廣佛跨界河流水質預警預報探索與研究

朱昆鵬，梁穎珊

(廣東省水文局廣州水文分局，廣東 廣州 510150)

1 概述

十八大以來，廣州市大力推進生態文明建設[1]，全面開展了水環境綜合整治，采用污染源控制、截污、清淤和補水等措施，全市水環境得到明顯改善，河涌水質顯著好轉，但部分河流(涌)的水質仍為劣Ⅴ類[2]。河流(涌)現主要問題是快速發展對水環境的壓力持續增加[3]，上游源頭地區高速發展，水污染呈流域蔓延態勢，“微容量、重負荷”問題依然突出，水質達標形勢仍然嚴峻[4]。

廣佛跨界河流“兩涌一河”(蘆苞涌、西南涌和白坭河)地處珠江三角洲網河區，位于北江大堤的中、下游堤段，是北江的分洪道[5]，流經鴉崗附近匯入廣州河道的西航道，南流至白鵝潭，注入珠江。由于廣佛跨界河流沿岸工業排污口眾多、生活污水排污口密集，截污管網仍未實現完全覆蓋，初雨面源污染對水質有較大影響[6]，河網水質未達標的現象依然存在。

本文以廣佛跨界河流水質預警預報探索為重點，建立一維與二維耦合的水環境模擬模型，計算廣佛跨界河流水域納污能力，確定生態流量，探索水質變化趨勢進行科學預報預警，系統推進水環境監控預警、水污染防治、水生態保護和水資源管理[7]。

2 研究內容與方法

2.1 水質現狀

2019年10月，對西南涌、蘆苞涌、九曲河、新街河、白坭河、流溪河及其支涌進行水質采樣分析，并根據檢測結果對各河涌及其支涌進行分析評價。 “兩涌一河”干流中，氨氮、總磷、高錳酸鹽指數3項指標，除西南涌、蘆苞涌3項指標均符合相應水質目標外，其他的河涌均存在不同程度的超標情況，超標項目為氨氮、總磷。“兩涌一河”支涌中，氨氮、總磷、高錳酸鹽指數3項指標，高錳酸鹽指數均能達到各支涌執行標準，化學需氧量、氨氮部分超標。其中，化學需氧量有30條支涌超標，占總調查數的48.4%；氨氮42條支涌超標，占總調查數的67.8%。

“兩涌一河”各河流的點源入河排污口共64個，57個排污口水質不滿足相應標準，超標率為89%。主要原因是廣佛跨界流域人口密度較大，廣佛跨界河流“兩涌一河”受生活、農業、水產業等面源污染源及居民區或工廠企業入河排污口排污影響[8]，生活污染排放急劇增加、污水處理設施落后、周邊流域的生態環境破壞嚴重和農業養殖業盲目發展。

2.2 研究范圍

本文研究范圍為廣佛跨界“兩涌一河”流域(西南涌、蘆苞涌、流溪河口、新街河口、白坭河至鴉崗匯合口)集水區域，按照各分支水系匯水(排澇)區，結合區縣行政區邊界劃分控制單元(見圖1所示)。

圖1 “兩涌一河”研究范圍示意

2.3 研究內容

1) 以水質水量同步監測、河道地形測量、污染源(入河排污口)現場調查為基礎，在廣佛2市4區的人口、農業、工業、水產養殖業等資料搜集及對河涌干流、支流、污染源、排污口調查和監測基礎上，評價“兩涌一河”的水質狀況及主要污染來源。

2) 通過2018—2019年控制斷面水質水量監測數據，測算重要控制斷面生態流量及主要污染控制因子(氨氮、高錳酸鹽指數)的污染物通量。

3) 根據2次72 h同步監測數據、“兩涌一河”河道地形測量成果、水文特征、污染物特性，建立一、二維水動力水質數學模型，并進行率定驗證。

4) 結合一、二維水動力水質模型計算的水質、流速結果，計算“兩涌一河”流域納污能力和生態流量。

5) 依托一、二維水動力水質模型，結合水質自動站在線監控數據，建立水動力與水質模擬與展示系統，關聯水質預警預報方案。

2.4 研究方法

1) 水質水量監測。分別對2018—2019年“兩涌一河”流域進行3次水質水量監測。測量斷面分別為：西南涌水閘、蘆苞涌水閘、國泰水、新街河、流溪河南崗、佛山出口、金沙洲出口、白坭河大坳、老鴉崗、九曲河、魯崗橋、蘆苞。水量測驗時間為連續72 h，每小時測流1次。

2) 河道地形測量。對廣佛交界的西航道進行網格二維水下地形測量。地形測量起點：西航道大洲島尾，終點：中大、浮標廠處(見圖2)。

圖2 “兩涌一河”二維模型實測地形示意

3) 水污染源調查。水污染源調查主要包括點源(工業、生活污染源)、內源與面源調查，以實地調查、數據收集及成果應用相結合的方式進行，并以實地監測進行補充。調查內容包括入河排污口的位置、類型、對應的污染源，主要污染物(氨氮、高錳酸鹽指數)入河量。

4) 根據水質水量同步監測數據，驗證實測數據的合理性，進而由實測數據分析“兩涌一河”水位、流量變化特征。對流量數據統計分析，得出重要汊口分流比，分析分流比的影響因素，結合分流比計算結果，分析“兩涌一河”現狀存在的問題。分析測量期的水質數據，統計國考斷面及重要汊口污染物貢獻率，為國考斷面/重要汊口確權劃界提供數據支撐。

5) 一、二維耦合感潮河段水動力與水質模型建立及參數率定。根據廣佛跨界河流干流及主要河涌集水范圍及現狀污水處理廠布局，將廣佛跨界河流流域各控制單元的入河排污口進行概化，利用同步水文、水質實測資料對模型參數進行率定和驗證，其率定參數作為下一步納污能力計算的依據。

6) 生態流量計算與納污能力計算。根據水文觀測數據和枯水期流量，計算河流最小生態流量。根據廣佛跨界河流的水動力和水環境條件，建立一維-二維耦合感潮河段水動力與水質模型。結合廣佛跨界河流水質目標、水質現狀、污染物(氨氮與高錳酸鹽指數)排放及入河情況，計算納污能力。

7) 水質預警預報。綜合水質、水情及排污口監測信息，采用水動力模型及水質模型進行計算，模擬預測河段內水質變化情況，依據水質模擬結果實現水質的預警預報。

3 結果與分析

3.1 模型建立

1) 模型類型

對廣佛交界的西航道開展水下地形測量，起點為西航道大洲島尾，終點為中大、浮標廠處，構建一維-二維水動力水質耦合模型(見圖3)。

圖3 模型計算范圍示意

2) 邊界條件

① 一維模型上邊界為西南水閘、蘆苞水閘、國泰水、新街河、流溪河南崗，下邊界為鴉崗；

② 二維模型上邊界為鴉崗，下邊界為中大水文站、浮標廠水文站；

③ 根據中大、浮標廠水文站實測資料，選取出168 h的大、中、小潮潮位變化過程，作為模型計算下邊界；

④ 模型耦合邊界為鴉崗斷面。

3) 邊界流量

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

4) 水質指標

水質指標包括氨氮及高錳酸鹽指數。

5) 污染物

根據入河排污口調查與監測資料，統計分析各控制單元廢污水入河量和主要污染物入河量，將排污口水量及污染物濃度作為旁側入流(點源)加入一維或二維模型中。

6) 模型驗證

采用2019年3月21日—2019年3月22日實測水文數據用于率定與驗證。

7) 精度控制

根據模擬值與實測值的相對誤差，誤差多在10%以內，相距較遠的九曲河相對誤差偏大，在20%以內。

3.2 計算結果

1) 水域納污能力

根據廣東省、廣州市、佛山市水功能區劃，確定了各河流、水庫水功能區2020年的水質目標，本次以該目標計算各水功能區納污能力(見表1)。由計算結果可知：根據“兩涌一河”流域納污能力計算結果，西南涌佛山工業農業用水區高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為22 076 t/a、1 384 t/a；西南涌佛山廣州過渡區高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為690 t/a、30t/a；蘆苞涌高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為20 135 t/a、1 345t/a；白坭河高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為3 989 t/a、201 t/a；九曲河開發利用區高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為78 t/a、3 t/a。

表1 “兩涌一河”水功能區納污能力計算結果

2) 生態流量確定

蘆苞水閘、西南水閘(簡稱“兩閘”)在確保北江石角和河口的生態流量目標(石角斷面230 m3/s，河口斷面270 m3/s)基礎上，通過兩水閘的調度引水，整體達到跨界河流生態流量保障目標。運用已率定驗證的廣佛跨界河流一維水動力-水質模型，運用7Q10法，采用P=90%保證率最枯連續7 d的平均流量作為河流生態環境最小流量設計值(見表2)。

表2 廣佛跨界河流生態環境最小流量設計值 m3/s

3) 水質預警預報

構建廣佛跨界河流水動力與水質模擬及展示系統，以水雨情水質數據管理、水動力水質模型運算及可視化為核心需求導向，以網頁B/S為建設及應用架構，以面向對象及面向服務為研發導則，結合二維WebGIS技術，實現了研究區域水動力水質模型的綜合集成與水質預警預報模塊初探，為廣佛跨界河流的水動力水質模擬及預警預報提供直觀化、智能化決策支撐。

廣佛跨界河流水動力與水質模擬及展示系統需求分為3個方面：數據管理需求、模型集成及可視化需求、模型實時計算需求。

① 數據管理需求：水情、水質實時數據與歷史數據的查詢管理；污染源及調研數據的查詢管理。主要依托二維GIS地圖，結合圖表聯動進行數據展示(見圖4)。

圖4 一二維水質動畫模擬界面示意

② 模型集成及可視化需求：對模型及相關輸入輸出數據進行預處理，在系統中進行綜合集成；對水動力水質模型一維、二維成果進行轉化及可視化。可視化方面包含：一二維流場、一二維水質、二維粒子示蹤、調水路線、相關圖表等(見圖5)。

圖5 系統粒子示蹤模塊界面示意

③ 模型實時計算需求：在模型集成的基礎上，用戶指定水動力水質邊界及相關模型參數，接入水質自動站在線水質數據，進行實時的模型計算與成果轉化，超出河段水質控制目標即進行示警和短信報送。

4 結論與建議

4.1 結論

1) 廣佛跨界流域人口密度較大、工廠較多、周邊農業種植及水產養殖業較為發達[9]，廣佛跨界河流受點源、面源污染影響，均存在不同程度的水質超標現象，主要污染物為氨氮、總磷、化學需氧量。

2) 根據2018年8月、2019年3月、2019年7月的水質水量同步測驗結果及相關計算，鴉崗斷面氨氮、高錳酸鹽指數在濃度及凈污染物通量均呈下降趨勢。

3) 廣佛跨界河流生態流量保障措施主要分為東北片區的流溪河流域生態流量保障、西北片區通過兩閘從北江引水(分水)及流域內區間河涌的生態補水等3部分，通過實施保障措施，可改善內河涌水動力條件，實現河涌生態補水，提高水體自凈能力。

4) 當上邊界給同一引水量時，水流傳至鴉崗斷面的時間隨小、中、大潮依次減少；傳播時間隨引水量增加逐漸減少；引水量為50 m3/s時，傳播時間最長，引水量為300 m3/s，傳播時間最短。

5) 根據“兩涌一河”流域納污能力的計算結果，西南涌佛山工業農業用水區高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為22 076 t/a、1 384 t/a；西南涌佛山廣州過渡區高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為690 t/a、30 t/a；蘆苞涌高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為20 135 t/a、1 345 t/a；白坭河高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為3 989 t/a、201 t/a；九曲河開發利用區高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為78 t/a、3 t/a。

4.2 建議

“兩涌一河”流域有大坳省考斷面和鴉崗國考斷面。根據《廣州市水環境質量達標方案》，按照水環境質量“只能更好、不能變壞”的原則，2019年，鴉崗斷面水質達到Ⅳ類標準；大坳斷面水質力爭達到Ⅳ類；2020年，各斷面保持穩定達標。對此，以下提出幾點建議。

1) 本次模型構建范圍為“兩涌一河”流域，難以全面、真實的范圍廣佛地區水質、水量的信息的變化。建議后期擴大模型構建范圍，結合西南水閘和蘆苞水閘的調度管理，使北江水順利流入西南涌和蘆苞涌，通過實施保障措施，改善內河涌水動力條件，實現河涌生態補水，提高水體自凈能力。

2) 加強廣佛跨界河流水質仿真模擬，定量評估“兩涌一河”流域重污染河涌排污對斷面水質的影響。充分考慮支涌匯流影響，需要將廣佛跨界河流攻堅范圍匯入“兩涌一河”流域的支涌，做到統籌全局、精細化模擬。

3) 流溪河調水能力深入挖潛，應增加評估流溪河上游水庫調度對鴉崗斷面水質改善效果。增加對流溪河水量調度方案的數值模擬，評估流溪河水庫日常生態補水、應急調度方案對鴉崗斷面水質的影響。通過典型年份的模擬調度，總結提煉流溪河水庫、黃龍帶水庫的生態補水方案。

4) 通過建立健全水域納污紅線管理問責體系[10]，完善水域監測體系，建立流域水資源保護和水污染防治協調機制，建立水功能區限制納污紅線管理制度。

5) 加強佛山、廣州兩市的協同治污模式[11]，理清“兩涌一河”污染治理上下游各市的責任，并在實施中做到同步啟動，同步推進，打破跨界河流污染治理中各自為政的局面[12]。

6) 加大工程措施對提高水體納污能力的研究：主要有水工程調度、引水減污、疏浚清淤等工程措施的研究。水工程調度主要適用于有閘壩控制的水體，應結合水情、自然條件，加強水量調度，提出調度方案。引水減污應提出具體的工程規模、調水量，并分析提高水資源承載力的效果以及減污效果。

7) 嚴格限制在現狀水質較好的區域建設大規模、重污染的開發項目。開展生態修復、重視面源和內源治理、加強水功能區的水質監測和主要入河排污口污染物監測。