面向水环境改善的水系调度方案研究——以A联围为例

汪 聪,程树辉,郭鑫宇,王少伦,沙 桐,杨敬畏,宋雅阁

(北京市市政工程设计研究总院有限公司,北京 100082)

随着《水污染防治行动计划》的实施,各地日益重视水污染治理,我国的水生态环境已得到根本性好转。但已“消黑消臭”水体“返黑返臭”现象时有发生,尤其是在我国南方沿海地区,地势平坦、水量丰富、水系发达,往往还受潮汐影响。在潮汐作用下,水体形成周期性的往复流,水体流态异常复杂,水体顶托十分严重。污染物在内河涌长年累积,使水环境不断恶化[1-2]。而充足的水动力是维持水环境健康发展的长效保障[3-5]。

为改善这一现状,通过水系调度将水体的往复流转变为单向流来增强水动力、改善水环境,不失为一种有效措施[6-7]。水系调度一般通过运行水闸、泵站等水利设施来实现,水利设施在保证水安全的基础上,会进行换水来改善水环境,但仅凭经验进行无规律、不成系统的调度,往往难以达到预期效果。因此,许多学者通过模型来评估水系调度对水动力、水质的改善作用。赵也等[8]采用MIKE 11模型评估黑臭水体治理目标的可达性,验证了MIKE 11软件在水质、水动力评估方面的可行性。陈瑶雪等[9]应用MIKE 11水质-水动力模型,以改善水环境为目标,探索了锡山区水系调度方案。张海军等[10]利用MIKE 11软件构建了嘉兴市区河网的水动力-水质模型,研究了水闸联合调度对河网水质的影响,研究结果表明科学合理的水系调度可改善区域水环境。张海丽等[11]通过MIKE 11模型评估了泵站联控对潮汐河道水质、水动力的影响,为潮汐河网地区的相关研究提供了参考。

综上,通过水系调度来增强水动力、改善水质已成为保障水环境健康发展的重要措施,运用数学模型评估水系调度方案的合理性是科学有效的方法。本研究在区域实施“控源截污、内源治理”工程措施的基础上,针对整个联围200多条河涌、30多个外江水闸、河网密度达2.5 km/km2的平原型感潮密集河网地区进行水系调度来改善水动力与水质。

1 研究区域概况

A联围位于我国南方沿海地区,降雨雨型主要是锋面雨、台风雨,多年平均降雨量为1 875.3 mm,实测最大年降雨量为2 745 mm,最小年降雨量为999 mm,降雨主要集中在汛期,4月—9月的降雨量占全年降雨量约83%。围内包括3个镇,总流域面积约为118 km2,围内共有河涌205条,河涌总长约为290 km,河网密度达2.5 km/km2。外江水闸35个,均为上提式防洪挡潮闸。围内地势平坦,自然地面几乎无高差,总体呈北高南低态势。整个联围被外江所包围,北面为鸡鸦水道,南面为小榄水道,东面为容桂水道,受西江潮流影响,24 h 50 min内两涨两落。所有河涌均为潮汐河道,内河涌水流为往复流,没有固定流向,该区域属于典型的密集平原型感潮河网地区。外江水质优良,常年保持在Ⅱ～Ⅲ类水,A联围具有良好的外部水质条件。

根据镇区划分以及水系调度现状,研究区域共分为D1、D2、D3、D4 4个分区,如图1所示。围内河涌总体呈南北走向,4个分区中央均有东西走向的骨干河涌贯穿整个分区,D1、D2、D3、D4分区中心河涌分别为中心排灌渠1、新开涌、鸦雀尾涌、中心排灌渠2。D1、D4分区控制内河涌最高水位为1.0 m(珠基,下同),D2、D3分区控制内河涌最高水位为0.8 m。现状水闸的主要作用是保障水安全,同时也会利用外江潮位差进行换水,换水时水闸的调度均为“两边引两边排”,即同一水闸既是进水闸也是出水闸,涨潮时引水,落潮时排水,导致河涌均为往复流,换水效率低下。

2 研究方法

2.1 计算模型简介

本研究水动力-水质模型基于通用模型软件MIKE 11构建,水动力计算采用HD模块,控制方程是描述明渠一维非恒定流的圣维南方程组,并补充考虑了漫滩和旁侧入流,包括连续性方程和动量方程。水质模型基于水动力模型,采用AD对流-扩散模型模拟污染物在河流中的迁移、扩散和降解规律,它根据HD模块产生的水动力条件,应用对流-扩散方程进行计算,采用一维河流水质模型。

水动力模型的连续性方程和动量方程如式(1)～式(2)。

(1)

(2)

其中:Q——流量,m3/s;

x——沿水流方向空间坐标,m;

t——时间坐标,s;

b——蓄存宽度,m;

h——水位,m;

q——单宽流量,m2/s;

α——动量校正系数;

A——主槽过水断面面积,m2;

g——重力加速度,m/s2;

C——谢才系数,m1/2/s;

R——水力半径,m。

一维河流水质模型基本方程如式(3)。

(3)

其中:Ex——对流扩散系数,m2/s;

K——线性衰减系数,s-1;

u——河流平均流速,m/s;

Cx——污染物质量浓度,mg/L。

其他变量含义如前文所述。

2.2 模型构建与边界条件设置

在进行相关资料收集的基础上,围内所有河涌在模型中共概化为221条河涌(段),河道断面采用100 m一个的实测断面。结合潮涨潮落的时间序列和水位来控制水闸的调度。污染源分为生活污染、工业污染、内源污染、径流污染、农田污染以及鱼塘排水污染,对各河涌对应的污染物总量进行测算,并概化到对应的河涌中。现状污染物解析用于模型率定,远期污染物解析用于模拟方案计算。入河排水量携污染负荷作为边界条件以沿程汇入的形式加入到模型中。

外江水道边界,上游小榄水道与东江水道交汇处,以莺哥咀实测潮位为边界;容桂水道与鸡鸦水道交汇处,以南头实测潮位为边界,下游横门水道以横门实测潮位为边界。典型潮位站潮位数据如图2所示(以2016年8月中旬为例)。

图2 典型潮位站潮位变化Fig.2 Tide Level Changes of Typical Tide Monitoring Station

2.3 模型率定与验证

本研究采用实测数据对水动力-水质模型进行率定。先根据经验数据进行参数设置,再对比模拟结果和实测结果反复调试,使河网各站点的模拟值与实测值吻合。各参数率定结果如下,河道糙率取0.033 0 s/m1/3,扩散系数取10.000 0 m2/s,CODCr衰减系数取0.072 0 d-1,氨氮衰减系数取0.013 2 d-1,TP衰减系数取0.028 8 d-1。

水动力率定时段选取2016年全年,通过全年水位过程定量分析、统计模型的计算精度,结果如表1所示。从结果来看,两个站点在模拟时段内的水位平均误差在3～10 cm,确定性系数在0.98以上。水动力模拟表明外江水道区间的计算潮位基本合理,能够为围内进水和出水提供可靠的边界条件。

表1 水动力模型率定结果分析Tab.1 Analysis of Hydrodynamic Model Calibration Results

在水动力模型率定的基础上,依据现状污染负荷测算对内河涌的水质浓度进行率定,模型计算时段为2019年全年,按季度对计算结果和实测结果对比分析,如表2所示。表中目标值为地方环保部门提供的分季度实测水质数据,取样位置为每条河涌的上、中、下游3个点位,取样时间为3、5、8月和11月,3个点位的水质平均值对应代表此河涌该季度的平均水质。模拟值为每条河涌上、中、下游3个断面在对应时间上的模型计算平均水质浓度。CODCr误差最大出现在第四季度,相对误差为12.50%;氨氮误差最大出现在第一季度,相对误差为16.33%;TP误差最大出现在第一季度,相对误差为17.65%。分析结果认为模拟值与实测值较接近,水质模型能较准确地反映河涌水质情况。通过对水动力-水质模型率定结果分析,构建的水质-水动力模型可运用于研究该区域的水动力、水质变化情况。

表2 水质模型率定结果分析Tab.2 Analysis of Calibration Results for Water Quality Model

2.4 水系调度方案及计算工况设置

根据A联围的地形及水系特点,按照水系形成单向流、水体置换效率高、水质改善的基本思路进行水系调度。水系调度时控制D1、D4分区最高水位为1.0 m,D2、D3分区最高水位为0.8 m,最低水位均控制在0。通过引水闸与排水闸的错开调度,使河涌形成单向流;通过各分区进水闸、排水闸位置的选取使内河涌水体在最短时间内被置换。联围整体地势北高南低,北侧闸门不宜作为排水闸,总体调度方案考虑“北引南排”或“两边引中间排”,通过各分区方案组合来探索最优的水闸调度方案。调度方案设置如表3所示。

表3 水系调度方案Tab.3 Dispatching Plans of Water System

计算工况分为示踪器工况和水质分析工况,两种工况的计算时间均为典型旱季12月。两种计算工况下水动力模型参数完全一致,计算结果均可用于水动力分析。示踪器工况下将内河涌水质概化为1,外江水质概化为0,零时刻如图3所示,用于分析不同水系调度方案下的内河涌换水效率和甄别整体水动力较差区域。水质分析工况采用远期污染物测算数据,并赋予“控源截污、内源治理”工程对污染物削减率(截污率为75%、内源治理控制率为60%),用于分析不同水系调度方案下的内河涌水质改善情况。每个分区流速分析断面选取东西走向的骨干河涌及一条南北走向贯通河涌的中心位置进行断面数据展示,其中,D2、D3区无南北直接贯通的河涌,在分区中心河涌南北两侧各选取一条河涌。如图3所示,共10个点位。

图3 示踪器工况零时刻及分析断面Fig.3 Zero Time and Analysis Section of the Tracer Working Condition

3 结果与讨论

根据表3设置的水系调度方案在示踪器工况下的模拟计算结果,得出各工况下的换水效率和整体水动力较差的区域。如图4所示,两个潮周期后,除断头河涌外,大部分河涌的水体已得到不同程度的置换。方案0的调度规则下,内河涌南北两侧靠近外江水闸的部分基本已换水完成,离水闸较远的分区中心河道换水较差。方案1的调度规则下,靠近北侧的内河涌水体基本已得到置换,但是南侧河涌换水较差。方案2的调度规则下,各分区的换水效率均不高。方案3的调度规则下,D1、D4分区情况与方案1类似,北侧区域换水情况较好,南侧较差,D2、D3换水效率均不高。

图4 2个潮周期换水情况空间分布Fig.4 Spatial Distribution of Water Exchange during Two Tidal Cycles

4个潮周期后换水继续进行,内河涌水体置换率进一步提升,但总体空间分布与两个潮周期时类似。对比分析4个潮周期和6个潮周期,如图5、图6所示,在6个潮周期时,D3、D4分区水体置换基本完成;D1分区在方案0和方案2调度方案下的换水率较差,尤其是方案2;D2分区新开涌以北区域在方案1调度下,换水效率不及其余3个方案;D2分区新开涌以南区域在4个调度方案下换水效果均不佳,甚至部分非断头河段水体完全未被置换。如图7所示,8个潮周期时,方案3水体基本已置换完成,换水速度上,方案3要优于其余3个方案。根据模拟计算结果100 m一个断面的水质数据计算围内河涌的平均水体置换率,相较于现状调度方案,方案1、3的平均水体置换率均有提升,其中方案3的提升率最高,对比方案0,内河涌水质平均值从0.129下降至0.106,下降约17.83%,水体置换率从87.10%提升至89.40%。但在方案3下,D2区域南侧靠近外江的部分河段水体置换率仍较低。分析认为,在D2区南侧仅有2个水闸与外江相连,水闸分布密度远低于其他分区,内河涌水体与外江水体置换困难。应在外江闸口增强引水,同时在内河涌采取节制措施,增大水体置换率低河涌流量。

图6 6个潮周期换水情况空间分布Fig.6 Spatial Distribution of Water Exchange during Six Tidal Cycles

图7 8个潮周期换水情况空间分布Fig.7 Spatial Distribution of Water Exchange during Eight Tidal Cycles

根据表3设置的水系调度方案模拟计算结果,得出各工况下分析断面月平均流速,如表4所示。在方案0的调度规则下,考核断面月平均流速仅为0.028 m/s,平均流速流向与月平均流速流向相同的时间占比为55%,即45%的时间下河涌的流向与平均流速的流向是相反的,这也就导致了河涌的平均流速较低,河涌水体置换率低。相较于方案0,方案1、2、3的河涌流速与流向时间占比均大大提升,在“北引南排”或“两边进中间排”的调度下,河涌流向与平均流向的时间占比均达到80%左右,河涌基本形成单向流的状态。从流向时间占比看,方案1的单向流状态最好,相较于方案0提升了27.87%;从平均流速看,方案3的流速最快,相较于方案0提升了146.43%。

表4 分析断面月平均流速统计Tab.4 Statistics of Monthly Average Velocity for Section Analysis

根据表3设置的水系调度方案在水质分析工况下的模拟计算结果,以氨氮作为代表指标,分析水系调度对水质的影响,氨氮月平均浓度云图如图8所示。图8中黑色为氨氮质量浓度大于8 mg/L的河涌(段),为黑臭水体,洋红色是氨氮质量浓度为2～8 mg/L的河涌(段),为劣V类水体。整体来看,各方案下的水质平均浓度云图与示踪器工况下河涌换水效率时空分布相吻合,D3、D4分区水质情况较好,黑臭、劣V类河涌(段)主要集中在D1、D2分区。方案0、2下的水质明显不及方案1、3,主要体现在D1分区;方案1、3下的D1、D3、D4结果类似,差异主要体现在D2分区新开涌以北,从分布云图来看,方案3下的水质要优于方案1。

图8 水质分析工况氨氮月平均浓度云图Fig.8 Cloud Map of Monthly Average Concentration of Ammonia Nitrogen

根据模拟计算结果100 m一个断面的水质数据计算每条河涌的平均氨氮浓度,统计结果如表5所示。从围内平均氨氮浓度和达标河涌的比例来看,方案0、2的结果较为类似,均不及方案1、3。从V类水的达标率和平均氨氮浓度来看,方案3下的水系调度对水质的改善作用最为明显,相较于方案0,河涌达标比例从73.66%提高至85.85%,围内氨氮平均质量浓度从1.99 mg/L降低至1.55 mg/L,下降幅度达22.11%。

表5 内河涌氨氮浓度统计Tab.5 Statistics of Ammonia Nitrogen Concentration

值得注意的是,虽然在方案3下河涌整体达标率以及围内河涌的平均氨氮浓度要明显优于其他方案,但黑臭河涌(氨氮质量浓度>8 mg/L)的占比要高于其余方案。与河涌水体置换率结果类似,黑臭河涌主要集中在D2分区的南侧,分析认为一方面原因是该区域河涌整体水动力较差,从南侧外江引水的条件下,整体引水量较少,而北侧河涌从外江引水量大,在中间主干河涌形成顶托,污染物扩散效果差。另一方面是因为该区域养殖企业较多,污染物排放明显高于其他区域。根据水体置换率以及污染物浓度模拟结果,应增强该区域的整体引水,同时提高区域的截污比例,减少污染物的入河量。

4 结论

(1)应用MIKE 11模型软件构建了A联围水动力-水质模型,水位率定结果确定性系数在0.98以上,水质率定结果最大误差为17.65%,模型精确度较高,可为A联围水系调度方案研究提供支撑。

(2)推荐方案3作为A联围水系调度方案,相较于现状调度方案,内河涌换水效率有一定提升;水体流向可基本实现单向流,分析断面平均流速提高至0.069 m/s,较现状调度方案提升约146.43%;围内河涌氨氮平均质量浓度从1.99 mg/L降至1.55 mg/L,较现状调度方案下降约22.11%,河涌达标率提升至85.85%。

(3)本文主要针对水系调度进行研究,但仅通过水系调度并不能实现围内所有河涌水质达标,需进一步分析研究断头河水系连通、水动力较差的区域增强引水、部分区域加大截污比例,以减少污染物入河量等措施对区域水环境的改善作用,以实现联围内河涌水质全面达标。