基于閘泵調控引水的感潮河網水質改善研究

黃春華，江星耀，王 斌，唐榆森

(1.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611；2.北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100034)

隨著城市化的快速發展，城市的水循環過程受到人類活動的影響愈發強烈，伴生的一系列城市水環境問題是我國城市水環境治理工作需面臨的嚴峻挑戰[1- 3]。水污染作為城市水環境問題的重要一類，以城市河涌的黑臭水體現象為典型，嚴重制約著城市水循環的健康發展[4]。城市河涌黑臭水體的產生，受多方因素的作用，其中城市河涌的水動力不足是重要的影響因素[5- 6]。在平原感潮河網地區，受外江潮汐的影響，感潮河網內的水體運動相對于單向流更為復雜，水流的循環往復導致河涌水體置換受阻，將進一步加劇河涌的水污染現象[7]。

感潮河網地區的水污染是水科學研究的一個熱點問題，以往學者多從河網水系連通、水閘調度引水補水等工程措施方面改善河網的水質：杜建等[8]針對珠江三角洲中順大圍區域水環境問題，提出上、下游水閘分別引排水的聯合調度方案，數值模擬結果表明該方案可取得良好的水體改善效果；高強等[9]研究認為改善平原感潮河網地區的水環境應優先考慮水系連通、河道流向和輸水流量等治水工程的實施；許益新等[10]基于水動力水質模型評估了張家港市內感潮河網不同引水流量與水質改善、引水服務面積之間的相關關系，結果顯示通過增加河網的引水量可有效削減網河水體的氨氮濃度。馬克等[11]研究揭示了佛山水道在運用不同閘門開度和引水量的組合情景下，河道內的水動力條件和水質改善效果；王菲等[12]采用水動力水質耦合模型研究分析了東莞市河口型城市水系利用潮汐水源對水系進行生態補水的水質改善效果，研究認為僅擴大引潮河涌的寬度對提升河涌的水動力水質現狀條件是有限的，需進一步配置合理的水閘調度規則。

目前，對于通過閘泵聯合調控引水改善平原感潮河網水質的研究仍有待深入，特別是綜合考慮外江潮汐往復運動的時間特征，建立具有針對性的不同外江潮位情景下的閘泵調控引水規則。因此，本文以中山市小隱涌流域感潮河網為例，結合流域外江橫門水道的潮位變化特征，開展基于閘泵調控引水的感潮河網水質污染改善方案研究，以期為平原感潮河網地區的水污染治理提供科學參考。

1 研究區域概況

研究區域小隱涌流域位于粵港澳大灣區中山市的火炬區，北接珠江口門的橫門水道，火炬區內的流域面積為80.96km2。小隱涌流域內的河道縱橫交錯，河網復雜，呈現南方典型感潮河網的特點。按照子流域劃分，可將小隱涌流域劃分為5個片區，即小隱涌片區、八公里河片區、張家邊涌片區、濠頭涌片區和獨流入海片區，共有河涌30條。小隱涌流域整體表現為南高北低態勢，南側屬丘陵地區、北側為平原，除八公里河和獨流入海片區內的部分河涌流向為自西向東外，其余河涌均為自南向北流動，最終匯入岐江河和橫門水道。

近些年來，中山市火炬區針對流域內水環境問題的治理力度逐步加大，河涌水質得到了明顯改善，但是小隱涌流域河網水環境目前仍舊存在著一些頑疾：①獨流入海片區的河涌常年水位偏低、水體流速緩慢、生態流量較小，河涌生態環境容量較低；②流域內城鎮化程度較高，污水的排放量較大，大部分河涌受潮汐影響使得水流循環往復，廢水累積不能外排；③部分內河涌為斷頭涌，水體復氧功能喪失，處于黑臭狀態。根據中山市當地的河涌水環境治理規劃，未來小隱涌流域內的河涌將全面消除黑臭水體。

2 感潮河網閘泵調控引水方案

2.1 引水水源分析

小隱涌流域的西南部為中山市長江水庫，水質優良，但是根據當地水庫運行規劃，長江水庫只在雨季進行排洪泄水，平時無法進行生態補水，所以長江水庫不能直接作為引水水源。小隱涌流域內的感潮河網主要與橫門水道進行水體交換，橫門水道作為珠江水系一個重要出海口，水量大且水質良好，因此橫門水道可作為通過閘泵調控進行生態補水，提升小隱涌流域內河網水質的優選水源地。

橫門水道和岐江河在自然水動力條件下的潮位過程如圖1所示。當所有外江閘及內河節制閘全部開啟時，小隱涌流域內的各河涌水流流向基本隨漲落潮而變化，因此可根據外江潮位過程進一步建立不同外江潮位情景下的閘泵調控引水規則。

圖1 小隱涌流域外江潮位過程(單位：m)

2.2 高潮位閘控引水方案

當橫門水道潮位為高潮位(旱季高于1m，雨季高于1.4m，珠江基面)時，在漲潮時段，調度洋關水閘開閘引潮水至小隱涌，孖涌水閘、私鹽涌水閘開閘引潮水至小隱片區內河涌，當小隱涌水位達到最高控制水位(旱季1.6m，雨季1.7m)后關閘。落潮時段，當洋關水閘的閘內外水位形成設計水頭差0.3m后，洋關水閘開閘將小隱涌內水排出，小隱片區內河涌水通過八公里河流向小隱涌、張家邊涌將水排至橫門水道和岐江河。對于部分位于獨流入海片區以及河道里程較短的河涌，采用局部提升泵站的方案將閘引潮水和污水廠尾水輸送至該河涌內。

2.3 低潮位泵站引水方案

當橫門水道潮位為低潮位(旱季低于1m，雨季低于1.4m)時，在漲潮時段通過孖涌泵站提升引潮水至孖涌，旱季引水流量為6.67m3/s，雨季引水流量為20m3/s。孖涌水流至八公里河交匯處時向東西二方向配水，沿交匯處向東通過鋼壩流入小隱涌下游，向西流至八公里河上游暗涵處，通過此處泵站提升后的水流向岐江河方向流出。對于部分位于獨流入海片區以及河道里程較短的河涌，采用與高潮位相同的局部泵站提升補水。

3 小隱涌流域河網水質模型構建

為量化閘泵調控引水方案對小隱涌流域感潮河網水質的改善效果，本文基于MIKE 11軟件建立流域內河網的一維水動力水質數學模型。水動力模型的控制方程遵循一維圣維南方程組，方程離散求解采用Preissmann四點隱式差分格式。水質模型的控制方程為一維對流擴散方程，方程離散求解采用中心和空間的隱式差分格式。小隱涌流域河網水動力水質模型以小隱涌和八公里河主干河涌為基礎，河道概化共30條。模型的潮位開邊界處條件采用入海河涌水閘的實測潮位過程控制，流量開邊界按照小隱涌流域排入河涌的設計洪水流量過程控制。依據中山市環境質量報告書的主要水環境污染物分類，水質模型選取COD、NH3-N和TP作為水質污染模擬因子，污染源考慮小隱涌流域內源污染的輸入，包括工業污水、生活污水和農業面源污染等。水動力水質模型通過率定驗證后，模型的模擬工況設置見表1，考慮了不同季節情景以及基礎工程措施實施中是否配置閘泵引水方案對河網水質的影響。

4 結果與討論

4.1 閘泵引水前河網水質分析

圖2為小隱涌流域內各條河涌實施了清淤工程和控源截污工程后，河涌水質污染因子COD、NH3-N和TP在大潮漲落急特征時刻的濃度空間分布。該工況下，小隱涌流域并無實施閘泵引水方案，各水質污染因子的濃度分布在總體上與外江距離呈現負相關關系，即距離外江較遠的流域內部河涌污染濃度相對較高，這是因為河涌距離的增加將導致河涌水體與外江的置換受到制約。不同潮汐特征時刻下，落急時刻的COD濃度分布較漲急時刻有所改善，而NH3-N和TP的濃度相對變化則不明顯。

表1 小隱涌流域模擬工況

圖2 引水前大潮特征時刻的COD、NH3-N和TP濃度分布

閘泵引水前小隱涌流域內各河涌的水質分類結果見表2，實施清淤工程和控源截污后，小隱涌流域內各河涌水質情況均有所提高，除私鹽涌、孖涌、小隱涌、八公里河下游和小隱涌中下游部分河段可達到Ⅴ類水標準外，剩余河涌基本為劣Ⅴ類。該工況下，由于控源截污減少了流域內生活污水、工業污水和農業面源的入河污染量，加之流域下游受外江橫門水道潮汐漲落潮的影響，水動力效果稍強，因此小隱涌流域下游部分河段的水質污染因子濃度值可滿足Ⅴ類水標準。

表2 閘泵引水前河涌水質類別

4.2 旱季閘泵引水后河網水質分析

圖3為旱季小隱涌流域內各條河涌實施了清淤工程、控源截污工程和閘泵調控引水后，河涌水質污染因子COD、NH3-N和TP在大潮漲落急特征時刻的濃度空間分布，各河涌的水質分類結果見表3。

實施閘泵調控引水的方案后，該工況條件下的小隱涌流域內各河涌水質情況均有質的提升，除關帝涌、上傾九涌和水洲涌3條未閘泵引水循環的河涌外，其余河涌均可達到Ⅳ類或Ⅴ類水體標準。實施閘泵引水前，小隱涌流域的下游河涌受橫門水道潮汐往復循環流的影響，河涌的廢水累積且不能有效地外排，尤其是在流域上游，例如八公里河、濠頭涌、小隱涌上游，由于地勢較高潮汐水流無法抵達該位置，使得污染物不斷蓄積在河道內。而在實施閘泵引水循環后，使整個流域河涌的水體明顯流動起來，增強了小隱涌流域的水動力條件并提高了水體環境容量，使得補水循環的水體均達到除黑臭的要求。

圖3 旱季引水后大潮特征時刻的COD、NH3-N和TP濃度分布

表3 旱季閘泵引水后河涌水質類別

4.3 雨季閘泵引水后河網水質分析

圖4為雨季小隱涌流域內各河涌在小雨結束后0h和36h時刻的水質污染因子COD、NH3-N和TP濃度空間分布。由圖4可見，水質污染因子TP的濃度變化趨勢與COD變化趨勢基本相似。通過分析NH3-N發現，小雨降雨結束時刻水洲涌和上傾九涌上游NH3-N濃度較高，在經過閘泵補水循環36h后，水洲涌和上傾九涌雖然仍舊為劣Ⅴ類水體，但是并未達到黑臭水體標準。

圖4 雨季小雨結束特征時段后的COD、NH3-N和TP濃度分布

工況3條件下，通過閘泵引水36h后的河涌水質分類結果見表4。小隱涌流域內的各條河涌在雨季小雨條件下，經過36h的閘泵調控補水循環后，除關帝涌、上傾九涌和水洲涌3條未實施閘泵補水循環的河涌仍為劣Ⅴ類水體外，其余河涌均可達到Ⅳ類或Ⅴ類水體標準，整個流域可消除黑臭水體現象。

表4 雨季閘泵引水36h后的河涌水質類別

5 結論

(1)小隱涌流域感潮河網在實施高、低潮位情況下的閘泵調控引水方案后，河涌的排水流速提高，水體置換加速，有效改善了河涌的水質狀況。

(2)在采取控源截污、內源治理工程措施后，可有效地控制流域內源污染，但因感潮河網的往復流作用，污染物易累積使河涌水質變差。在基礎治理工程上實施閘泵引水循環方案后，旱季小隱涌流域的大部分河涌可達到Ⅳ類或Ⅴ類標準，且不會造成外江橫門水道水質變差。

(3)在雨季小雨的降雨條件下，采用閘泵調控引水循環方案并合理運行約36h后，小隱涌流域可基本實現河涌水質的恢復。