基于数学模型的东江南支流临时挡潮防咸方案分析

陈镇杰

（东莞市水务局（东莞市运河治理中心），广东 东莞 523000）

1 应急工程方案

根据咸潮活动规律，结合现场实际情况，拟定了3个挡潮防咸方案：①方案1：在支流上设置高埗水闸、厚街水闸、赤滘水闸3座，通过关闭闸门来实现外海挡潮。 ②方案2：通过设置围堰封堵大王洲南汊及南北汊之间的连通水道， 实现东江三角洲挡潮防咸。 ③方案3：通过设置围堰封堵大王洲南汊以及北汊，保证东江三角洲压咸效果。 方案对比如图1。

图1 应急挡潮防咸方案

2 数学模型构建

2.1 三维咸潮模型构建

采用SCHISM模型模拟珠江河口的咸淡水混合过程，计算东江三角洲咸潮活动规律。模型是一个三维斜压、 跨尺度环流模型， 其计算范围为112.6°E～113.6°E；21°N～23.6°N，计算选取西江的高要、北江的石角、东江的博罗、流溪河及潭江上游作为上边界，下边界取约100m等深线处。 计算模型采用全三角形的非结构网格，可比较精确地贴合复杂的河岸边界。经分析，模型网格共计101265个节点，172246个网格单元，网格单元的大小为10～12000m。 模型垂向上采用Sigma坐标，共分10层，分层厚度随水深而变化。

模型参数设定为：①采用斜压模式进行计算，其中外海盐度边界取34 （取值依据为边界点处的WOA09盐度资料的年平均值），上游边界盐度均设为0。②水平网格内部各节点的初始盐度采用以下方法设定：海域节点采用WOA09盐度资料进行插值，网河节点则直接设为0。 模型的干湿判定水深选取0.01m。③模型计算的基准面为珠基，计算时间步长为120s，冷启动，网格内各节点初始水位均设为0m，模型计算50h后水位稳定，计算约15d后盐度场达到稳定。

2.2 一维水流水质模型构建

一维水流水质计算模型是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流Saint-Venant方程组来模拟河流或河口的水流状态。

计算模型范围包含东江三角洲干流及各类主要支流共34条， 模拟的物质包括氨氮、BOD两种物质，物质在输移过程中通过物理、 化学及生物的作用发生浓度衰减， 其衰减系数反映了污染物在水体作用下降解速度的快慢。为使模型尽快收敛，设置一定的初始水位与污染物浓度：模型的初始水位设定为0m，溶解氧初始浓度设为6mg/L， 氨氮浓度0.5mg/L，BOD初始浓度为1.5mg/L。

3 模型验证

3.1 三维咸潮模型验证

（1）水动力验证。采用2019年东江三角洲同步观测水文数据对模型进行水动力验证。验证结果显示，潮位的模拟值与实测值符合性较好， 计算时段内实测断面水位误差平均值均小于0.1m， 流量相对误差均在10%以内，满足相关规范的要求，可见模型中各河道糙率的选取是符合实际情况的。

（2）水位及盐度验证。采用2021年4月份的泗盛、大盛水位及东莞市第二水厂、第三水厂、第四水厂和万江水厂的取水口含氯度对模型进行验证。 结果显示，各测站潮位过程模型相位与实测基本一致，潮位平均误差最大偏差为0.18m，结果良好；且盐度的模拟值与实测值吻合较好， 基本上能反映东江三角洲网河区咸潮活动情况。 综上，模型验证情况良好，可用于下一步模拟计算。

3.2 一维水流水质模型验证

（1）水动力模型的率定及验证。糙率范围控制在0.023～0.045之间， 其中低糙率主要集中在下游平原河网区域。 验证结果显示，潮位、流量相位之间的误差小于0.10h， 潮位的模拟值与实测值吻合较好；计算时段内实测断面水位误差平均值均小于0.1m，流量相对误差均在10%以内，满足相关规范要求。 可见模型中各河道糙率的选取是符合实际情况的， 可用于下一步水质模拟计算。

（2）水质模型的率定及验证。应用率定好的水质参数运行模型，并提取模拟结果。 氨验证结果显示，模型中各项物质的浓度变化趋势与规律基本与实测结果一致， 除部分区域受支流排水的影响出现波动外，其他位置的物质浓度与实测结果匹配度较高，可认为模型能够较准确反映模拟时段内各类物质的浓度变化过程与规律。

4 模型计算结果分析

4.1 防咸效果分析

模型下边界采用2021年12月至2022年1月的潮边界过程， 上游博罗水文站采用2022年1月平均流量，即220m3/s，计算两个月的咸潮活动情况，并采用后一个月的咸潮情况进行分析， 水质咸度超标小时数如表1。 经分析可知，各方案均能起到一定的挡潮防咸效果，方案3最优，其次为方案1，最后为方案2。从结果来看，各方案对第三水厂、东城及新塘水厂是利好的，而对第二水厂则不利。 综合以上情况，从防咸效果方面推荐方案3作为防咸应急方案。

表1 不同方案下各水厂水质咸度超标小时数

4.2 水质影响分析

4.2.1 常规水质影响分析

计算模型初始条件及污染物以2020年东江干流实测水质资料为基础， 结合排污口分布及污染物浓度的沿程变化，设置水质初始值及排污情况。水动力方面，上游以2021年12月至2022年1月的流量平均值作为边界，下游为对应的潮位过程。 由于前述方案3是以方案2为基础， 故水质的影响计算仅考虑方案2及方案3。 各厂平均水质统计如表2。

表2 工程实施后各主要水厂平均水质统计

结果表明：①实施应急工程后，两方案下第二水厂、第三水厂、第六水厂取水口处水质均有好转，且全部堵住后水质更好，这主要是因为东江南支流水质沿程变差，越往下游污染物浓度越高，因此当堵住分汊后，下游污染物无法上溯到上游，因此水质总体好转。说明水质的变化主要是沿程污染物的输入，当堵住分汊后，可大大减小流域上游污染物下泄量。 ②新塘水厂取水口处水质较工程前稍变差，且全部堵住后水质最差，主要是因为东江南支流堵住后，东江北干流分流比将增加，相应的污染物浓度也会有所增加。

4.2.2 突发水污染影响分析

计算模型初始条件为水质浓度0mg/L。 水动力方面，上游以2021年12月—2022年1月的流量平均值作为边界，下游为对应的潮位过程。假设从上游博罗水文站有一突发污染源，从计算开始后开始排放，结合污染物的扩散规律研究应急工程在突发污染情况下的影响。实施应急工程后各主要水厂平均水质统计如表3。

表3 各主要水厂突发污染物平均浓度统计

4.3 防洪影响分析

防洪影响分析选取5年一遇洪水遭遇5年一遇外江设计潮位，并采用恒定流计算。工程实施后东江北干流、南支流水位变化统计如表4。

表4 工程实施后干、支流水位变化统计

结果表明，作为推荐工程的方案3对行洪具有较大不利影响。 因此，若为了防咸保供水，确需实施该方案时，则必须制定相应的应急预案，做好气象、水文预报，提前预测上游来水情况，并针对来水预判防洪形势，必要时须及时、迅速拆除工程围堰，恢复河道行洪过流能力。

5 结语

（1）建立了覆盖东江三角洲网河区及干流的大范围三维咸潮计算模型、一维水流水质数学模型，通过对模型进行率定及验证，其误差满足相关规范要求，可用于后续模拟计算。

（2）根据模拟计算结果，3种方案有一定的挡潮防咸效果，经综合分析，方案3最优，其次为方案1，最后为方案2。 水质影响计算结果表明，工程实施后对东江南支流沿线水厂水质不会产生负面影响， 而对于东江北干流的新塘水厂，水质会较现状稍差。在遭遇干流突发污染事件时，各厂水质均会较现状稍差。且实施应急工程后对河道行洪均有不利影响。

（3）根据三维咸潮模型的计算结果，方案3能够防止咸潮上溯，而其他方案仅能应对部分情况，因此从实施条件、经济性、有效性等方面考虑，方案3较优。 但方案3依然存在水污染、防洪、通航等风险。 实施该工程必须加强突发污染事件的监测， 同时做好防洪应急预案， 可为我国沿海区域枯水期抗旱防咸工作积累一定的现实经验。