粤港澳大湾区内河涌生态补水方案研究——以中山市鹅毛涌为例

臧克清，穆贵玲

(1.广东水科院勘测设计院，广州 510635；2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广州 510611)

1 概述

粤港澳大湾区是我国开放程度最高、经济活力最强的区域之一，在国家发展大局中具有重要的战略地位。《粤港澳大湾区发展规划纲要》提出，全面建成宜居宜业宜游的优质生活圈，打造高质量发展和高品质生活的典范，增强人民群众的幸福感，这势必对优质的水资源、健康的水生态、宜居的水环境提出更高标准。《粤港澳大湾区水安全保障规划》提出要保障河流生态流量，系统治理大湾区核心区域三角洲水生态环境，形成全区域绿色生态水网，让大湾区河流成为人民的幸福河。

粤港澳大湾区地处珠江流域下游，据不完全统计，珠三角围内河涌有数万条，是珠三角城市中最为普遍的水系，直接承担着珠三角城市防洪、排涝、供水、水环境、水景观等多重功能。内河涌水动力条件较弱，河道比降平缓，很大一部分内河涌为断头涌，水体交换能力弱，水环境问题较突出。

补水工程是借助泵站、水闸等工程，充分利用上游山塘、湖库，干流，污水处理厂尾水等水源补水，改善内河涌水环境。生态补水工程最早起源于日本的隅田川[1]，后续在荷兰 Veluwemeetr 湖[2]、美国Moses湖[3]、新西兰Rotoiti湖[4]、俄罗斯的莫斯科河[5]等均得到了成功应用。我国也开展了滇池补水工程[6]、“引江济太”工程[7]、杭州西湖补水工程[8]、广州市三涌补水工程[9]、深圳市深圳河补水工程[10]等生态补水改善水生态环境工程。

本研究针对粤港澳大湾区内河涌断头涌水环境问题，为增强内河涌河道换水能力，提高内河涌水环境容量，改善内河涌水环境状况，以中山市内河涌断头涌鹅毛涌为例，对其具体的生态补水方案进行研究，以期为大湾区内河涌水环境治理提供参考依据。

2 河涌补水方案制定SSTMS法

河涌补水方案的制定采用“现场考察—水源确定—控制目标—建模试算—补水方案”(SSTMS)方法，综合考虑河涌周边水文、水质、水利工程、水源条件等，确定具体的模拟工况，并根据模拟结果确定最优的补水方案(见图1)。

图1 补水方案制定技术路线示意

具体步骤如下：① 现场勘察，收集河涌周边水文、水质资料及水闸、泵站等水利工程资料，掌握河涌周围现状闸泵调度情况；② 确定补水水源、水质目标和控制目标，提出模拟工况；③ 建立内河涌水动力水质模型，确定模型边界、参数、构筑物及源汇项，并进行率定验证；④ 模型试算，并对模拟结果进行分析，确定最优补水方案。

2.1 补水水源及目标确定

补水水源根据水量是否满足、距离是否合适等基本要求，充分利用上游山塘、湖库，干流，污水处理厂尾水等来确定。上游附近有山塘、湖库的河涌，日常引入上游山塘水、湖库水补水；河长较短的河涌可考虑从干流引水；在污水处理厂服务区内的河涌，选择合适的路径引入污水处理厂尾水补水。

水质治理目标参考附近水功能区水质目标、政府下达任务指标等确定；控制目标根据各河涌实际情况和预期达到的效果综合确定。

2.2 模型方法

生态补水工程的水环境改善效应研究主要基于水动力水质耦合模型。Hayes 等构建一维水动力、水质、发电耦合模型，研究水库泻流对下游河道水质的影响及水库最优调度方案[11]；Campbell等研究巴西Klamath河流，构建水动力水质耦合模型，对Klamath河流的调度方式进行评价分析[12]；冯斯安运用一维水动力水质耦合模型对车陂涌生态补水的水质改善效应进行了研究[13]；陈俪丹等利用一维河网水动力水质耦合模型分析研究了滨江圩区最优活水方案[14]；戴昱等构建二维水动力—水质耦合模型对赤山湖的水流运动、水质变化规律及防治措施进行了研究[15]。宫雪亮利用MIKE21水动力—水质耦合模型对南四湖上级湖的水质变化规律及治理方案进行了研究[16]。

本次选取二维水动力—水质耦合模型对大湾区内河涌生态补水工程的水环境改善效应进行研究，模型原理详见参考文献[16]。

3 实例分析

3.1 研究区域概况

中山市处于粤港澳大湾区的几何中心，珠江三角洲中南部，北连广州，南连珠海，毗邻港澳。为发挥其在大湾区的作用，中山市努力打造高水平发展平台，主动对接深圳、香港，进一步密切与粤西地区的经济联系，做好“东承”文章，强化“西接”功能，奋力把中山建设成为珠江东西两岸融合发展的支撑点、沿海经济带的枢纽城市、粤港澳大湾区的重要一极，这势必对中山市水生态环境提出了更高的要求。为打好污染防治攻坚战，中山市委市政府印发了《中山市水环境治理责任追究工作意见》，未来3 a计划投入600多亿元推进全市黑臭(未达标)水体整治工程建设。

鹅毛涌是中顺大围内中山市中心组团大涌镇内河涌，起于涌口与赤洲河交界处，止于起凤环市场，全长为808 m，平均宽度为10 m。鹅毛涌为断头涌，河涌流动性差；且河涌污染严重，为劣V类水。

3.2 补水水源及目标确定

河涌末端是起凤环市场，附近无山塘、湖库，也无污水处理厂，但河涌长度较短，离赤洲河仅800 m左右，故选择赤洲河为引水水源。

补水目标是通过泵站抽水至河涌末端来加大河涌流动性，提高河涌纳污能力，进而改善河涌水质，使内河涌基本消除黑臭，水质达到V类水标准。根据《全国水利发展十三五规划》，到2020年，七大重点流域水质优良比例总体达到70%以上，因此，选取水质保证率达到70%为控制指标，确定补水工程的规模。具体模拟工况见表1。

表1 模拟工况及控制目标

为确保外河引水的可靠性，选择90%降雨保证率的年份为设计年。根据石岐站近30 a降雨量资料进行频率分析，计算降雨保证率。根据计算结果，90%降雨保证率的年份为2011年，故选择2011年为设计典型年。

3.3 模型建立

3.3.1模型边界

因调水主要集中在枯水时期，故本次仅考虑典型年2011年枯水月1月的调度，即水位边界条件为2011年1月模拟结果。

1)与赤洲河交界处边界

鹅毛涌与赤洲河交界处为开边界。水动力模型边界为该点赤洲河水位过程边界。赤洲河属于中顺大围河涌，受河网和潮位双重影响，水位较难确定。项目区目前已实施中顺大围河涌闸泵调度方案，总体西进东出。根据前期建立的一维中顺大围河网模型，以2011年实测外河水位、潮位为边界条件，按照已实施中顺大围河涌闸泵调度方案对中顺大围河网的水动力进行模拟，得到赤洲河与鹅毛涌交界处的水位过程(见图2所示)。

图2 鹅毛涌与赤洲河交界处水位过程边界示意

水质模型边界为常数边界，取大涌镇赤洲河目标水质，氨氮浓度为1.5 mg/L。假定赤洲河水质已达标，才能实现引清调度的目的。

2)河涌末端边界

现状为闭边界。

工程补水时，为点源边界。水动力模型边界为流量过程边界，流量过程根据外江水位过程确定，使泵站引水时间要保证每天10～12 h(见图3所示)。

图3 引水流量过程示意

根据外河水位过程线分析可知，大涌镇河涌的外河水位大于0.3 m时开泵引水时间约12 h；大于0.2 m时开泵引水时间约16 h；大于0.4 m时开泵引水时间约8.5 h。因补水方案中及以上，故仅外河水位大于0.3 m时开泵引水时长符合目标要求，选择 0.3 m时开泵。即当外江水位大于等于0.3 m时取假设引水流量，当外江水位小于0.3 m时取0。

水质模型边界为常数边界，来自大涌镇赤洲河目标水质数据，氨氮浓度为1.5 mg/L。

3)源汇项

鹅毛涌无支涌汇入，故无支涌源汇项。

排污口污水入河量以源汇项加入模型。鹅毛涌排污口实测污水排放量为0.042 7 m3/s，排污时间为24 h/d，污水浓度为COD 200 mg/L，氨氮11.5 mg/L。

3.3.2模型参数

模拟时间为典型年的枯水月，即2011年1月1日8:00—2011年2月1日7:00，地形为实测现状地形。

1)水动力参数

鹅毛涌断面为规则断面，以梯形为主，故糙率取经验值0.025。

2)水质参数

根据现状实测水质数据分析可知，鹅毛涌氨氮浓度为8.55，总磷浓度为1.07，主要超标污染物为氨氮，故选取氨氮为水质指标。

对于污染物综合衰减系数k，近20多a来，华南环境科学研究所、中山大学等多个科研单位对珠江三角洲网河区各类水体的COD、NH3-N的衰减规律作了系统的研究(见表2所示)。

表2 广东省重点研究成果采用的衰减系数

因此，水质模型参数初始浓度取大涌镇鹅毛涌实测氨氮浓度为8.55 mg/L。氨氮衰减系数取0.07/d。

3.4 结果分析

3.4.1现状流场及水质分布

从计算结果和模拟动画可知：现状条件下，由于外河水位的波动，河涌交界处会有水流一直来回波动，使得河涌换水频率并不小。外河水位低时，仅连接处附近400 m处有水流，末端为死水区；而水质改善范围仅为50 m以内。外河水位高时，水流波动范围可达到500 m，河涌末端仍为死水区；水质改善范围也可达到350 m。现状低水位、高水位情况下鹅毛涌流场-水质分布见图4和图5。

图4 现状低水位情况下鹅毛涌流场-水质分布示意

图5 现状高水位情况鹅毛涌流场-水质分布示意

3.4.2引水流场及水质分布

假设引水流量，通过试算，使河涌水质保证率达到70%时的流量为所求流量。补水低水位、高水位情况下鹅毛涌流场-水质分布见图6和图7。

图7 补水高水位情况下鹅毛涌流场-水质分布示意

根据模拟结果，70%水质达标保证率情况下，鹅毛涌的引水流量为0.13 m3/s，换水频率为1.73 次/d。通过外河引水，河涌末端从死水区变为活水区，水动力条件得到明显改善，平均流速增大约10倍，河涌整体的换水频率也变大。外河水位较低时，河涌基本为单向流，从河涌末端流向河涌交界处；随着补水的推进，河涌水质影响范围也逐渐扩大。当外河水位变高后，河涌内出现对流，水流方向比较紊乱。经过2 d，整条河涌水质明显变好，平均水质基本达到V类，但由于排污口入河污染物的影响，仍需补水来维持水质的稳定。

3.4.3模拟结果对比分析

不同工况下鹅毛涌平均流速、水质对比见图8和图9，可见在补水工况下，河涌流速得到了提高，死水区变活水区，河涌水质也得到极大改善，基本可达到V类水。

图9 不同工况下鹅毛涌平均水质对比示意

4 结语

1)“现场考察—水源确定—控制目标—建模试算—补水方案”(SSTMS)生态补水方案确定方法综合考虑河涌周边水文、水质、水利工程、水源条件等，通过建立二维水动力水质模型，设定不同水质达标率控制目标，确定具体的模拟工况，可以确定内河涌的最优补水方案，使内河涌水动力、水质条件得到改善，为大湾区内河涌水环境治理提供参考依据。

2)以中山市内河涌鹅毛涌为例，研究得到70%水质达标保证率情况下，鹅毛涌的引水流量为0.13 m3/s，换水频率为1.73次/d。通过补水，断头涌末端从死水区变为活水区，水动力条件得到明显改善，平均流速增加约10倍，河涌整体的换水频率变大，河涌水质也得到极大改善，基本可达到V类水。

3)补水的前提是要确保补水水源的水质达到政府规定的目标水质。内河涌治理时，建议在补水工程的基础上，结合排污口原位生态修复工程、曝气工程、微生物菌剂工程等联合使用，使内河涌彻底消除黑臭。