广佛跨界河流水质预警预报探索与研究

朱昆鹏，梁颖珊

(广东省水文局广州水文分局，广东 广州 510150)

1 概述

十八大以来，广州市大力推进生态文明建设[1]，全面开展了水环境综合整治，采用污染源控制、截污、清淤和补水等措施，全市水环境得到明显改善，河涌水质显著好转，但部分河流(涌)的水质仍为劣Ⅴ类[2]。河流(涌)现主要问题是快速发展对水环境的压力持续增加[3]，上游源头地区高速发展，水污染呈流域蔓延态势，“微容量、重负荷”问题依然突出，水质达标形势仍然严峻[4]。

广佛跨界河流“两涌一河”(芦苞涌、西南涌和白坭河)地处珠江三角洲网河区，位于北江大堤的中、下游堤段，是北江的分洪道[5]，流经鸦岗附近汇入广州河道的西航道，南流至白鹅潭，注入珠江。由于广佛跨界河流沿岸工业排污口众多、生活污水排污口密集，截污管网仍未实现完全覆盖，初雨面源污染对水质有较大影响[6]，河网水质未达标的现象依然存在。

本文以广佛跨界河流水质预警预报探索为重点，建立一维与二维耦合的水环境模拟模型，计算广佛跨界河流水域纳污能力，确定生态流量，探索水质变化趋势进行科学预报预警，系统推进水环境监控预警、水污染防治、水生态保护和水资源管理[7]。

2 研究内容与方法

2.1 水质现状

2019年10月，对西南涌、芦苞涌、九曲河、新街河、白坭河、流溪河及其支涌进行水质采样分析，并根据检测结果对各河涌及其支涌进行分析评价。 “两涌一河”干流中，氨氮、总磷、高锰酸盐指数3项指标，除西南涌、芦苞涌3项指标均符合相应水质目标外，其他的河涌均存在不同程度的超标情况，超标项目为氨氮、总磷。“两涌一河”支涌中，氨氮、总磷、高锰酸盐指数3项指标，高锰酸盐指数均能达到各支涌执行标准，化学需氧量、氨氮部分超标。其中，化学需氧量有30条支涌超标，占总调查数的48.4%；氨氮42条支涌超标，占总调查数的67.8%。

“两涌一河”各河流的点源入河排污口共64个，57个排污口水质不满足相应标准，超标率为89%。主要原因是广佛跨界流域人口密度较大，广佛跨界河流“两涌一河”受生活、农业、水产业等面源污染源及居民区或工厂企业入河排污口排污影响[8]，生活污染排放急剧增加、污水处理设施落后、周边流域的生态环境破坏严重和农业养殖业盲目发展。

2.2 研究范围

本文研究范围为广佛跨界“两涌一河”流域(西南涌、芦苞涌、流溪河口、新街河口、白坭河至鸦岗汇合口)集水区域，按照各分支水系汇水(排涝)区，结合区县行政区边界划分控制单元(见图1所示)。

图1 “两涌一河”研究范围示意

2.3 研究内容

1) 以水质水量同步监测、河道地形测量、污染源(入河排污口)现场调查为基础，在广佛2市4区的人口、农业、工业、水产养殖业等资料搜集及对河涌干流、支流、污染源、排污口调查和监测基础上，评价“两涌一河”的水质状况及主要污染来源。

2) 通过2018—2019年控制断面水质水量监测数据，测算重要控制断面生态流量及主要污染控制因子(氨氮、高锰酸盐指数)的污染物通量。

3) 根据2次72 h同步监测数据、“两涌一河”河道地形测量成果、水文特征、污染物特性，建立一、二维水动力水质数学模型，并进行率定验证。

4) 结合一、二维水动力水质模型计算的水质、流速结果，计算“两涌一河”流域纳污能力和生态流量。

5) 依托一、二维水动力水质模型，结合水质自动站在线监控数据，建立水动力与水质模拟与展示系统，关联水质预警预报方案。

2.4 研究方法

1) 水质水量监测。分别对2018—2019年“两涌一河”流域进行3次水质水量监测。测量断面分别为：西南涌水闸、芦苞涌水闸、国泰水、新街河、流溪河南岗、佛山出口、金沙洲出口、白坭河大坳、老鸦岗、九曲河、鲁岗桥、芦苞。水量测验时间为连续72 h，每小时测流1次。

2) 河道地形测量。对广佛交界的西航道进行网格二维水下地形测量。地形测量起点：西航道大洲岛尾，终点：中大、浮标厂处(见图2)。

图2 “两涌一河”二维模型实测地形示意

3) 水污染源调查。水污染源调查主要包括点源(工业、生活污染源)、内源与面源调查，以实地调查、数据收集及成果应用相结合的方式进行，并以实地监测进行补充。调查内容包括入河排污口的位置、类型、对应的污染源，主要污染物(氨氮、高锰酸盐指数)入河量。

4) 根据水质水量同步监测数据，验证实测数据的合理性，进而由实测数据分析“两涌一河”水位、流量变化特征。对流量数据统计分析，得出重要汊口分流比，分析分流比的影响因素，结合分流比计算结果，分析“两涌一河”现状存在的问题。分析测量期的水质数据，统计国考断面及重要汊口污染物贡献率，为国考断面/重要汊口确权划界提供数据支撑。

5) 一、二维耦合感潮河段水动力与水质模型建立及参数率定。根据广佛跨界河流干流及主要河涌集水范围及现状污水处理厂布局，将广佛跨界河流流域各控制单元的入河排污口进行概化，利用同步水文、水质实测资料对模型参数进行率定和验证，其率定参数作为下一步纳污能力计算的依据。

6) 生态流量计算与纳污能力计算。根据水文观测数据和枯水期流量，计算河流最小生态流量。根据广佛跨界河流的水动力和水环境条件，建立一维-二维耦合感潮河段水动力与水质模型。结合广佛跨界河流水质目标、水质现状、污染物(氨氮与高锰酸盐指数)排放及入河情况，计算纳污能力。

7) 水质预警预报。综合水质、水情及排污口监测信息，采用水动力模型及水质模型进行计算，模拟预测河段内水质变化情况，依据水质模拟结果实现水质的预警预报。

3 结果与分析

3.1 模型建立

1) 模型类型

对广佛交界的西航道开展水下地形测量，起点为西航道大洲岛尾，终点为中大、浮标厂处，构建一维-二维水动力水质耦合模型(见图3)。

图3 模型计算范围示意

2) 边界条件

① 一维模型上边界为西南水闸、芦苞水闸、国泰水、新街河、流溪河南岗，下边界为鸦岗；

② 二维模型上边界为鸦岗，下边界为中大水文站、浮标厂水文站；

③ 根据中大、浮标厂水文站实测资料，选取出168 h的大、中、小潮潮位变化过程，作为模型计算下边界；

④ 模型耦合边界为鸦岗断面。

3) 边界流量

白云湖引水量取10 m3/s、国泰水入流量取3 m3/s、新街河入流量取6 m3/s、流溪河入流量取32 m3/s。

4) 水质指标

水质指标包括氨氮及高锰酸盐指数。

5) 污染物

根据入河排污口调查与监测资料，统计分析各控制单元废污水入河量和主要污染物入河量，将排污口水量及污染物浓度作为旁侧入流(点源)加入一维或二维模型中。

6) 模型验证

采用2019年3月21日—2019年3月22日实测水文数据用于率定与验证。

7) 精度控制

根据模拟值与实测值的相对误差，误差多在10%以内，相距较远的九曲河相对误差偏大，在20%以内。

3.2 计算结果

1) 水域纳污能力

根据广东省、广州市、佛山市水功能区划，确定了各河流、水库水功能区2020年的水质目标，本次以该目标计算各水功能区纳污能力(见表1)。由计算结果可知：根据“两涌一河”流域纳污能力计算结果，西南涌佛山工业农业用水区高锰酸盐和氨氮的纳污能力分别为22 076 t/a、1 384 t/a；西南涌佛山广州过渡区高锰酸盐和氨氮的纳污能力分别为690 t/a、30t/a；芦苞涌高锰酸盐和氨氮的纳污能力分别为20 135 t/a、1 345t/a；白坭河高锰酸盐和氨氮的纳污能力分别为3 989 t/a、201 t/a；九曲河开发利用区高锰酸盐和氨氮的纳污能力分别为78 t/a、3 t/a。

表1 “两涌一河”水功能区纳污能力计算结果

2) 生态流量确定

芦苞水闸、西南水闸(简称“两闸”)在确保北江石角和河口的生态流量目标(石角断面230 m3/s，河口断面270 m3/s)基础上，通过两水闸的调度引水，整体达到跨界河流生态流量保障目标。运用已率定验证的广佛跨界河流一维水动力-水质模型，运用7Q10法，采用P=90%保证率最枯连续7 d的平均流量作为河流生态环境最小流量设计值(见表2)。

表2 广佛跨界河流生态环境最小流量设计值 m3/s

3) 水质预警预报

构建广佛跨界河流水动力与水质模拟及展示系统，以水雨情水质数据管理、水动力水质模型运算及可视化为核心需求导向，以网页B/S为建设及应用架构，以面向对象及面向服务为研发导则，结合二维WebGIS技术，实现了研究区域水动力水质模型的综合集成与水质预警预报模块初探，为广佛跨界河流的水动力水质模拟及预警预报提供直观化、智能化决策支撑。

广佛跨界河流水动力与水质模拟及展示系统需求分为3个方面：数据管理需求、模型集成及可视化需求、模型实时计算需求。

① 数据管理需求：水情、水质实时数据与历史数据的查询管理；污染源及调研数据的查询管理。主要依托二维GIS地图，结合图表联动进行数据展示(见图4)。

图4 一二维水质动画模拟界面示意

② 模型集成及可视化需求：对模型及相关输入输出数据进行预处理，在系统中进行综合集成；对水动力水质模型一维、二维成果进行转化及可视化。可视化方面包含：一二维流场、一二维水质、二维粒子示踪、调水路线、相关图表等(见图5)。

图5 系统粒子示踪模块界面示意

③ 模型实时计算需求：在模型集成的基础上，用户指定水动力水质边界及相关模型参数，接入水质自动站在线水质数据，进行实时的模型计算与成果转化，超出河段水质控制目标即进行示警和短信报送。

4 结论与建议

4.1 结论

1) 广佛跨界流域人口密度较大、工厂较多、周边农业种植及水产养殖业较为发达[9]，广佛跨界河流受点源、面源污染影响，均存在不同程度的水质超标现象，主要污染物为氨氮、总磷、化学需氧量。

2) 根据2018年8月、2019年3月、2019年7月的水质水量同步测验结果及相关计算，鸦岗断面氨氮、高锰酸盐指数在浓度及净污染物通量均呈下降趋势。

3) 广佛跨界河流生态流量保障措施主要分为东北片区的流溪河流域生态流量保障、西北片区通过两闸从北江引水(分水)及流域内区间河涌的生态补水等3部分，通过实施保障措施，可改善内河涌水动力条件，实现河涌生态补水，提高水体自净能力。

4) 当上边界给同一引水量时，水流传至鸦岗断面的时间随小、中、大潮依次减少；传播时间随引水量增加逐渐减少；引水量为50 m3/s时，传播时间最长，引水量为300 m3/s，传播时间最短。

5) 根据“两涌一河”流域纳污能力的计算结果，西南涌佛山工业农业用水区高锰酸盐和氨氮的纳污能力分别为22 076 t/a、1 384 t/a；西南涌佛山广州过渡区高锰酸盐和氨氮的纳污能力分别为690 t/a、30 t/a；芦苞涌高锰酸盐和氨氮的纳污能力分别为20 135 t/a、1 345 t/a；白坭河高锰酸盐和氨氮的纳污能力分别为3 989 t/a、201 t/a；九曲河开发利用区高锰酸盐和氨氮的纳污能力分别为78 t/a、3 t/a。

4.2 建议

“两涌一河”流域有大坳省考断面和鸦岗国考断面。根据《广州市水环境质量达标方案》，按照水环境质量“只能更好、不能变坏”的原则，2019年，鸦岗断面水质达到Ⅳ类标准；大坳断面水质力争达到Ⅳ类；2020年，各断面保持稳定达标。对此，以下提出几点建议。

1) 本次模型构建范围为“两涌一河”流域，难以全面、真实的范围广佛地区水质、水量的信息的变化。建议后期扩大模型构建范围，结合西南水闸和芦苞水闸的调度管理，使北江水顺利流入西南涌和芦苞涌，通过实施保障措施，改善内河涌水动力条件，实现河涌生态补水，提高水体自净能力。

2) 加强广佛跨界河流水质仿真模拟，定量评估“两涌一河”流域重污染河涌排污对断面水质的影响。充分考虑支涌汇流影响，需要将广佛跨界河流攻坚范围汇入“两涌一河”流域的支涌，做到统筹全局、精细化模拟。

3) 流溪河调水能力深入挖潜，应增加评估流溪河上游水库调度对鸦岗断面水质改善效果。增加对流溪河水量调度方案的数值模拟，评估流溪河水库日常生态补水、应急调度方案对鸦岗断面水质的影响。通过典型年份的模拟调度，总结提炼流溪河水库、黄龙带水库的生态补水方案。

4) 通过建立健全水域纳污红线管理问责体系[10]，完善水域监测体系，建立流域水资源保护和水污染防治协调机制，建立水功能区限制纳污红线管理制度。

5) 加强佛山、广州两市的协同治污模式[11]，理清“两涌一河”污染治理上下游各市的责任，并在实施中做到同步启动，同步推进，打破跨界河流污染治理中各自为政的局面[12]。

6) 加大工程措施对提高水体纳污能力的研究：主要有水工程调度、引水减污、疏浚清淤等工程措施的研究。水工程调度主要适用于有闸坝控制的水体，应结合水情、自然条件，加强水量调度，提出调度方案。引水减污应提出具体的工程规模、调水量，并分析提高水资源承载力的效果以及减污效果。

7) 严格限制在现状水质较好的区域建设大规模、重污染的开发项目。开展生态修复、重视面源和内源治理、加强水功能区的水质监测和主要入河排污口污染物监测。