污染事故水库应急调度措施研究[J]. 人民长江,2014,(5):75-78.

[3] 余真真,张建军,马秀梅,等. 小浪底水库应急调度对下游水污染事件的调控[J]. 人民黄河,2014,(8):73-75.

[4] 冯民权,范世平,杨建明,等. 基于非恒定流的污染物迁移扩散随机模拟[J]. 自然灾害学报,2011,(5):11-17.

[5] 余昭辉,夏建新,任华堂. 水库不同调度措施对突发污染带迁移的影响[J]. 人民黄河,2015,(3):84-88.

[6] 江 涛,钟 鸣,邹隆建,等. 石马河泄洪与东江水利枢纽调节不同情景下东江水质的模拟与分析[J]. 中山大学学报(自然科学版),2016,(2):117-123.

[7] 黄国如,李 春. 东江干流突发性重金属污染的水库调度效应研究[J]. 水电能源科学,2013,(6):82-85.

[8] 方升豹. 东江三角洲潮流特性分析[J]. 人民珠江,1990,(2):28-31.

[9] 季荣耀,陆永军,左利钦. 东江下游博罗河段人类活动影响下的河床演变[J]. 泥沙研究,2010,(5):48-54.

[10] 贾良文,罗章仁,杨清书,等. 大量采沙对东江下游及东江三角洲河床地形和潮汐动力的影响[J]. 地理学报,2006,(9):985-994.