珠海橫琴新區水系引水調控效果模擬研究

龍曉飛,武亞菊,范群芳,朱 嵩,王 華,朱金和

(珠江水利委員會珠江水利科學研究院,廣東 廣州 510611)

珠江三角洲感潮河網區,受潮流和徑流的共同作用,污染物在河網區往復震蕩、滯留時間延長,易造成污染物的積累,水環境惡化。同時由于防洪防潮安全的需要,河網區大規模的閘泵體系建設,人為改變了內河與外江的天然聯系,阻斷了水體的自然交換,區域內水體形成相對封閉空間,水系連通性減弱,導致水環境進一步惡化。利用外江潮汐動力并通過水閘調度沖淤排污,可以明顯改善區域水環境,是珠江三角洲網河區水污染防治及生態修復的重要途徑,而不合理的調度方式易形成嚴重的污染事件。如何合理調整工程措施調度換水,提高換水效率,是改善感潮河網區水環境的關鍵[1-8]。

國內多采用數值模擬的方法對感潮河網的水文水質進行研究。武亞菊等[9]利用MIKE11 AD模型,模擬論證綜合調水、整治河道和截斷污染源對中順大圍骨干河涌的水質影響,在多渠道的工程措施下,中順大圍骨干河涌水質能達到與西江水同質的目標。杜鵑[10]利用MIKE11作為計算平臺,構建了潁上縣河網水動力水質模型,引清調度方案在一定程度上可以改善河網水質。高學瓏[11]針對福州市江北城區感潮河網的水動力和水質特點,構建河網一維水動力水質耦合模型,并進行模型驗證,實現江北城區河網水系景觀生態補水的合理配置。董志等[12]建立了廣州市芳村片感潮河網一維水流水質數值模型,并對模型進行了率定,計算分析了河涌連通、水閘調度、水閘建設等措施對河網水體交換的影響,提出了芳村片引清調水的優化方案。張現國等[13]基于EFDC構建福州復雜河網水系水動力水質模型,模擬研究區內不同水質目標及引水條件下的閘泵調度對河道水質變化影響,模擬結果表明:采用泵站補水可以快速改善河道內水質,相比于潮差引水,非汛期不溢流工況下,水質從合格到良好恢復時間可以縮短18.3%～29.6%。蔣雪蓮[14]針對感潮河網,采用MIKE11水動力模塊(HD)、對流擴散模塊(AD)對河涌水系進行水動力和水質模擬計算,分析評價利用潮汐動力及閘泵調度的補水量及補水活水后水環境質量的改善效果,分析表明:利用MIKE11模型研究改善感潮河網水量水質的方案計算簡單、可靠、效率高,可直接確定水閘和泵站的規劃流量,是較為有效的分析途徑。

本文以珠海橫琴中心溝水系為例,構建了河網區一維水動力精細化數學模型,開展改善區域水動力水環境的調控方案研究,綜合運用數學模型和優化調度等技術手段,計算分析原調控方案換水效果,并根據外江潮汐特征及區域水景觀建設目標,對原調控方案進行優化,對比分析其水質改善效果,為中心溝水系合理引水調控提供技術支撐。

1 區域概況及調控方案分析

1.1 區域概況

珠海市橫琴島位于珠海市陸域東南部,毗鄰港澳,橫琴島南北長8.6 km,東西寬約7 km,包括部分海域總面積106.46 km2。橫琴島四面環水,北部為馬騮洲水道(又稱洪灣水道),東部為十字門水道,西部為磨刀門水道,南部為南中國海,周邊水系見圖1。

圖1 橫琴島周邊水系

中心溝水系由橫貫橫琴新區東西的天沐河、北區排洪渠、南區排洪渠及相互連通的排洪渠構成(圖2)。中心溝北區設置20條排洪渠,中心溝南區設置25條排洪渠。天沐河河道從中心向東西兩端逐步拓寬,從最窄處的70 m到最寬處的400 m。天沐河屬一級河道,正常運行水位為1.5 m,渠底設計高程為-2.5 m。環島西路水閘凈寬60 m,4孔,閘底高程-2.5 m;濱海東路水閘凈寬40 m,4孔,閘底高程-1.5 m,防洪標準均為50年一遇。天沐河內接南北區二十余條排洪渠,外接磨刀門水道和十字門水道。

圖2 中心溝水系

天沐河為一級可通航河道,最高通航水位為2.2 m,最低通航水位為1.0 m,渠底高程-2.5 m,渠道頂高程定為3.70 m。

1.2 引水調控方案優化

1.2.1原調控方案

中心溝兩側僅有東西兩側水閘與外海聯通,受特殊地形影響,中心溝水系區域內水體相對封閉,缺乏流動性,容易引起污染物的蓄積,導致水質惡化。為解決水質惡化問題,《橫琴新區天沐河防洪及景觀工程可行性研究報告》(廣東省水利電力勘測設計研究院,2013年)中提出了中心溝規劃水系的控導方案:當天沐河水質惡化時,須進行水體更換。水體更換以天沐河東、西兩閘為主。環島西堤水閘與濱海東路水閘聯合調度,調度運行原則如下:①水體交換前,先利用外海落潮時刻開啟濱海東路水閘使得天沐河水位降至1.0 m;②外海漲潮時開啟環島西堤水閘、關閉濱海東路水閘,通過環島西堤水閘為天沐河蓄水,蓄水至1.5 m時關閉環島西堤水閘,停止蓄水,外海落潮時關閉環島西堤水閘、開啟濱海東路水閘,通過濱海東路水閘進行排水,排水至1.0 m時關閉濱海東路水閘,停止排水;③水體交換結束后,利用外海漲潮的時刻開啟環島西堤水閘使得天沐河水位升至1.5 m。

結合磨刀門水道潮汐特性規律,不同季節不同時段潮位特征相差較大,原調控方案采用1.0～1.5 m控制水位不能滿足不同時段中心溝水體與外海有效交換,特別是夏季氣溫高,區域封閉水體易變黑變臭,區域水環境問題更為突出。

1.2.2優化調控方案

綜合考慮夏季氣溫高、封閉水體含氧量相對較低、容易發黑發臭等水環境問題,利用珠江三角洲每月2次半月潮大潮過程,采用大流量、短周期引換水,適當擴大調控水位變幅,適時實施大換水,優化調控方案:①落潮時刻開啟濱海東路水閘使得天沐河水位降至0 m;②漲潮時開啟環島西堤水閘引水、關閉濱海東路水閘,蓄水至高潮位時關閉水閘。相比較原調控方案,優化調控方案一個完整潮周期可以實現2次開閘引水,增加了引水量、增強了區域水動力。

2 數學模型

2.1 一維水流基本方程組

一維水流是基于垂向積分的物質和動量守恒方程,即圣維南方程組:

連續性方程:

(1)

(2)

式中H——斷面水位;Q——流量;S——河道過水面積;u——平均流速,u=QS;g——重力加速度;B——不同高程下的過水寬度;ql——旁側入流流量或取水流量;R——水力半徑;C——謝才系數;x、t——位置、時間的坐標;ul——單位流程上的側向出流流速在主流方向的分量。

2.2 一維水質模型控制方程

河網水質模型的控制方程為一維對流擴散方程,其基本假定是:物質在斷面上完全混合;物質守恒或符合一級反應動力學(即線性衰減);符合Fick擴散定律,即擴散與濃度梯度成正比。一維對流擴散方程見式(3):

(3)

式中A——橫斷面面積,m2;C——物質濃度,mg/L;x——空間坐標,m;t——時間坐標,s;D——縱向擴散系數,m2/s;K——線性衰減系數,1/d;C2——源/匯濃度,mg/L;q——旁側入流流量,m3/s。

2.3 方程離散和求解

方程離散利用Abbott六點隱式格式,該離散格式在每一個網格點不是同時計算水位和流量,而是按順序交替計算水位或流量,分別稱為h點和Q點計算網格,布置為交叉網格方式。對流擴散方程采用中心和空間的隱式差分格式。

2.4 河網概化及參數取值

采用GIS軟件對中心溝水系進行概化,概化河網見圖3,包括中心溝、截洪渠、防洪溝以及環島西堤水閘和濱海東路水閘。參考《水力學》(李家星、趙振興主編/河海大學出版社),結合河道堤岸設計結構型式,模型糙率按0.020～0.024取值。本研究中污染物為保守物質,不發生降解,即衰減系數K=0。

圖3 河網概化

2.5 模型邊界條件

結合磨刀門潮汐特性分析成果,選取2008年11月9—21日實測潮位過程作為模型計算邊界,其高高潮位為1.97 m接近逐日高高潮位累積頻率1%,潮位邊界見圖4。為了便于半交換周期及換水率的統計分析,選用溶解態的保守性物質作為示蹤劑,區域內初始水位1.5 m,初始濃度為10 mg/L,外海污染物濃度取為0。

圖4 典型潮位過程

3 引水換水效果分析

3.1 評價指標選擇

廣泛收集并參考了國內外相關研究文獻成果,同時結合項目特征,提出主要評價的指標:流速、半交換周期和換水率。其中半交換周期和換水率[15]的定義如下:①半交換周期,利用保守物質作為示蹤物,通過分析各河段保守物質濃度變化,計算河網某斷面保守物質濃度減少一半需要的時間,反映河涌各段的水體交換能力;②換水率,可以反映河網水體被置換的程度,物理含義為河涌水體與外江水體在漲潮、落潮過程中,河涌水體與外江水體不斷混合,混合后的水體在潮流的作用下向外江輸運。其定義見式(4):

(4)

式中R(r,l,t)——河涌某位置瞬時換水率;r——某條河涌;l——里程;t——時間;C(r,l,t0)——河涌某位置初始濃度場;C(r,l,t)——河涌某位置瞬時濃度場。

為了便于統計分析,在中心溝水系布設了觀測斷面(圖5)。統計各斷面的流速、半交換周期及整個水體換水率,對比分析調控方案優化前后水質改善效果。限于篇幅,僅對主干河涌天沐河進行流速、半交換周期對比分析。

圖5 觀測斷面位置示意

3.2 流速分析

流速變化統計見表1。對于原調控方案,各斷面最大流速為0.36～0.52 m/s,自西至東流速逐漸減小、水動力逐漸減弱;對于優化調控方案,各斷面最大流速為0.31～0.72 m/s。相比較原方案,各斷面流速均增加,增幅為0.09～0.20 m/s,其中1號斷面距離引水斷面最近,流速增加幅度亦最大為0.2 m/s。

表1 流速統計 單位:m/s

3.3 半交換周期分析

水體半交換周期見圖6。原調控方案各斷面半交換周期為21.3～132.0 h,靠近西閘河段,由于外江凈水的匯入稀釋,水體半交換周期較短,而靠近東閘水體,受到水流不斷向東輸移的影響,保守物質總體呈現向東閘方向富集的趨勢,水體半交換周期較長。優化調控方案各斷面半交換周期為11.3～30.5 h,相比較原方案,各斷面半交換周期大幅減小,其中東閘河段水體半交換周期縮短了101.5 h。

圖6 水體半交換周期統計

3.4 換水率分析

水體換水率統計見圖7、表2。原調控方案中,調控水位變幅為0.5 m,一次引調水至1.5 m換水率為14.55%,排水至1.0 m換水率為15.24%;二次引調水至1.5 m換水率為28.90%,排水至1.0 m換水率為30.69%;三次引調水至1.5 m換水率為43.41%,排水至1.0 m換水率為45.88%。優化調控方案中,調控水位變幅為1.97 m,一次引調水至1.97 m換水率為48.55%,排水至0 m換水率為65.71%;二次引調水換水率為88.19%;三次引調水換水率為94.19%。相比較原方案,優化方案一次引調水換水率提高了3.3倍,三次引調水換水率提高了1.1倍。

a)原方案

b)優化方案圖7 換水率變化

表2 換水率統計 %

4 結語

a)建立了珠海橫琴中心溝水系一維水動力水質數學模型,計算分析了典型潮位過程中心溝的水動力特性及水體交換規律,結合流速、換水率等指標,對比分析了原調控方案及優化調控方案換水效果。研究表明:結合內河水質狀況,優化調控方案,利用每月2次半月潮大潮期,適當擴大調控水位變幅,適時實施大流量、短周期引換水,區域流速增加了0.20 m/s、半交換周期減少了101.5 h、換水率提高了1.1倍,可以明顯改善區域水環境,對于珠江三角洲感潮河網區引水調控方案的實施有一定的借鑒價值。

b)充分利用潮汐動力和原有水閘調度進行優化調控引水,有利于實施,但優化調控方案增大了中心溝水系控制水位變幅、增加了河道水流流速,實施引調過程中應注意天沐河通航安全。