广佛交界河段水动力水质模拟与水质预警系统

2022-10-09孔俊文

佛山科学技术学院学报（自然科学版） 2022年5期

孔俊文

（广东省水文局佛山水文分局水资源科，广东佛山 528000）

2013 年，广佛跨界水污染整治问题被省挂牌督办，为此，佛山市出台了一河一策方案，将42 条重点内河涌纳入第一批整治范围，西南涌就是其中之一。佛山水文分局在西南涌、芦苞涌开展了水环境承载能力研究，自2015 年至今，在西南涌和顺大桥、南浦大桥及芦苞涌象岭大桥、老鸦岗、九曲河等地建成了一批水质水量自动监测站，经过一段时间的调试、水量率定，组建成了水质水量自动在线监测系统。

为进一步深入探讨该区域的水环境问题，研究广佛交界河流水文变化规律、污染物输送转移规律、区域水环境容量以及上游闸门放水对下游水质改善机制，结合水文专业特点，佛山水文分局建成了感潮河段水动力、水质模型，并在此基础上建立了“两涌”水质预警系统。预警系统能对各种水环境风险管理方案和不同防治情景的实施效果进行模拟，从而实现河道水质超标预警功能，为“两涌”的水质自动化管理提供一个效率高、实用性强的运行环境，最终为各级政府部门开展水环境保护和整治、河湖长制工作的实施提供重要技术支撑。

1 河流水系概况

西南涌自佛山市三水区西南水闸（1957 年建成）起，向东流经三水区高丰，在南海区的官窑附近与芦苞涌汇合，再向东流经南海区的和顺、里水等镇，在鸦岗附近与流溪河汇合后注入珠江，全长41 km。

芦苞涌西起芦苞水闸（1921 年建成），流经佛山市三水区的乌石岗，经长歧村分为南北两支。北支前段为九曲河，后段为白坭水；南支为古云东海，流经佛山市三水区的虎爪围、广州市花都区的炭步镇、大涡、文岗等，于佛山市南海区的官窑附近注入西南涌，全长34.64 km。

西南水闸、芦苞水闸为大型分洪闸，是北江大堤防洪工程的重要组成部分，洪水期承担北江的分洪任务，目的是减轻北江大堤的防洪压力；平、枯水期引水入涌，为该流域农田灌溉和改善水环境创造有利条件。西南涌、芦苞涌河流水系示意图如图1 所示。

图1 西南涌、芦苞涌河流水系示意图

2 建模原理

感潮河段水动力模型的控制方程选用以一维非恒定流方程为基础的河段—节点—河段模型作为水流（水量）计算模型，在特定时期的边界条件下，模拟河道流量状况［1-2］。

一维潮流数学模型采用圣维南方程组，即

其中，h 为断面水位，m；Q 为流量，m3/s；A 为河道过水面积，m2；g 为重力加速度，m/s2；B 为过水宽度，m；q为旁侧入流流量，m3/s；R 为水力半径，m；c 为谢才（Chezy）系数；x、t 为位置和时间坐标。

3 模型构建

3.1 河网概化

根据研究区域芦苞涌、西南涌等河流形势图，在MIKEHYDRO 一维水动力、水质模型软件中构建出矢量图数据用于模型的运算。本研究所用水下地形为2011 年实测资料。为了提高模型精度，2016、2017年补充测量九曲河、芦苞涌、西南涌地形资料。根据多波束测量结果，每隔100 m 至500 m 生成横断面信息，作为建模的水下地形资料输入，如图2 所示。

图2 西南涌、芦苞涌河网概化图

3.2 模型主要参数

3.2.1 河床糙率

结合河涌地形图，通过实测数据进行模型参数率定，两涌河网水动力数学模型的曼宁系数为西南涌0.027、芦苞涌0.025。

3.2.2 时间步长和空间步长

可能因为参赛者所留地址不准确或地址变更，部分月赛奖品寄出后又被退回，请未收到奖品的获奖作者与我们联系，电话：0577-62318835 010-66095548

水动力模型采用Abbott 六点隐式格式，对时间步长没有限制，但建模过程表明，过大的时间步长容易使计算结果失真，而过小的时间步长则容易使计算失稳。同样，过大的空间步长无法真实地反映河道现状，但过密的河道断面则容易导致模型发散［3］。考虑到模型计算稳定性要求以及计算效率，两涌水动力模型的时间步长取为5 s。河道地形断面间距根据河涌不同控制在100 m 至500 m 左右，在河道交接位置适当增加断面密度。

3.2.3 污染物扩散系数与降解系数

通过同步测量、水质水量自动监测站的数据的率定，最终确定污染物的混合扩散系数为15 m2/s。氨氮的降解系数为0.003 5 mg/L×hour。调整参数后，模拟结果与水质自动站以及同步测量结果基本吻合。

3.3 边界控制条件

感潮河段水动力、水质模型采用边界条件是：上边界西南水闸以及芦苞水闸在线流量以及北江当月水质监测浓度，下边界金溪自动站在线水位。上边界流量以及下边界水位、水质资料均为水量、水质自动站在线资料。

3.4 模型验证

利用实测数据对水动力、水质模型进行率定和验证［4］。水动力、水质模型的验证效果良好，模拟与实测两组流量数据相关系数为0.982 0，如图3、4 所示，可见本研究的水动力模型的流量模拟效果较好，模拟值和实测值基本一致。

图3 街头断面大潮期流量实测与模拟效果比较

4 水质预警系统建设

4.1 系统设计背景

为提高西南涌、芦苞涌水动力水质模型的时效性，模型实时调取模拟时段内的在线水文、气象、调水数据及相关水质指标监测数据源，针对水体中主要污染指标进行常规模拟，重现或预测各个不同时段水体的水质状况，对各种水环境风险管理方案和不同防治情景的实施效果进行模拟，实现水质趋势分析与预警。佛山水文分局建设了水质预警系统，该系统应用上述已构建的水动力水质模型，模拟截污和优质水稀释等不同管控情景下，目标断面和河道水情水质演变过程情况［5］。

图4 街头断面小潮期流量实测与模拟效果比较

4.2 系统功能介绍

水质预警系统数据繁多，并且涉及到多个部门数据汇集，因此数据库的构建是从不同的外部数据源在线抓取、过滤、存储，实现数据同步共享。数据库设计时考虑到满足实际工作中多类型信息来源、非规范化信息来源的存储、调用的要求，其中，水文数据以及水质数据来源于我局以及流域机构自动监测站数据平台，如表1 所示；气象数量来源于国家气象大数据中心。

表1 水质预警系统在线数据源

4.2.2 “流域概况”功能

流域概况能直观显示流域内各自动监测站点各时段的水位、流量、水质参数过程线，并具备数据导出与保存功能，如图5 所示。

图5 水质预警系统流域概况水位流量过程线

4.2.3 “降雨实况”功能

降雨实况模块界面包含“降雨数据”、“降雨图层”两个功能区，降雨图层中包含了未来72 小时逐1、3、6、12、24 小时降雨预报图层，短临2 小时图层，过去1、3、6、12、24、7 天累计降雨图层，点击各图层后会按照不同时段加载不同降雨分布图。通过点或面选取工具在地图上选取任意区域就能统计出区域降雨情况，如图6 所示。

图6 水质预警系统降雨实况模块雨量统计

4.2.4 “实时趋势”功能

实时趋势模块利用数据库中的在线数据以及上述感潮河段水动力、水质模型参数进行实时的逐小时滚动计算。计算结果根据所选择的条件在GIS 地图上进行动态播放显示，如图7 所示。

4.2.5 “情景模拟”功能

情景模拟模块通过自定义预警的边界条件以及利用模型计算的初始条件，对各种水环境风险管理方案和不同防治情景的实施效果进行模拟，从而实现河道水质超标预警功能，也能比较不同情景下多个模拟结果，为调度决策提供科学的预测依据，如图8 所示。

图8 水质预警系统多个模拟结果及方案对比图

4.2.6 数据同化计算

针对在线系统长期运行的数据发散问题，本系统增加了数据同化功能，该功能根据水文水质自动站的水位、流量及水质在线实测数据进行了数据同化计算，自动调整相应的水动力参数，保证模型持续改进，正常运行。

5 水质预警系统的应用及展望

感潮河段水动力水质模型以及水质预警系统建模至今已经多次应用到实际工作中，佛山水文分局水资源论证水量分析计算、水质污染物通量计算、西南涌补水论证流量水质模拟等项目都用到了该模型，其中，西南涌补水论证流量水质模拟项目模拟了最枯特征月西南水闸、芦苞水闸过闸流量分别为50、20、10 m3/s 时，西南涌、芦苞涌各断面的水位流量、槽蓄量情况，判断是否满足生态需水以及水质改善情况。街头、象岭断面除特枯不补水工况下，流量不能满足6.64 m3/s 的生态需水流量外，其他工况均能满足。当西南水闸和芦苞水闸日均过闸流量为50 m3/s 时，和顺断面氨氮浓度能达到Ⅳ类水标准，如表2 所示。