石马河泄洪与东江水利枢纽调节不同情景下东江水质的模拟与分析*

江 涛，钟 鸣，邹隆建，黎 坤，林 波，朱爱萍，刘祖发

(1．中山大学地理科学与规划学院， 广东 广州510275；2．清远市水利枢纽建设管理处，广东 清远511518)

石马河泄洪与东江水利枢纽调节不同情景下东江水质的模拟与分析*

江 涛1，钟 鸣1，邹隆建2，黎 坤1，林 波1，朱爱萍1，刘祖发1

(1．中山大学地理科学与规划学院， 广东 广州510275；2．清远市水利枢纽建设管理处，广东 清远511518)

以东江干流下游东江水利枢纽～石龙河段为研究范围，构建基于MIKE21的二维感潮河段水动力、水质模型，以氨氮为水质控制因子，模拟分析汛期石马河泄洪排污及东江水利枢纽不同水量调节情景下，东深供水工程东江取水口水质变化规律，结果表明：① 受潮流影响，石马河各种泄洪流量情景下取水口氨氮浓度变化与潮位变化关系密切，显示出较为明显的大小潮变化的周期性；② 涨潮过程是影响取水口水质的主要控制因素，氨氮浓度超标均发生在高高潮时；③ 石马河泄洪量愈大对东江水质影响愈大，东江水利枢纽水量调节对下游水质有明显的改善作用。结果可为汛期石马河橡胶坝与东深供水工程取水口联合调度及东江水利枢纽应急水量调度提供决策依据。

水库调度；泄洪；MIKE21模型；石马河；东江

东江为珠江流域三大水系之一，干流全长562 km，广东省境内长370 km。东江是华南地区最重要的饮用水源，肩负着香港及河源、惠州、东莞、深圳和广州等地4 000多万人口的生产、生活用水[1]，其中承担香港、深圳供水的东深供水工程从东江下游东莞河段取水。东江干流水质总体良好，但随着区域经济社会迅速发展，近年来东江干流下游水质下降趋势较明显，且丰水期比枯水期污染严重，面源污染影响突出[2-3]。下游东莞市部分纳污支流尤其是石马河每逢汛期塌坝泄洪排污即造成东江干流局部水域水质急剧恶化，严重威胁东深供水工程取水水源水质安全。

为防止或减轻突发河流污染事故为主要内容的水质调度，是水库生态调度的重要内容之一[4-5]。国内外学者在水库水质调度方面已做了很多研究，早期的研究多通过系统分析技术[6-7]，或非线性优化模型[8-10]，将水质目标作为水库调度的约束条件之一。20世纪90年代，渐趋成熟的水质数学模型广泛应用于水环境污染模拟、预测与管理，为水库调度的水质研究提供了技术工具。Willey等[11]利用HEC-5Q水质模型，模拟分析了水库下泄水对河道内下游水质的影响；Hayes等[12]根据水质模型对水库调度模型进行优化，探讨了考虑下游Cumberland流域溶解氧的水库日调度规则；华祖林等[13]用二维水质水量模型模拟分析了调水对玄武湖水质的影响；董增川等[14]针对引江济太原型试验中引水分配不合理的问题，分析了基于一维水质模拟模型的区域水质水量联合调度方法；于磊等[15]利用MIKE21FM对大宁水库突发性水污染事故进行了模拟研究；辛小康等[16]借助MIKE21水质模型，计算了不同调度方式下三峡水库对宜昌江段污染物的稀释作用，并探讨了水库应急调度的可行性与有效性。

已有的研究多侧重于单向河流的水库水质调度方案研究，由于感潮河道受到往复流的作用，使得“引清济污”的调水更具有复杂性[17]。鉴于此，本文以东江干流下游东江水利枢纽-石龙河段为研究区域，利用MIKE21建立二维感潮河段水环境数学模型，通过情景模拟，探讨石马河泄洪排放污水时东深供水工程取水口水质变化规律，以及上游东江水利枢纽水量调节对取水口的水质影响，以期为汛期石马河橡胶坝与东深供水工程取水口联合调度及东江水利枢纽应急水量调度提供理论基础与决策依据。

1 二维水环境数学模型

1.1 控制方程

受径流和潮流的双重影响，东江干流下游河段水流情况复杂，且河道水面宽广，因此采用水深平均二维MIKE水动力模块(简称HD)耦合对流扩散模块(简称TR)进行水量水质模拟。

1.1.1 水流运动方程 水深平均二维非恒定水流运动方程组包括水流连续方程及沿x、y方向的动量方程，方程形式如下：

(1)

(2)

(3)

式中，x、y分别为横坐标和纵坐标；t为时间；h为总水深；η为水位；u、v分别为x、y方向上的流速分量；f为科氏力参数；g为重力加速度；ρ为水的密度；τbx、τby为河床床面应力分量；Pa为大气压强；ρ0为水的相对密度；S为点源流量大小；us、vs为源项在x、y方向上的水流流速；Txx、Txy、Tyx、Tyy为侧向应力分量，包括粘滞摩擦、湍流摩擦和差异平流。

1.1.2 水质控制方程 考虑污染物降解，水深平均二维对流扩散方程为：

(4)

式中，C为污染物质量浓度；K为降解系数；Cs为源(汇)污染物质量浓度；Dh为扩散系数；其他符号意义同前。

1.2 求解方法

水流连续方程及动量方程采用有限体积法进行空间离散，并使用Roe[18]提出的近似黎曼解法进行求解，对流扩散方程采用一阶迎风格式进行差分；对于时间积分，均采用一阶显式的Euler法。限于篇幅，水流、水质方程的具体求解及扩散系数的计算见文献[19]。

2 模型建立

2.1 研究水域概化

东江流域有3宗大型水库和11座梯级径流式水电站。对东江干流径流起调节作用的主要是新丰江、枫树坝和白盆珠三大水库，但上游水库来水到达博罗站后，日流量变化已基本上不受上游来水变动的影响[20]，下游污染物的扩散迁移主要受最下游一个梯级东江水利枢纽下泄流量的影响，为此，选取东江干流下游东江水利枢纽-石龙河段为研究范围(图1)。博罗水文站位于东江水利枢纽下游约2 km处，由于东江水利枢纽至博罗水文站之间无区间入流，可采用博罗站的流量作为东江水利枢纽下泄流量；石龙站位于东莞市石龙镇，东江干流过石龙后分为北干流和南支流进入东江三角洲网河区。

图1 研究区域位置示意图Fig.1 Location of study area

研究河段全长55 km，由MIKE21自带程序生成15 074个网格，网格分辨率为40～150 m，各网格水深根据水下地形插值计算而得，水下地形资料采用2010年实际测量数据。河段两岸共有15个入河排污口，排污口的污水排放概化成点源直接排入东江干流。由于丰水期研究河段和石马河水质主要受面源污染影响，主要污染因子为氨氮，因此选氨氮作为水质控制因子。水质控制点为东深供水工程东江取水口，其位于石马河入东江河口的上游300 m处。

根据河道水陆边界条件，上边界采用流量控制、下边界采用实测潮位过程。对于岸边界，则采用水流无滑移条件，即岸边水流取法向流速为零。初始水位设为模拟时间内下边界的平均水位，水流初始速度分量均设为零；氨氮浓度初始值设为实测值。

2.2 参数率定与验证

采用2010年5月21日10:00-22日13:00实测水文资料进行水动力模型参数率定(图2)，通过调试率定出河道糙率在0.013～0.040之间。选用2010年5月15日8:00-16日10:00实测资料对模型进行验证，从图3可以看出潮位、流量计算值与实测值的逐时变化趋势相同，潮位相对误差均小于6.4%，峰值流量相对误差均小于17.4%，但谷值流量相对误差略大，相对误差在30%以内。

图2 参数率定的水位、流量实测值与模拟值Fig.2 Observed and simulated water level and discharge for calibration period

图3 模型验证的水位、流量实测值与模拟值Fig.3 Observed and simulated water level and discharge for validation period

利用2010年5月21日11:00-23:00实测同步水质资料对水质模型进行率定(图4)，得到氨氮降解系数为0.13 /d。采用2010年5月15日8:00-20:00实测水质资料进行验证，从图5可以看出氨氮浓度计算值与实测值的逐时变化趋势基本一致，相对误差均小于15%，平均相对误差为5.8%。

水量水质验证结果表明，模型具较好的模拟效果，可用于汛期研究河段的水量水质模拟研究。

图4 参数率定的2010年5月21日氨氮浓度实测值与模拟值Fig.4 Observed and simulated NH3-N concentration for calibration period (May 21, 2010)

图5 参数验证的2010年5月21日氨氮浓度实测值与模拟值Fig.5 Observed and simulated NH3-N concentration for validation period (May 15, 2010)

3 模拟与分析

3.1 石马河泄洪情景设置

石马河发源于深圳宝安丰台山大脑壳，于东莞桥头镇注入东江，主河长88 km，流域面积1 249 km2。石马河曾经是东深供水工程的输水河道，2003年东深供水工程改造后，石马河恢复了天然河道状态，沿河各镇废污水直接或间接排入石马河，水质污染严重。由于东深供水工程取水口紧邻石马河入东江河口上游，为保障东深供水工程水源水质，在石马河东江河口处建有橡胶坝，污水被橡胶坝截流并通过方涵调入东引运河。但为防洪安全，当流域内出现强暴雨、石马河水位达到防洪警戒水位时则塌坝泄洪，受纳的污水及暴雨径流携带的污染物随泄洪排入东江干流，对东江干流水质造成污染。石马河泄洪流量一般在0～200 m3/s之间，泄洪时长从几小时到十几天不等。为此，设置50、100、150和200 m3/s 等4种泄洪流量情景，鉴于前期雨洪污染物质量浓度较高，在模拟时假设前5 d一直处于泄洪排污状态，氨氮质量浓度采用近年石马河汛期泄洪排污时实测数据的平均值6 mg/L。

3.2 石马河泄洪排污对取水口水质的影响

博罗水文站汛期(4-9月)多年平均流量为990 m3/s，以此作为上游来水，下游采用石龙站2013年6月17日0:00-24日24:00典型潮位过程作为边界条件；对水质边界，下边界采用同期氨氮实测质量浓度值；根据研究河段水环境功能区水质管理目标，上边界取《地表水环境质量标准》(GBGB3838-2002)Ⅱ类水质标准限值，即0.5 mg/L。

图6为石马河4种泄流情景下取水口氨氮质量浓度变化过程，氨氮质量浓度变化与潮位关系密切，涨潮时质量浓度迅速增大，涨潮达高高潮时氨氮质量浓度达到最大，质量浓度高于0.5 mg/L即超标的时间均发生在高高潮；落潮时质量浓度迅速降低，氨氮质量浓度变化显示出较为明显的大小潮变化的周期性。石马河泄洪流量越大，对取水口水质影响越大，随着泄洪流量的增大，最高质量浓度显著升高，超标时间变大，但最低质量浓度值基本保持不变(表1)。

图6 石马河不同泄流情景下取水口氨氮浓度变化过程Fig.6 Process of NH3-N concentration at the intake for the different scenarios of flood discharge from Shima River

表1 石马河不同泄流情景下取水口氨氮质量浓度特征值

Table 1 Characteristic value of NH3-N concentration at the intake for the different scenarios of flood discharge from Shima River

石马河泄洪流量/(m3·s-1)50100150200最低质量浓度/(mg·L-1)0 430 440 440 44最高质量浓度/(mg·L-1)2 203 273 944 27超标时长/h15 515 716 819 5

3.3 东江水利枢纽下泄流量对取水口水质的影响

由于情景较多，本文仅给出石马河泄洪流量为100 m3/s时，东江水利枢纽不同调节流量情景下取水口氨氮质量浓度变化过程(图7)。随着东江水利枢纽下泄流量的加大，东深供水工程取水口水质改善效果显著，氨氮质量浓度峰值明显降低，超标时间也明显变短，但最低质量浓度变化不大(表3)。东江梯级水库下泄流量与取水口水质改善程度有显著相关关系，在石马河50、100、150和200 m3/s等4种泄流情景下，当东江水利枢纽下泄流量分别为1 430、1 600、1 680和1 770 m3/s时，取水口氨氮质量浓度达到Ⅱ类水质标准要求(图8)。

图8 氨氮质量浓度达标时东江水利枢纽下泄流量与石马河泄洪量关系Fig.8 Relationship between the flood discharge from Shima River and the release discharge of Dongjiang Hydro-Project based on NH3-N concentration standard

表3 东江水利枢纽不同下泄流量下取水口氨氮质量浓度特征值

Table 3 Characteristic value of NH3-N concentration at the intake for the different release discharge of Dongjiang Hydro-Project

下泄流量/(m3·s-1)99013001600最低质量浓度/(mg·L-1)0 430 440 45最高质量浓度/(mg·L-1)3 271 790 50超标时长/h15 76 30

3.4 讨论

东江干流东江水利枢纽-石龙河段属于感潮河段，受径流和潮流交互作用，河道中污染物的混合扩散输移并不是单向的。在上、下游水质边界条件及污染物降解速率不变情况下，东深供水工程取水口的水质除跟石马河泄洪排放的流量有关外，还受上游来水与潮流的影响。石马河东江河口位于取水口下游，落潮时石马河泄洪排放的污水随水流往下游输移，由于氨氮降解系数较小，取水口水质主要受上游来水水质影响，不同石马河泄流及东江水利枢纽调节水量情景下，相同的上边界水质条件使取水口氨氮质量浓度最低值基本不变。

涨潮时潮流作用大于径流作用，受潮流顶托，石马河排放的污水回流上溯，对取水口水质产生影响，氨氮质量浓度随水位升高而增大。图9为东江水利枢纽下泄流量为990 m3/s时高高潮、低高潮涨潮流场图，从图中看出，高高潮涨潮时潮流上溯到取水口的上游，而低高潮时潮流只到取水口的下游，使取水口氨氮质量浓度超标均发生在高高潮，涨潮过程是影响取水点氨氮质量浓度超标的主要控制因素。潮流的往复运动也使氨氮质量浓度变化显示出较为明显的大小潮变化的周期性。

污染严重的石马河污水排入东江后加重了河水的水质污染，石马河泄洪量愈大对东江水质影响愈大。但水质良好的东江水利枢纽调节水量越大，下游水体的稀释、扩散能力就越强，水质整体就越好。由于取水口氨氮质量浓度超标主要发生在涨潮时，因此，要使石马河泄洪排污不会对取水口水质产生污染，东江水利枢纽下泄流量必须足够大，使潮流上溯位置在取水口以下(图10)。

4 结 论

基于MIKE21建立东江干流下游感潮河段二维水环境数学模型，模拟分析了石马河泄洪及东江水利枢纽水量调节不同情景下东深供水工程东江取水口氨氮质量浓度变化规律，并从水流的动力学特征探讨了氨氮质量浓度变化的机理问题，得到以下主要结论：

1)由于受潮流影响，石马河泄洪排污时，东深供水工程取水口氨氮质量浓度变化同潮位变化密切相关，显示出较为明显的大小潮变化的周期性。

图9 东江水利枢纽下泄流量为990 m3/s时各水段潮流场图Fig.9 The flow field during higher high water period under under 990 m3/s discharge of Dongjiang Hydro-Project

图10 东江水利枢纽下泄流量为1 600 m3/s时高高潮涨潮流场图(上溯至白莲湖村附近)Fig.10 The flow field during higher high water period under the 1 600 m3/s discharge of Dongjiang Hydro-Project

2)涨潮过程是影响取水口水质的主要控制因素，取水口氨氮质量浓度随水位升高而迅速增大，氨氮质量浓度超标均发生在高高潮时。

3)石马河泄洪量愈大对东江水质影响愈大；东江水利枢纽水量调节可有效改善下游水质，随东江水利枢纽下泄流量的加大，取水口氨氮最高质量浓度值显著下降，超标时间也变短；在4种泄洪流量情景下，要使取水口氨氮质量浓度达标，东江水利枢纽下泄流量分别需要1 430、1 600、1 680和1 770 m3/s。

基于上述结论，为防洪安全、保障源水水质，石马河橡胶坝应尽量选择退潮时泄洪，在石马河塌坝泄洪时东深供水工程避免在高高潮时取水。

[1] 刘丙军,陈晓宏,张灵,等.中国南方季节性缺水地区水资源合理配置研究[J].水利学报,2007,38(6):732-737.

[2] 曾凡棠,张修玉,许振成,等.过去20年东江水质演变趋势[J].环境科学导刊,2012,31(6):38-41.

[3] 陈凡,胡芳,聂小保,等.东江惠州段水质污染特征分析及其防治建议[J].环境科学与技术,2014,37(12):112-115.

[4] 王远坤,夏自强,王桂华.水库调度的新阶段-生态调度[J].水文,2008,28(1):7-9.

[5] 张洪波,黄强,钱会.水库生态调度的内涵与模型构建[J].武汉大学学报(工学版),2004,44(4):427-433.

[6] FONTANE D J, LOFTIS B. Optimal control of reservoir discharge quality through selective withdrawal[J]. Water Resources Research, 1981, 17(6):1594-1604.

[7] HOWINGTON S, HOLLAND J. Lost creek resource optimization study[C]∥ Water Resources Planning and Management 16th Annual Conference. Sacramento, California: American Society of Civil Engineers, 1989.

[8] LOFTIS B, LABADIE J, FONTANE D. Optimal operation of a system of lakes for quality and quantity[C]∥Specialty Conference on Computer Applications in Water Resources. Buffalo, New York: American Society of Civil Engineers, 1985.

[9] CARRIAGA C, MAYS L. Optimization modeling for sedimentation in alluvial rivers[J]. Journal of Water Resources Planning and Management, 1995, 121(3):251-259.

[10] VADAS R G, GARCIA L A, LABADIE J W. A methodology for water quantity and quality assessment for wetland development[J]. Water Science Technology, 1995, 31(8):292-299.

[11] WILLEY R G, SMITH D J, DUKE J H. Modeling water-resource systems for water-quality management[J]. Journal of Water Resources Planning and Management, 1996,122(3):171-179.

[12] HAYES D F, LABADIE J W, SANDERS T G. Enhancing water quality in hydropower system operations[J].Water Resource Research,1998,34(3):471-483.

[13] 华祖林,顾莉,薛欢,等.基于改善水质的浅水湖泊引调水模式的评价指标[J].湖泊科学,2008,20(5):623-629.

[14] 董增川,卞戈亚,王船海,等.基于数值模拟的区域水量水质联合调度研究[J].水科学进展,2009,20(2):184-189.

[15] 于磊,顾华,楼春华,等.基于MIKE21FM的北京市南水北调配套工程大宁水库突发性水污染事故模拟[J].南水北调与水利科技,2013,11(4):67-71.

[16] 辛小康,叶闽,尹炜.长江宜昌江段水污染事故的水库调度措施研究[J].水电能源科学，2011,29(6):46-48.

[17] LIU C L, JIANG T, ZHANG Q, et al. Modeling of water withdrawal for pollutant flushing in the tidal river network, Pearl River Delta, China[J]. Hydrological Sciences Journal,2012,57(3): 576-590.

[18] ROE P L. Approximate Riemann solvers, parameter vectors, and difference-schemes[J]. Journal of Computational Physics, 1981,43:357-372.

[19] Danish Hydraulic Institute. MIKE21 & MIKE3 Flow Model FM Hydrodynamic and Transport Module Scientific Documentation[R].2009.

[20] 林旭钿,陈芷菁.东江流域水资源调度效果分析[J].广东水利水电,2005,10(5):49-51.

Simulation and analysis of water quality in Dongjiang River based on the different scenarios of flood discharge from Shima River and the regulation of Dongjiang Hydro-Project

JIANGTao1,ZHONGMing1,ZOULongjian2,LIKun1,LINBo1,ZHUAiping1,LIUZufa1

(1. School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China;2. The Administration Office of Qingyuan Water Conservancy Project, Qingyuan 511518, China)

In this study, a two-dimensional water dynamic and water quality model based on MIKE21 was developed to simulate the water quality at the intake of Dongshen water supply project. The study was carried out in the tidal reach between the Dongjiang Hydro-Project and Shilong in the downstream of the Dongjiang River, and NH3-N was taken as the water quality indicator. Different scenarios of flood discharge from the Shima River and the release discharge of the Dongjiang Hydro-Project were used to drive the model for the simulation of the water quality at the intake of the Dongshen water supply project. The results indicate that: ① the change of the NH3-N concentration at the intake is related to the tidal change, the NH3-N concentration over-standard occurs during higher high water level period; ② flood tide is the main factor which impacts the water quality at the intake, and the NH3-N concentration is more than 0.5mg/L during higher high water lever period; ③ more flood discharge from Shima River has the greater effect on the water quality, and the water regulation of the Dongjiang Hydro-Project can cause a significant improvement on water quality in the downstream. The results of this study contribute to the decision-making for the joint operation of the flood discharge from Shima River and the intake of Dongshen water supply project, also have great significance for the emergency operation of the Dongjiang Hydro-Project.

reservoir regulation; flood discharge; MIKE21 model; Shima River; Dongjiang River

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.02.021

2015-06-08

广东省科技计划资助项目(2013B020700009)；广东省水利科技创新资助项目(2011-10)；国家自然科学基金资助项目(41371055)

江涛(1965年生)，女；研究方向：水文与水环境；E-mail:eesjt@mail.sysu.edu.cn

X522

A

0529-6579(2016)02-0117-07