潮汐河網(wǎng)水量改善效果模擬分析

潮汐河網(wǎng)水量改善效果模擬分析

1城市河道水環(huán)境綜合治理珠江三角洲是由珠江水系的西江、北江和東江及其許多支流將沉積物積累在珠江河口灣的一個(gè)復(fù)合三角洲。它是世界上水系中最復(fù)雜的祖廟之一，也是典型的潮汐河網(wǎng)。該地區(qū)人口高度集中,經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,1980—2004年期間國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值年均遞增20%,但經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展導(dǎo)致該地區(qū)的水文環(huán)境發(fā)生了顯著變化。由于污水排放量大且集中珠江三角洲城市附近水體、尤其城市內(nèi)河受到嚴(yán)重污染;同時(shí),為保護(hù)主干河道水質(zhì),大規(guī)模地在城市內(nèi)河筑閘,阻斷了主干河道與城市內(nèi)河間水體的自然交換,進(jìn)一步加劇了水體的污染。嚴(yán)峻的水環(huán)境問題已成為珠江三角洲地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要限制性因素。城市河道水環(huán)境綜合治理包括減污、增容和生態(tài)修復(fù)等幾個(gè)方面,其中,治理污染源、減少污染物排放量是根本途徑,而引調(diào)清水以提高水體的同化自凈能力、增加水環(huán)境容量則是一項(xiàng)迅速改善水質(zhì)的重要且可行的措施之一。有關(guān)這方面的研究成果已有很多,但這些成果主要側(cè)重于引水方案及其水環(huán)境效果的研究,而較少探討水閘泵站聯(lián)合引水對(duì)水質(zhì)的影響及其相應(yīng)的水動(dòng)力學(xué)問題。在感潮河網(wǎng)區(qū),通過水閘控制,利用潮汐引水已是一種被廣泛應(yīng)用的方法。但是,在感潮河道,由于存在往復(fù)流,從而使通過引水改善水質(zhì)的效果變得較為復(fù)雜,存在一些不確定性,同時(shí),許多相關(guān)的水動(dòng)力學(xué)問題尚未得到解決。鑒于此,本文通過建立西北江三角洲河網(wǎng)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,重點(diǎn)模擬分析閘泵聯(lián)合調(diào)度引水對(duì)西北江三角洲網(wǎng)河水系北江干流分支佛山水道的水質(zhì)改善效果,探討各種引水方案下佛山水道的水動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)及其對(duì)水質(zhì)的影響。本文的研究可為佛山水道引水沖污方案的制定提供決策依據(jù),也可為其它感潮河網(wǎng)地區(qū)引調(diào)清水工程的實(shí)施提供借鑒與理論支撐。2污染物輸移擴(kuò)散的測(cè)定潮汐河網(wǎng)受徑潮動(dòng)力交互影響,各河道間水流相互摻混,流態(tài)復(fù)雜多變,污染物的輸移擴(kuò)散并無定向?？紤]河流縱橫交錯(cuò)及潮汐的往返回蕩作用,為簡(jiǎn)化計(jì)算,本文潮汐河網(wǎng)區(qū)的水量水質(zhì)計(jì)算采用斷面平均的一維動(dòng)態(tài)模型。2.1流量模型2.1.1過水面積及長(zhǎng)度連續(xù)方程:動(dòng)量方程:式中:Q為流量,m3/s;z為水位,m;A為斷面過水面積,m2;B為斷面過水寬度,m;q為單位長(zhǎng)度河道的旁側(cè)入流量,m3/(m·s);R為水力半徑,m;c為謝才系數(shù),c=R1/6/n,n為糙率系數(shù);g為重力加速度,m/s2;x、t分別為位置和時(shí)間的坐標(biāo)。2.1.2節(jié)點(diǎn)差分方程本文采用四點(diǎn)加權(quán)Preissmann隱式差分格式離散圣維南方程組式(1)和式(2),利用消元法,經(jīng)遞推計(jì)算,忽略時(shí)間上標(biāo)(n+1),得如下差分方程:式中:αj、βj、δj、θj+1、ηj+1、γj+1為追趕系數(shù)。對(duì)河網(wǎng)中的任一單獨(dú)河道,其微段方程都是前后相連有序的,對(duì)其自相消元得到只含有河段首、末斷面變量的河段方程組,即只含有節(jié)點(diǎn)變量:式中:z1為首節(jié)點(diǎn)水位;zm為末節(jié)點(diǎn)水位。具體的計(jì)算過程及邊界處理方法見文獻(xiàn)[10-11]。2.1.3計(jì)算不同安全邊界關(guān)閘情況:Qi=Qi+1=Q=0,閘門前后河段作為兩條單一河道處理,按流量已知邊界單獨(dú)求解。開閘情況:根據(jù)閘門過流方式,考慮流量連續(xù)性,可得求解閘門前后水流的差分方程:式中:e為閘門開度,m;b為閘孔寬度,m;μ為出流流量系數(shù);zi、zi+1分別為閘門前后水位,m;σs為淹沒系數(shù),對(duì)自由出流,σs=1。對(duì)于有泵站抽/引水河段,其內(nèi)邊界類型為集中旁側(cè)出/入流,以Qf表示,出流則Qf為負(fù)值,入流則Qf為正值。設(shè)一虛擬河段Dxj=0,其基本連接方程為:用上述內(nèi)邊界處理方法代替圣維南方程組,保持了水流計(jì)算的連續(xù)性,有閘控或泵站抽引水河段可同正常河段一樣遞推求解。2.2水質(zhì)模型2.2.1污染物排放量sc河道方程:節(jié)點(diǎn)方程:若忽略節(jié)點(diǎn)的蓄水面積,即A′=0,則式(8)可寫為:式中:C為水流輸送的物質(zhì)濃度,mg/L;SC為與輸運(yùn)物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項(xiàng),對(duì)非保守性污染物,可寫成SC=KdAC,Kd為降解系數(shù)(s-1);S是河道外部的源或匯項(xiàng),為單位河長(zhǎng)單位時(shí)間污染源污染物的排放量,g/(s·m);Ex為縱向分散系數(shù),m2/s,采用已被廣泛應(yīng)用的Fischer經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。2.2.2傳統(tǒng)駁岸回代河道方程式中:ai、bi、ci為系數(shù);Ci為i斷面時(shí)段末的濃度;Gi為與Ci有關(guān)的系數(shù);m為河道的斷面數(shù)。根據(jù)潮汐河流流向順逆不定的特點(diǎn),將水流分順流向流動(dòng)、逆流向流動(dòng)、河道兩端向中間流動(dòng)、河道中間任意河段向兩端流動(dòng)等4種情況遞推出河道方程,然后利用河道方程、邊界條件、節(jié)點(diǎn)連接條件形成節(jié)點(diǎn)方程,解得節(jié)點(diǎn)水質(zhì)后,將其回代河道方程求得各斷面的濃度值。限于篇幅,具體的求解方法見文獻(xiàn),這里不再贅述。3案例研究3.1西北江三角洲水系水質(zhì)協(xié)同模擬將上述模型用于閘泵聯(lián)合調(diào)度引水下佛山水道水質(zhì)改善效果及其水動(dòng)力學(xué)背景研究。佛山水道是佛山市一條重要的城市內(nèi)河,與潭洲水道、平洲水道連在一起形成了環(huán)繞中心城區(qū)的水圈。由于潭洲水道和平洲水道均為飲用水源地,長(zhǎng)期以來,通過水閘控制和截污工程,中心城區(qū)每天產(chǎn)生的70多萬t的廢污水就近排入河涌后均流入佛山水道,水質(zhì)污染嚴(yán)重。由于佛山水道及其相關(guān)聯(lián)河道是西北江三角洲網(wǎng)河區(qū)的主體部分,而網(wǎng)河受上游來水和河口潮流的共同作用,其水流及污染物在各汊河中貫流并交互影響。為此,需將整個(gè)西北江三角洲網(wǎng)河水系作為一個(gè)完整的系統(tǒng)進(jìn)行模擬(下簡(jiǎn)稱“大范圍模擬”)。同時(shí),為了更細(xì)致地分析引水方案實(shí)施前后的水動(dòng)力學(xué)特征及水質(zhì)改善效果,在“大范圍模擬”的基礎(chǔ)上對(duì)佛山水道進(jìn)行水質(zhì)模擬。水流水質(zhì)模擬范圍見圖2。大范圍水流計(jì)算的上游邊界取為西江的馬口、北江的三水、流溪河的老鴉崗和潭江的石咀,下游邊界取為珠江廣州河段的黃埔、沙灣水道的三沙口、蕉門水道的南沙、洪奇瀝的萬頃沙西、橫門水道的橫門站、磨刀門水道的燈籠山、雞啼門水道的黃金、虎跳門水道的西炮臺(tái)、崖門水道的黃沖。西北江三角洲河網(wǎng)區(qū)概化后有內(nèi)河道141條、外河道13條;內(nèi)節(jié)點(diǎn)94個(gè),外節(jié)點(diǎn)13個(gè);斷面754個(gè),斷面間距為500~2500m不等。上游入口斷面馬口和三水采用實(shí)測(cè)流量過程作為邊界條件,其它控制斷面采用實(shí)測(cè)水位過程作為邊界條件。水質(zhì)模擬范圍為與佛山水道引水相關(guān)的閉合水域,邊界斷面包括潭洲水道的紫洞、北滘,平洲水道的鳳鳴、撬尾擼,吉利涌的賀豐,花地涌的魚尾橋。同時(shí),根據(jù)內(nèi)河涌集水范圍及現(xiàn)狀污水處理廠布局,將佛山水道的入河排污口概化成11個(gè)。對(duì)水質(zhì)模型,當(dāng)邊界斷面為入流時(shí),需要給定邊界濃度值;當(dāng)邊界斷面為出流時(shí)不必給定邊界條件。在模擬計(jì)算中,通過判斷含有外邊界的流態(tài)將邊界濃度值帶入相應(yīng)的河道濃度遞推方程組中。由于佛山水道的污染為耗氧型有機(jī)污染,因此,選擇COD作為模擬因子。3.2驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較采用1991年12月16日14∶00—24日16∶00的同步實(shí)測(cè)流量、水位資料對(duì)模型進(jìn)行率定。通過計(jì)算調(diào)試率定出西北江三角洲網(wǎng)河區(qū)枯水期河道糙率在0.016~0.044之間,計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為10min。選取2001年2月7日14∶00—15日15∶00的實(shí)測(cè)流量和水位資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證站為容奇、南華、大石和三善右,驗(yàn)證站的水位、流量計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料比較見圖3。從圖可見,容奇、南華、大石和三善右4個(gè)驗(yàn)證站的潮位、流量計(jì)算過程與實(shí)測(cè)過程的逐時(shí)變化趨勢(shì)相同,4個(gè)驗(yàn)證站的潮位平均絕對(duì)誤差分別為0.041m、0.051m、0.037m和0.092m,流量峰值平均相對(duì)誤差分別為8.8%、16.1%、19.4%和17.1%,流量谷值平均相對(duì)誤差分別為23.9%、20.7%、22.3%和28.3%。利用2008年10月25日21∶00—26日9∶00的實(shí)測(cè)水文、水質(zhì)資料對(duì)水質(zhì)模型進(jìn)行率定,得到COD的降解系數(shù)為0.18d-1,計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為10min。采用2009年10月20日16∶00—23日13∶00的實(shí)測(cè)水文、水質(zhì)資料進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證點(diǎn)為沙尾橋斷面,驗(yàn)證結(jié)果見圖4。從圖可見,COD濃度值計(jì)算過程與實(shí)測(cè)過程的逐時(shí)變化趨勢(shì)基本一致,相對(duì)誤差為0.7%~28.4%,平均相對(duì)誤差為13.2%。水量水質(zhì)的驗(yàn)證結(jié)果表示,模型的模擬效果較好,本模型可用于枯水期不同水動(dòng)力條件下西北江三角洲河網(wǎng)的水量水質(zhì)模擬研究。3.3模擬的水量水質(zhì)值3.3.1沙口、石啃水泵洪水調(diào)度計(jì)算方法為改善佛山水道及其內(nèi)河涌的水質(zhì)狀況,目前在佛山水道流域內(nèi)已建有7座水閘、6座泵站,分別從潭洲水道、平洲水道引水,其中蓮塘、屈龍角、新市、明竇水閘泵站和?？谒l引水主要是為改善內(nèi)河涌的水質(zhì),只有沙口、石啃水閘泵站是佛山水道引水的控制性工程。為分析評(píng)價(jià)沙口、石啃泵站引水對(duì)佛山水道水質(zhì)改善的效果,制定科學(xué)合理的調(diào)度方案,以不影響周邊河道上用水戶的正常取水、基本不破壞水流平衡及生態(tài)環(huán)境為原則,設(shè)置各種引水方案。設(shè)沙口泵站引水流量為x1,石啃泵站引水流量為x2,形成引水方案集如下:從式(11)可知共有66種引水組合。從運(yùn)行成本考慮,所有水閘泵站聯(lián)合調(diào)度方式為當(dāng)閘外水位高于閘內(nèi)水位時(shí)開閘引水,當(dāng)閘外水位低于閘內(nèi)水位時(shí)泵站強(qiáng)迫引水。3.3.2cod濃度測(cè)定佛山水道水體黑臭主要出現(xiàn)在枯水期。從不利水文條件對(duì)水環(huán)境的影響考慮,在水流模擬計(jì)算時(shí),上游馬口、三水站采用90%保證率最枯月平均流量,老鴉崗、石咀站和下游邊界采用2001年2月7日14:00—15日15:00的典型枯水潮位過程。對(duì)水質(zhì)邊界,采用水質(zhì)模型驗(yàn)證的邊界,當(dāng)水流流入計(jì)算區(qū)域時(shí),邊界值采用實(shí)測(cè)濃度值,當(dāng)水流流出計(jì)算區(qū)域時(shí),邊界上的濃度值用純對(duì)流方程解出。初始時(shí)刻各斷面COD濃度值,根據(jù)模擬區(qū)域?qū)嶋H水質(zhì),取為10mg/L,約經(jīng)過40個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算后初始條件的影響可以消除,計(jì)算結(jié)果趨于穩(wěn)定。選取街邊、橫滘兩個(gè)市控常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面作為控制斷面。各種引水方案下,控制斷面COD濃度模擬值見圖5—6。從圖5—6中可知,兩個(gè)斷面的水質(zhì)變化與引水量之間的關(guān)系如下:(1)在石啃泵站引水量不變的情況下,隨著沙口泵站引水量的增大,街邊斷面COD的濃度不斷下降;當(dāng)沙口泵站引水流量≤10m3/s時(shí),隨著石啃泵站引水量的增加,街邊斷面COD的濃度反而上升,水質(zhì)變差,且沙口泵站引水量與石啃泵站引水量的比值越小,街邊斷面水質(zhì)下降的速率越大;當(dāng)沙口泵站引水流量≥15m3/s,隨著石啃泵站引水量的增加,街邊斷面COD的濃度變化不大,其水質(zhì)基本上不再受到石啃泵站引水量的影響;(2)無論是沙口泵站引水量的增加還是石啃泵站引水量的增加,橫滘斷面COD的濃度都會(huì)不斷地下降,且下降速率快于街邊斷面;當(dāng)沙口泵站引水流量≤30m3/s時(shí),橫滘斷面水質(zhì)隨石啃泵站引水量增加而改善的效果較為明顯;但當(dāng)石啃泵站引水流量≥20m3/s時(shí),繼續(xù)增大石啃泵站的引水量對(duì)橫滘斷面水質(zhì)無明顯改善作用。由水量水質(zhì)模擬結(jié)果可知,引水流量對(duì)佛山水道水環(huán)境改善有著重要的影響,不同位置的引水量之比則起著更為關(guān)鍵的作用。3.4沙口泵站引水量對(duì)凈泄流量的影響在邊界水質(zhì)相同、污染源固定情況下,引水方案的水質(zhì)改善效果主要受水動(dòng)力學(xué)特性的影響。佛山水道屬西北江三角洲感潮河網(wǎng)區(qū),受南海非正規(guī)半日潮的影響,水流呈雙向流動(dòng),但由于閘群的人為控制,佛山水道實(shí)質(zhì)上變成一個(gè)半封閉的河道。沙口、石啃泵站的引水進(jìn)一步人為改變了佛山水道的水動(dòng)力條件,不同的引水量都將使流場(chǎng)表現(xiàn)不同的特點(diǎn)。如引水能提高河道水流的暢通程度,就可以加快污染物的輸移擴(kuò)散,從而也有利于河道水質(zhì)的改善。圖7為設(shè)計(jì)水文條件下街邊、橫滘斷面凈泄流量與引水量之間的關(guān)系,由圖可以看出,街邊斷面的凈泄流量與沙口泵站引水量正相關(guān),而與石啃引水量負(fù)相關(guān);橫滘斷面的凈泄流量與沙口、石啃泵站引水量均為正相關(guān)關(guān)系,兩個(gè)斷面上水質(zhì)隨各泵站引水量變化的規(guī)律與街邊、橫滘斷面的凈泄流量隨各泵站引水量變化的規(guī)律基本一致。引水量越大,水體的稀釋自凈能力就越強(qiáng),河道水質(zhì)整體改善效果就越好,但因潮流的頂托作用可能會(huì)造成污水回流,有時(shí)并不能有效改善局部河段的水質(zhì)。限于篇幅,圖8和表1僅給出幾種引水方案下的流場(chǎng)情況。從模擬流場(chǎng)來看,兩個(gè)泵站不引水時(shí),漲潮流將影響到南北大涌附近;石啃泵站引水則對(duì)佛山涌涌口以上河段的水流造成明顯的頂托作用,沙口泵站引水使?jié)q潮流影響區(qū)推后,這是當(dāng)沙口泵站引水流量≤10m3/s時(shí),隨著石啃泵站引水量的增加,街邊斷面水質(zhì)反而變差的根本原因。對(duì)街邊斷面而言,隨沙口泵站引水量的增加,漲潮流量減少,落潮流量增加;但隨石啃泵站引水量的增加,漲潮流量增加,落潮流量減少。對(duì)橫滘斷面來說,隨沙口泵站引水量的增加,漲潮流量略有減少,落潮流量增加;隨石啃泵站引水量的增加,漲潮流量變化不大,但落潮流量明顯增加,在這種情況下,無論是沙口泵站引水量增加還是石啃泵站引水量的增加,均會(huì)導(dǎo)致橫滘斷面COD的濃度下降。4按水泵引水方案確定建立了枯水期西北江三角洲感潮河網(wǎng)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,模擬了不同引水情景下佛山水道的沖污效應(yīng),并從機(jī)理上分析了引水改善水質(zhì)效果的水動(dòng)力學(xué)背景。結(jié)果表明:上游沙口泵站引水對(duì)河道上下游水質(zhì)均有一定改善作用,中游石啃泵站引水能較為明顯地改善下游水質(zhì);引水量越大,河道水質(zhì)整體改善效果就越好,但由