連通度對佛山水道凈污能力的影響研究

陳邦雄

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

?

連通度對佛山水道凈污能力的影響研究

陳邦雄

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

為了更好的研究河網水系連通度對于污染物質降解能力的影響,在佛山水網不同的水體連通情況下,運用經過驗證的河網數學模型研究不同水體連通情況下,模擬佛山水道的水體交換時間、污染物濃度分布。研究結果表明：隨著河道與外界連通性能提高,水體交換能力、對污染物質的凈化能力都有所提高,有利于改善河道生態環境。

連通度;情景分析;感潮河網;調度

河流網絡是一個連續的整體系統,維持一定區域內水質水量的安全和水文過程的連續[1-2]。其中某些河段的干涸以及人為水利工程改造都會造成河道之間破碎化程度與隔離程度增加,導致水流阻斷。在加大區域污染源治理力度的同時,通過河網工程合理調度,構筑較完善的引清調水體系,既可以增加引清水量,稀釋河水,降低污染物的濃度,又可以調活水體增大流速,提高河網的復氧、自凈能力,加快污染物的降解,并使污水體不再回蕩積存,實現河網水體的有序流動,促進良性循環[1-3]。

1 研究區域

佛山水道是佛山市一條重要的城市內河,是北江在佛山市的主要支流之一,起于沙口水閘,止于沙尾大橋,全長25.5 km,流域面積268.56 km2(見圖1)，水道上的水閘、泵站基本情況見表1。枯水期佛山水道的潮流方向,主要由下游潮位主導,由于沙口水閘和石肯水閘限制,水從東平河流入佛山水道時開閘,水從佛山水道流入東平河時關閘,結果形成半封閉水體,在下游潮波的動力作用下往復運動,污水來回回蕩,不能及時隨水流流走,污染物經常積聚在河流的中游地帶。

圖1 佛山水道示意

表1 佛水水道水閘基本情況

2 連通方案

通過佛山水道區域水閘泵站的聯合調度,構筑較完善的引清調水體系,通過水利工程的科學調度,明顯增加了河網水流動力,促進了水體交換,改善了生態環境(見表2)。情景1為參照佛山水道地區的現狀水閘開關原則,東平河水位高于佛山水道時開閘,東平河水位低于佛山水道時關閘,水閘均保持雙向引排水原則,屬于不徹底的雙向流,形成半封閉水體；情景2利用沙口泵站,保證從沙口水閘引清水沖污,形成較徹底單向流；情景3利用石啃泵站,形成較徹底單向流；情景4利用泵站聯合引水,在一定程度上形成較徹底的雙向流。

表2 水體連通方案

3 研究方法

由于佛山水道屬潮汐河網,受徑潮動力的交互影響,河道水流復雜多變,河道中污染物的擴散輸移呈非定向、非線性特征,不同位置引水對河道中各段的水質改善效果不盡一致,可能增加佛山水道水流的順暢程度有利于污染物擴散,也有可能導致水流局部頂托反而使佛山水道部分河段水質惡化。在佛山水道區域不同的水體連通情況下,運用經過驗證的河網數學模型研究不同水體連通情況下,研究佛山水道的水體交換時間、污染物濃度分布。

1) 計算模型

研究區域屬感潮河網地區,水道縱橫交錯,水文條件復雜。由于河道的橫向寬度與河口地區相較窄,水質要素(主要指污染物濃度)在河道橫向上的差異并不顯著,可以認為各水力要素在河段斷面上是一致的。因此選擇一維水動力模型和一維對流擴散方程建立感潮河網一維數學模型。該模型的解法復雜,但計算效率較高,大量實踐表明具有良好的模擬效果[4-6]。

一維河網水動力模型基本方程如下：

(1)

(2)

河網一維物質對流輸移擴散方程見式(3)～(4)，式(3)是河道對流輸移擴散方程,式(4)是汊點平衡方程,進出每一個汊點的物質通量必須與該汊點內實際質量的增減率相平衡。

(3)

(4)

式中Q,Z為流量及水位；A為河道斷面；EX為縱向分散系數；C為水流輸送的物質濃度；Ω為河道交叉點—汊點的水面面積；j為汊點編號；l為與汊點j相聯接的河道編號；SC為與輸送物質濃度有關的衰減項,在這里寫成SC=KdAC；Kd為衰減因子；S為外部的源匯項。

需特別說明的是：河網有大量的水閘、泵站等水工構筑物,在這些構筑物處,根據閘、泵的水力學特征作特殊處理。在模型中閘、泵通常作為流量點處理,根據相鄰水位點水位關系采用寬頂堰水閘的堰流或孔流流量公式計算過閘流量。水環境數學模型的計算范圍西至北江三水；北至白泥河的硤石,流溪河的人和壩；東至珠江黃埔；南至順德水道的三多,陳村水道的勒竹。根據《廣州、佛山跨市水污染綜合整治方案》的水污染源現狀調查,廣佛河網地區COD年排放量281 347.2 t/a、氨氮43 533.4 t/a(2000年數據),在水質計算中按照實際排污口的位置將部分污染控制單元排放量合并,獲得最后用于計算的概化排污口55個。

動力模型計算選取2001年1月4—11日涵蓋大、中、小潮汐過程的流場計算中。水質計算時段與枯季動力計算時間相同。限于篇幅,僅給出部分計算結果。選取位于東平水道的紫洞斷面進行水動力驗證、佛山水道上的沙磚廠斷面進行水質驗證,結果見圖2～圖3。

從驗證結果來看,水動力模擬比較成功,可為水質模擬計算提供較為準確的基礎條件。沙磚廠斷面氨氮的模擬結果較好,相對誤差為10%～30%,反映出污染物濃度變化趨勢[6]。模型的模擬結果是合理的,可以用于實際的預測和分析計算。

圖2 2001年1月紫洞測站實測水位與計算水位逐時比較

圖3 2001年1月沙磚廠斷面實測氨氮濃度與計算濃度比較

2) 水體交換能力

根據Takeoka[7]的研究,水體交換能力以“平均存留時間”來進行描述。右以t0和t分別表示初始時刻和某一特定時刻,C(t)表示某一示蹤物的濃度,對于該示蹤物,相應的平均存留時間(θ)為：

(5)

式中r(t)=C(t)/C(t0)。可用于描述各種不同的區域的水體的交換能力。由公式可見,需要確定水體停留時間的計算范圍和初始時刻,即物質投放時間。在構建的不同情境下的河網區域內,給定河網內斷面的初始濃度為1 mg/L,邊界斷面輸入中濃度給定為0 mg/L。計算示蹤物質的降解系數取0 d-1,即考慮為保守性物質。循環計算,循環計算次數越多,初場為1.0 mg/L區域的濃度會逐漸變小,從而使得平均停留時間趨于穩定值[8]。

4 連通方案模擬結果

佛山水道水體黑臭主要出現在枯水期,采用經過驗證的水環境模型進行不利水文條件下的模擬分析。其中：

1) 水體交換時間采用式(5)的計算方法,采用保守物質進行示蹤模擬。

2) 根據區域水污染物特點,選取超標嚴重的CODCr作影響分析。污染物濃度在流場確定的條件下,河網區的水質主要受污染源、水質邊界和和水利工程運行等因素的影響。

在上述設定條件下,計算結果見表3。可見：情景2、3、4的佛山水道水體交換時間分別比現狀縮短了77%、71%、84%；使河道的水質得到一定程度的改善,情景1為現狀,情景2、3、4中河段CODCr平均濃度分別比現狀下降了37%、35%、50%.現狀調度情況下換水不徹底,且有眾多內河涌向佛山水道排水,導致污染物濃度衰減速度較慢；而通過泵站引水,水流換水徹底,污染物衰減加快。通過水閘聯合調度、提高水系連通能力,隨著連通性能提高,佛山水道的水體交換時間縮短,且能提高河道的污染物消納能力,改善生態環境。

表3 佛山水道不同水體連通情況下水體交換時間和污染物濃度分布

5 小結

以佛山水道的連通方案為例進行模擬預測,研究結果表明,通過提高佛山水道的水系連通性能,不僅能加快水體交換,而且能提高河道的污染物消納能力,改善生態環境。

[1] Deng H.B., Wang Q.L., Cai Q.H. Watershed ecology new discipline, new idea and new approach [J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 1998, 9(4): 443-449．

[2] 黃奕龍, 王仰麟, 劉珍環,等. 快速城市化地區水系結構變化特征——以深圳市為例[J]. 地理研究, 2008, 27(5):1 213-1 220．

[3] 張歐陽, 卜惠峰,王翠平，等. 長江流域水系連通性對河流健康的影響[J].人民長江, 2010, 41(2): 1-5．

[4] 褚君達. 河網對流輸移問題的求解及應用[J]. 水利學報, 1994(10): 14-35．[5] 徐貴泉, 褚君達. 感潮河網水環境容量數值計算[J]. 環境科學學報, 2000, 20(3): 263-268．

[6] 李適宇,林高松,陳璟璇,等.佛山水道綜合調水優選方案研究[R].廣州:中山大學，2004.

[7] Takeoka, H.,Fundamental concepts of exchange and transport time scales in a coastal sea[J].Continental Shelf Research,1984(3):311-326.

[8] Zhe Liu, Hao Wei，Ghangshan Liu，et al..Simulation of water exchange in Jiaozhou Bay by average residence time approach[J].Estuarine Coastal and Shelf Science,2004,61(1)：25-35.

(本文責任編輯 馬克俊)

Influence of Connectivity on Pollutants Purification of Foshan River Networks

CHEN Bangxiong

(Guangdong Hydropower Planning & Design Institute，Guangzhou 510635，China)

In order to get a better understanding about the influence of drainage connectivity on the pollutant degradation ability of a river network, under the different drainage connectivity scenario of Foshan river network, the distribution of water exchange period and pollutant concentration of Foshan waterway is simulated by using the validated water environmental model for tidal river network. In conclusion, the water exchange capacity and pollution purification ability of a river network will increase drainage connectivity, which gives a guideline for ecological river network construction.

connectivity；scenario analysis；tidal river network；scheduling

2015-12-25;

2016-03-10

陳邦雄(1984),男,碩士,工程師,從事環境影響評價及水土保持和水利規劃工作。

X824

B

1008-0112(2016)02-0001-03