基于闸泵调控引水的感潮河网水质改善研究

黄春华，江星耀，王 斌，唐榆森

(1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510611；2.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100034)

随着城市化的快速发展，城市的水循环过程受到人类活动的影响愈发强烈，伴生的一系列城市水环境问题是我国城市水环境治理工作需面临的严峻挑战[1- 3]。水污染作为城市水环境问题的重要一类，以城市河涌的黑臭水体现象为典型，严重制约着城市水循环的健康发展[4]。城市河涌黑臭水体的产生，受多方因素的作用，其中城市河涌的水动力不足是重要的影响因素[5- 6]。在平原感潮河网地区，受外江潮汐的影响，感潮河网内的水体运动相对于单向流更为复杂，水流的循环往复导致河涌水体置换受阻，将进一步加剧河涌的水污染现象[7]。

感潮河网地区的水污染是水科学研究的一个热点问题，以往学者多从河网水系连通、水闸调度引水补水等工程措施方面改善河网的水质：杜建等[8]针对珠江三角洲中顺大围区域水环境问题，提出上、下游水闸分别引排水的联合调度方案，数值模拟结果表明该方案可取得良好的水体改善效果；高强等[9]研究认为改善平原感潮河网地区的水环境应优先考虑水系连通、河道流向和输水流量等治水工程的实施；许益新等[10]基于水动力水质模型评估了张家港市内感潮河网不同引水流量与水质改善、引水服务面积之间的相关关系，结果显示通过增加河网的引水量可有效削减网河水体的氨氮浓度。马克等[11]研究揭示了佛山水道在运用不同闸门开度和引水量的组合情景下，河道内的水动力条件和水质改善效果；王菲等[12]采用水动力水质耦合模型研究分析了东莞市河口型城市水系利用潮汐水源对水系进行生态补水的水质改善效果，研究认为仅扩大引潮河涌的宽度对提升河涌的水动力水质现状条件是有限的，需进一步配置合理的水闸调度规则。

目前，对于通过闸泵联合调控引水改善平原感潮河网水质的研究仍有待深入，特别是综合考虑外江潮汐往复运动的时间特征，建立具有针对性的不同外江潮位情景下的闸泵调控引水规则。因此，本文以中山市小隐涌流域感潮河网为例，结合流域外江横门水道的潮位变化特征，开展基于闸泵调控引水的感潮河网水质污染改善方案研究，以期为平原感潮河网地区的水污染治理提供科学参考。

1 研究区域概况

研究区域小隐涌流域位于粤港澳大湾区中山市的火炬区，北接珠江口门的横门水道，火炬区内的流域面积为80.96km2。小隐涌流域内的河道纵横交错，河网复杂，呈现南方典型感潮河网的特点。按照子流域划分，可将小隐涌流域划分为5个片区，即小隐涌片区、八公里河片区、张家边涌片区、濠头涌片区和独流入海片区，共有河涌30条。小隐涌流域整体表现为南高北低态势，南侧属丘陵地区、北侧为平原，除八公里河和独流入海片区内的部分河涌流向为自西向东外，其余河涌均为自南向北流动，最终汇入岐江河和横门水道。

近些年来，中山市火炬区针对流域内水环境问题的治理力度逐步加大，河涌水质得到了明显改善，但是小隐涌流域河网水环境目前仍旧存在着一些顽疾：①独流入海片区的河涌常年水位偏低、水体流速缓慢、生态流量较小，河涌生态环境容量较低；②流域内城镇化程度较高，污水的排放量较大，大部分河涌受潮汐影响使得水流循环往复，废水累积不能外排；③部分内河涌为断头涌，水体复氧功能丧失，处于黑臭状态。根据中山市当地的河涌水环境治理规划，未来小隐涌流域内的河涌将全面消除黑臭水体。

2 感潮河网闸泵调控引水方案

2.1 引水水源分析

小隐涌流域的西南部为中山市长江水库，水质优良，但是根据当地水库运行规划，长江水库只在雨季进行排洪泄水，平时无法进行生态补水，所以长江水库不能直接作为引水水源。小隐涌流域内的感潮河网主要与横门水道进行水体交换，横门水道作为珠江水系一个重要出海口，水量大且水质良好，因此横门水道可作为通过闸泵调控进行生态补水，提升小隐涌流域内河网水质的优选水源地。

横门水道和岐江河在自然水动力条件下的潮位过程如图1所示。当所有外江闸及内河节制闸全部开启时，小隐涌流域内的各河涌水流流向基本随涨落潮而变化，因此可根据外江潮位过程进一步建立不同外江潮位情景下的闸泵调控引水规则。

图1 小隐涌流域外江潮位过程(单位：m)

2.2 高潮位闸控引水方案

当横门水道潮位为高潮位(旱季高于1m，雨季高于1.4m，珠江基面)时，在涨潮时段，调度洋关水闸开闸引潮水至小隐涌，孖涌水闸、私盐涌水闸开闸引潮水至小隐片区内河涌，当小隐涌水位达到最高控制水位(旱季1.6m，雨季1.7m)后关闸。落潮时段，当洋关水闸的闸内外水位形成设计水头差0.3m后，洋关水闸开闸将小隐涌内水排出，小隐片区内河涌水通过八公里河流向小隐涌、张家边涌将水排至横门水道和岐江河。对于部分位于独流入海片区以及河道里程较短的河涌，采用局部提升泵站的方案将闸引潮水和污水厂尾水输送至该河涌内。

2.3 低潮位泵站引水方案

当横门水道潮位为低潮位(旱季低于1m，雨季低于1.4m)时，在涨潮时段通过孖涌泵站提升引潮水至孖涌，旱季引水流量为6.67m3/s，雨季引水流量为20m3/s。孖涌水流至八公里河交汇处时向东西二方向配水，沿交汇处向东通过钢坝流入小隐涌下游，向西流至八公里河上游暗涵处，通过此处泵站提升后的水流向岐江河方向流出。对于部分位于独流入海片区以及河道里程较短的河涌，采用与高潮位相同的局部泵站提升补水。

3 小隐涌流域河网水质模型构建

为量化闸泵调控引水方案对小隐涌流域感潮河网水质的改善效果，本文基于MIKE 11软件建立流域内河网的一维水动力水质数学模型。水动力模型的控制方程遵循一维圣维南方程组，方程离散求解采用Preissmann四点隐式差分格式。水质模型的控制方程为一维对流扩散方程，方程离散求解采用中心和空间的隐式差分格式。小隐涌流域河网水动力水质模型以小隐涌和八公里河主干河涌为基础，河道概化共30条。模型的潮位开边界处条件采用入海河涌水闸的实测潮位过程控制，流量开边界按照小隐涌流域排入河涌的设计洪水流量过程控制。依据中山市环境质量报告书的主要水环境污染物分类，水质模型选取COD、NH3-N和TP作为水质污染模拟因子，污染源考虑小隐涌流域内源污染的输入，包括工业污水、生活污水和农业面源污染等。水动力水质模型通过率定验证后，模型的模拟工况设置见表1，考虑了不同季节情景以及基础工程措施实施中是否配置闸泵引水方案对河网水质的影响。

4 结果与讨论

4.1 闸泵引水前河网水质分析

图2为小隐涌流域内各条河涌实施了清淤工程和控源截污工程后，河涌水质污染因子COD、NH3-N和TP在大潮涨落急特征时刻的浓度空间分布。该工况下，小隐涌流域并无实施闸泵引水方案，各水质污染因子的浓度分布在总体上与外江距离呈现负相关关系，即距离外江较远的流域内部河涌污染浓度相对较高，这是因为河涌距离的增加将导致河涌水体与外江的置换受到制约。不同潮汐特征时刻下，落急时刻的COD浓度分布较涨急时刻有所改善，而NH3-N和TP的浓度相对变化则不明显。

表1 小隐涌流域模拟工况

图2 引水前大潮特征时刻的COD、NH3-N和TP浓度分布

闸泵引水前小隐涌流域内各河涌的水质分类结果见表2，实施清淤工程和控源截污后，小隐涌流域内各河涌水质情况均有所提高，除私盐涌、孖涌、小隐涌、八公里河下游和小隐涌中下游部分河段可达到Ⅴ类水标准外，剩余河涌基本为劣Ⅴ类。该工况下，由于控源截污减少了流域内生活污水、工业污水和农业面源的入河污染量，加之流域下游受外江横门水道潮汐涨落潮的影响，水动力效果稍强，因此小隐涌流域下游部分河段的水质污染因子浓度值可满足Ⅴ类水标准。

表2 闸泵引水前河涌水质类别

4.2 旱季闸泵引水后河网水质分析

图3为旱季小隐涌流域内各条河涌实施了清淤工程、控源截污工程和闸泵调控引水后，河涌水质污染因子COD、NH3-N和TP在大潮涨落急特征时刻的浓度空间分布，各河涌的水质分类结果见表3。

实施闸泵调控引水的方案后，该工况条件下的小隐涌流域内各河涌水质情况均有质的提升，除关帝涌、上倾九涌和水洲涌3条未闸泵引水循环的河涌外，其余河涌均可达到Ⅳ类或Ⅴ类水体标准。实施闸泵引水前，小隐涌流域的下游河涌受横门水道潮汐往复循环流的影响，河涌的废水累积且不能有效地外排，尤其是在流域上游，例如八公里河、濠头涌、小隐涌上游，由于地势较高潮汐水流无法抵达该位置，使得污染物不断蓄积在河道内。而在实施闸泵引水循环后，使整个流域河涌的水体明显流动起来，增强了小隐涌流域的水动力条件并提高了水体环境容量，使得补水循环的水体均达到除黑臭的要求。

图3 旱季引水后大潮特征时刻的COD、NH3-N和TP浓度分布

表3 旱季闸泵引水后河涌水质类别

4.3 雨季闸泵引水后河网水质分析

图4为雨季小隐涌流域内各河涌在小雨结束后0h和36h时刻的水质污染因子COD、NH3-N和TP浓度空间分布。由图4可见，水质污染因子TP的浓度变化趋势与COD变化趋势基本相似。通过分析NH3-N发现，小雨降雨结束时刻水洲涌和上倾九涌上游NH3-N浓度较高，在经过闸泵补水循环36h后，水洲涌和上倾九涌虽然仍旧为劣Ⅴ类水体，但是并未达到黑臭水体标准。

图4 雨季小雨结束特征时段后的COD、NH3-N和TP浓度分布

工况3条件下，通过闸泵引水36h后的河涌水质分类结果见表4。小隐涌流域内的各条河涌在雨季小雨条件下，经过36h的闸泵调控补水循环后，除关帝涌、上倾九涌和水洲涌3条未实施闸泵补水循环的河涌仍为劣Ⅴ类水体外，其余河涌均可达到Ⅳ类或Ⅴ类水体标准，整个流域可消除黑臭水体现象。

表4 雨季闸泵引水36h后的河涌水质类别

5 结论

(1)小隐涌流域感潮河网在实施高、低潮位情况下的闸泵调控引水方案后，河涌的排水流速提高，水体置换加速，有效改善了河涌的水质状况。

(2)在采取控源截污、内源治理工程措施后，可有效地控制流域内源污染，但因感潮河网的往复流作用，污染物易累积使河涌水质变差。在基础治理工程上实施闸泵引水循环方案后，旱季小隐涌流域的大部分河涌可达到Ⅳ类或Ⅴ类标准，且不会造成外江横门水道水质变差。

(3)在雨季小雨的降雨条件下，采用闸泵调控引水循环方案并合理运行约36h后，小隐涌流域可基本实现河涌水质的恢复。