东莞市川槎河片区水环境综合整治方案

郭晓娟，陈 晖，黄广灵，谭 超

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 510635；3.广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510635)

珠江三角洲网河区水系发达，但网河区河涌存在自身径流小、河涌比降缓等特点，加之河涌间常建有水闸，导致河涌内水流流速小[1]。此外，由于地处感潮河段，受到潮汐的影响，水流呈往复流，导致河涌水体自净能力较低，污染物扩散较慢[2-3]。随着经济社会的迅猛发展，网河区用水量和排污量剧增，水污染治理相对滞后，导致水质进一步恶化，给人民群众的生产生活造成了严重的影响，成为制约流域经济社会健康发展的重要因素[4]。因此，网河区的水环境整治迫在眉睫[5]。而目前单一的污水、污泥治理已难以满足要求，水环境综合治理已成为发展的方向。

本文以东莞市川槎河片区为例，在现状水系分布情况下，通过河道清淤、水系连通、群闸联调等方法，进行川槎河的水环境综合整治，并应用水动力水质数学模型，对整治方案的有效性进行验证，为网河区水环境综合整治提供科学依据和借鉴。

1 研究区域概况

川槎河片区位于东莞水乡网河区四乡联围北侧，总面积约为17.3 km2，西侧属麻涌镇鸥涌村、黎滘村、川槎村、新基村，东侧属中堂镇槎滘村。陆域被东江北干流、横涌海、倒运海水道及麻涌河所围，片区内水系众多，宽度在5～80 m之间。各河涌纵横交错，互相连通，河涌水系分布如图1所示。

图1 川槎河片区河涌水系及水工建筑分布示意

川槎河片区现有水闸12宗、排站4宗、城轨预留箱涵2段(见图1、表1)，片区中部的沙涌口水闸和朱仔沙水闸为麻涌和中堂两镇间的分水闸，其余10宗为挡潮闸。朱仔沙水闸、城轨预留箱涵1#和2#的底高程均较高，阻碍两镇水体交换，且朱仔沙水闸已废置多年，6扇闸门关闭，导致朱仔沙涌处于断流状态[6]。

表1 川槎河片区水闸、排站、箱涵参数统计(85高程基面，下同)

2 水环境现状

川槎河片区以北的东江北干流的水质较好，除总磷总氮为V类外，其他指标均为II类以上。川槎河片区内河涌沿岸截污工程不健全，生产、生活垃圾和废水入河，河涌污染严重。由于地处感潮河段，各河涌水流复杂，流态不稳，导致污染物不易扩散。此外，河涌内底泥淤积严重、河道比降缓，河道的过流能力严重下降，同时河涌之间采用水闸进行隔断，导致河道内水动力较弱、水体交换能力差，造成水环境恶化。根据2018年和2019年在片区内采集的水质样品分析结果(见图2、表2)可知，片区内水质以Ⅳ类和Ⅴ类为主，个别为Ⅲ类，还存在劣Ⅴ类。其中，1#和2#采样点由于位置靠近挡潮水闸，受外江影响更明显，水质较好，为Ⅲ类；片区中部的4#、5#、6#采样点污染程度较高，水质为劣Ⅴ类；其余采样点水质以Ⅳ类和Ⅴ类为主。且各采样点的水质多表现为涨潮优于落潮，表明涨潮时外江水的涌入使片区内水质得到了短暂的优化。因此，可通过与外江的水体交换来实现内河涌水质的提升。

图2 川槎河片区水质采样点分布示意

表2 川槎河片区各河涌检测点水质评价结果

3 水环境综合整治方案

3.1 水环境综合整治思路

根据川槎河片区水系及水动力特征，进行水系连通改造和清淤疏浚，促进水体流动，提高河涌换水效率，改善水生态环境。

首先，由于片区内河涌淤积严重，水体流动性减弱，影响水体自净能力，因此，考虑对淤积严重的河段进行清淤疏浚，打通排水路径，增强水体流动性。

第二，片区内部河网密集，河道主支流间水流复杂，为增强片区中部河涌的水体流动性，同时确保麻涌镇与中堂镇水体互通处于受控状态，考虑打通两镇之间的横向水系连通[8]。

第三，由于片区外的东江北干流水体流动性好，纳污能力强，且水质较好，因此考虑通过合理利用潮汐的自然动力和各水闸的联动配合，引入东江北干流的优质水体，并实现片区内优质水体的单向流动，即由东江北干流进水、由倒运海水道排水，提高水体的交换效率，优化川槎河片区水环境[9-10]。

3.2 水环境综合整治方案

根据水环境综合整治整体思路，川槎河片区整治内容主要包括以下3部分。

1)河道清淤疏浚

已有的东莞市中小河流治理重点县综合整治和水系连通试点麻涌—4项目(以下简称“麻涌—4项目”)位于川槎河片区西北部(如图3所示)，整治5条河涌，清淤总长度3.47 km，重建涵管1段。结合“麻涌—4项目”进行内河涌疏通，具体清淤河段和底高程见表3。现状大茅涌仅靠1根直径1.2 m的涵管与倒运海水道连接，为缩短并拓宽排水路径，在退潮时加快水体流速，考虑打通大茅涌与倒运海水道的相连。

图3 水环境综合整治方案示意

2)水闸拆除重建

重建朱仔沙节制水闸，打通麻涌镇与中堂镇之间的横向水系连通，通过城轨预留箱涵，由大梅涌经沙涌和朱仔沙涌向中部河涌进行调度补水。同时，在打通大茅涌的基础之上新建大茅水闸，控制大茅涌与倒运海水道的水流方向。

3)建立群闸联调机制

为增强片区内的水动力并控制生态水位在-0.54～0.26 m之间[7]，水闸调度方式为：涨潮时，当外江水位高于-0.54 m时，打开东江北干流沿线水闸和片区内部节制闸，对河涌进行补水，当内河涌水位上涨至0.26 m后关闸；落潮时，当外江水位退至0.26 m时打开倒运海水道沿线水闸和片区内部节制闸排水，水位下降至-0.54 m时关闸。

表3 水环境综合整治方案措施 m

4 水环境综合整治方案数值模拟

4.1 模型的建立

本次采用DHI-MIKE11模型对水环境综合整治方案的效果进行验证。建立的一维水流计算数学模型范围包括珠江三角洲各主要河道以及川槎河片区内各河涌22条。模型上边界为三水、马口、老鸦岗、博罗、石咀，下边界为八大口门(崖门、虎跳门、鸡啼门、磨刀门、横门、洪奇沥、蕉门、虎门)。川槎河片区各河涌与外江连接处根据实际情况设置相应的水工建筑(水闸)[11]。模型范围如图4所示。

图4 一维模型范围示意

本次一维模型计算下边界潮型以“012”(2001年2月份珠江三角洲水文联测)八大口门各站的实测潮位资料为边界，上边界以“012”实测水文数据的流量过程为边界。一维模型主要计算水环境综合整治方案实施前后的水流水动力状态以及水体交换效率。模型所用川槎河片区内河道地形资料为2019年12月实测河道大断面。由图5可知，模型率定和验证结果较好，符合相关模拟技术规范的精度要求。

图5 一维模型计算水位与实测水位对比示意

4.2 计算结果分析

4.2.1现状

1)水动力

川槎河片区内河涌水势平缓，水流方向受潮汐影响明显。各河涌出口均建有与外江相隔开来的水闸，仅当外江水位高于或低于规划生态补水水位时关闸，其他时段均保持水闸开启状态。因此，片区内河涌的流向整体而言是随潮涨潮落而变化的(形成受潮流影响的往复流)，涨潮时潮水由外江流入内河涌，落潮时则相反，水从内河涌流往外江。

片区外围东江北干流、横冲河和倒运海水道的最大涨、落潮流速基本在0.50 m/s左右，麻涌河的平均最大流速约为0.40 m/s。片区内最大流速普遍较外江小，各主要河涌平均最大流速为0.33 m/s。川槎河、朱仔沙涌和沙涌的最大流速发生的流向为自西南向东北，即主要通过螺村河补充水量。各河涌中以螺村河的平均流量12.0 m3/s为最大，其他河涌平均流量均小于10 m3/s，川槎河的平均流量为5.3 m3/s。

2)水体交换能力

采用保守物质的扩散计算方法研究川槎河片区水体交换能力。通过设置保守物质的初始浓度，在模型计算一定的时长以后，便可通过分析保守物质浓度的变化得到水体的交换情况。保守物质初始浓度的设定如下：片区内水体中保守物质的初始浓度设为1，表示在现状的初始阶段，各河涌水质较差；片区外河道保守物质的初始浓度设为0，以排除外江水体对片区内水体交换能力计算的干扰[12]。

图6为模型运行1 d、3 d后川槎河片区保守物质浓度分布示意。

图6 模型运行1 d、3 d、5 d后各河涌保守物质浓度分布示意

由图6可知，模型运行1 d后，与外江直接连通的河涌水体中保守物质的浓度迅速下降至0.20 mg/L以下，而片区中部的河涌保守物质浓度仍较高；模型运行3 d后，片区中部部分河段保守物质浓度仍维持在0.50 mg/L左右。

图7为川槎河中部保守物质浓度随时间变化示意，由图7可知，川槎河保守物质浓度随外江水的涌入和排出而逐渐下降，并随水流流向转换而出现一定的反复，需102 h才能扩散至初始浓度的50%，即0.50 mg/L，需要213 h才能扩散至0.20 mg/L。

图7 现状川槎河中部保守物质浓度随时间变化示意

4.2.2联合补水方案实施后

1)水动力

川槎河片区水系按方案进行整治后，各河涌水流涨潮时，外江水由北部水闸进入片区内；落潮时经南部水闸排至倒运海水道，各河涌水体实现单向循环。

方案实施后，片区各主要河涌的流速较现状普遍增大，各河涌最大流速平均增大至0.41 m/s；朱仔沙涌与大梅涌的连通分流了大梅涌近1/2的流量，导致朱仔沙涌的最大流速较现状增大了0.16 m/s，方向为自东北向西南；川槎河接受朱仔沙涌的补水，平均最大流速较现状增大0.10 m/s，方向为自北向南，表明此时川槎河主要接受大梅涌经朱仔沙涌的补水。

方案实施后，各主要河涌的流量均较现状有所增大；其中川槎河和大茅涌的平均流量分别为8.6 m3/s和2.7 m3/s，大茅涌的分流比约为31%。

2)保守物质扩散时间

图8为方案实施后模型运行1 d、3 d后川槎河片区保守物质浓度分布示意。从图8中可以看出，按规划方案运行1 d后，朱仔沙涌的保守物质浓度也迅速下降，反映了河道清淤和朱仔沙水闸拆除重建的效果。按规划方案运行3 d后，各主要河涌的保守物质浓度均下降至0.10 mg/L以下。图9为方案实施后川槎河中部保守物质浓度随时间变化示意。由图9可知，在接受大梅涌经朱仔沙涌的大量补水之下，川槎河中段保守物质需40 h即可扩散至0.50 mg/L，53h能扩散至0.20 mg/L，77 h能扩散至0.10 mg/L。

图8 水环境综合整治方案实施后模型运行1 d、3 d后各河涌保守物质浓度分布示意

图9 水环境综合整治方案实施后川槎河中段主要河涌保守物质浓度随时间变化示意

5 结语

1)东莞市川槎河片区水环境综合整治方案通过疏浚清淤、水系连通和群闸联调，增加大梅涌经朱仔沙涌向川槎河的补水量，加强河涌间的水体交换，并通过控制片区内水流方向，实现涌内水体的单向循环，引入外江优质水体解决片区内污染物浓度反复升高的问题。

2)采用一维水质模型对川槎河片区水环境综合整治方案效果进行验证，结果表明川槎河保守物质浓度77 h即可扩散至0.10 mg/L，能够较好地达到增强水体流动性、改善水环境的预期目标。但日后麻涌和中堂两镇需在水闸管理方面进行协调。

3)川槎河片区水环境综合整治方案可为复杂水系的网河区水生态修复提供科学依据和借鉴。