珠海横琴新区水系引水调控效果模拟研究

龙晓飞,武亚菊,范群芳,朱 嵩,王 华,朱金和

(珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东 广州 510611)

珠江三角洲感潮河网区,受潮流和径流的共同作用,污染物在河网区往复震荡、滞留时间延长,易造成污染物的积累,水环境恶化。同时由于防洪防潮安全的需要,河网区大规模的闸泵体系建设,人为改变了内河与外江的天然联系,阻断了水体的自然交换,区域内水体形成相对封闭空间,水系连通性减弱,导致水环境进一步恶化。利用外江潮汐动力并通过水闸调度冲淤排污,可以明显改善区域水环境,是珠江三角洲网河区水污染防治及生态修复的重要途径,而不合理的调度方式易形成严重的污染事件。如何合理调整工程措施调度换水,提高换水效率,是改善感潮河网区水环境的关键[1-8]。

国内多采用数值模拟的方法对感潮河网的水文水质进行研究。武亚菊等[9]利用MIKE11 AD模型,模拟论证综合调水、整治河道和截断污染源对中顺大围骨干河涌的水质影响,在多渠道的工程措施下,中顺大围骨干河涌水质能达到与西江水同质的目标。杜鹃[10]利用MIKE11作为计算平台,构建了颍上县河网水动力水质模型,引清调度方案在一定程度上可以改善河网水质。高学珑[11]针对福州市江北城区感潮河网的水动力和水质特点,构建河网一维水动力水质耦合模型,并进行模型验证,实现江北城区河网水系景观生态补水的合理配置。董志等[12]建立了广州市芳村片感潮河网一维水流水质数值模型,并对模型进行了率定,计算分析了河涌连通、水闸调度、水闸建设等措施对河网水体交换的影响,提出了芳村片引清调水的优化方案。张现国等[13]基于EFDC构建福州复杂河网水系水动力水质模型,模拟研究区内不同水质目标及引水条件下的闸泵调度对河道水质变化影响,模拟结果表明:采用泵站补水可以快速改善河道内水质,相比于潮差引水,非汛期不溢流工况下,水质从合格到良好恢复时间可以缩短18.3%～29.6%。蒋雪莲[14]针对感潮河网,采用MIKE11水动力模块(HD)、对流扩散模块(AD)对河涌水系进行水动力和水质模拟计算,分析评价利用潮汐动力及闸泵调度的补水量及补水活水后水环境质量的改善效果,分析表明:利用MIKE11模型研究改善感潮河网水量水质的方案计算简单、可靠、效率高,可直接确定水闸和泵站的规划流量,是较为有效的分析途径。

本文以珠海横琴中心沟水系为例,构建了河网区一维水动力精细化数学模型,开展改善区域水动力水环境的调控方案研究,综合运用数学模型和优化调度等技术手段,计算分析原调控方案换水效果,并根据外江潮汐特征及区域水景观建设目标,对原调控方案进行优化,对比分析其水质改善效果,为中心沟水系合理引水调控提供技术支撑。

1 区域概况及调控方案分析

1.1 区域概况

珠海市横琴岛位于珠海市陆域东南部,毗邻港澳,横琴岛南北长8.6 km,东西宽约7 km,包括部分海域总面积106.46 km2。横琴岛四面环水,北部为马骝洲水道(又称洪湾水道),东部为十字门水道,西部为磨刀门水道,南部为南中国海,周边水系见图1。

图1 横琴岛周边水系

中心沟水系由横贯横琴新区东西的天沐河、北区排洪渠、南区排洪渠及相互连通的排洪渠构成(图2)。中心沟北区设置20条排洪渠,中心沟南区设置25条排洪渠。天沐河河道从中心向东西两端逐步拓宽,从最窄处的70 m到最宽处的400 m。天沐河属一级河道,正常运行水位为1.5 m,渠底设计高程为-2.5 m。环岛西路水闸净宽60 m,4孔,闸底高程-2.5 m;滨海东路水闸净宽40 m,4孔,闸底高程-1.5 m,防洪标准均为50年一遇。天沐河内接南北区二十余条排洪渠,外接磨刀门水道和十字门水道。

图2 中心沟水系

天沐河为一级可通航河道,最高通航水位为2.2 m,最低通航水位为1.0 m,渠底高程-2.5 m,渠道顶高程定为3.70 m。

1.2 引水调控方案优化

1.2.1原调控方案

中心沟两侧仅有东西两侧水闸与外海联通,受特殊地形影响,中心沟水系区域内水体相对封闭,缺乏流动性,容易引起污染物的蓄积,导致水质恶化。为解决水质恶化问题,《横琴新区天沐河防洪及景观工程可行性研究报告》(广东省水利电力勘测设计研究院,2013年)中提出了中心沟规划水系的控导方案:当天沐河水质恶化时,须进行水体更换。水体更换以天沐河东、西两闸为主。环岛西堤水闸与滨海东路水闸联合调度,调度运行原则如下:①水体交换前,先利用外海落潮时刻开启滨海东路水闸使得天沐河水位降至1.0 m;②外海涨潮时开启环岛西堤水闸、关闭滨海东路水闸,通过环岛西堤水闸为天沐河蓄水,蓄水至1.5 m时关闭环岛西堤水闸,停止蓄水,外海落潮时关闭环岛西堤水闸、开启滨海东路水闸,通过滨海东路水闸进行排水,排水至1.0 m时关闭滨海东路水闸,停止排水;③水体交换结束后,利用外海涨潮的时刻开启环岛西堤水闸使得天沐河水位升至1.5 m。

结合磨刀门水道潮汐特性规律,不同季节不同时段潮位特征相差较大,原调控方案采用1.0～1.5 m控制水位不能满足不同时段中心沟水体与外海有效交换,特别是夏季气温高,区域封闭水体易变黑变臭,区域水环境问题更为突出。

1.2.2优化调控方案

综合考虑夏季气温高、封闭水体含氧量相对较低、容易发黑发臭等水环境问题,利用珠江三角洲每月2次半月潮大潮过程,采用大流量、短周期引换水,适当扩大调控水位变幅,适时实施大换水,优化调控方案:①落潮时刻开启滨海东路水闸使得天沐河水位降至0 m;②涨潮时开启环岛西堤水闸引水、关闭滨海东路水闸,蓄水至高潮位时关闭水闸。相比较原调控方案,优化调控方案一个完整潮周期可以实现2次开闸引水,增加了引水量、增强了区域水动力。

2 数学模型

2.1 一维水流基本方程组

一维水流是基于垂向积分的物质和动量守恒方程,即圣维南方程组:

连续性方程:

(1)

(2)

式中H——断面水位;Q——流量;S——河道过水面积;u——平均流速,u=QS;g——重力加速度;B——不同高程下的过水宽度;ql——旁侧入流流量或取水流量;R——水力半径;C——谢才系数;x、t——位置、时间的坐标;ul——单位流程上的侧向出流流速在主流方向的分量。

2.2 一维水质模型控制方程

河网水质模型的控制方程为一维对流扩散方程,其基本假定是:物质在断面上完全混合;物质守恒或符合一级反应动力学(即线性衰减);符合Fick扩散定律,即扩散与浓度梯度成正比。一维对流扩散方程见式(3):

(3)

式中A——横断面面积,m2;C——物质浓度,mg/L;x——空间坐标,m;t——时间坐标,s;D——纵向扩散系数,m2/s;K——线性衰减系数,1/d;C2——源/汇浓度,mg/L;q——旁侧入流流量,m3/s。

2.3 方程离散和求解

方程离散利用Abbott六点隐式格式,该离散格式在每一个网格点不是同时计算水位和流量,而是按顺序交替计算水位或流量,分别称为h点和Q点计算网格,布置为交叉网格方式。对流扩散方程采用中心和空间的隐式差分格式。

2.4 河网概化及参数取值

采用GIS软件对中心沟水系进行概化,概化河网见图3,包括中心沟、截洪渠、防洪沟以及环岛西堤水闸和滨海东路水闸。参考《水力学》(李家星、赵振兴主编/河海大学出版社),结合河道堤岸设计结构型式,模型糙率按0.020～0.024取值。本研究中污染物为保守物质,不发生降解,即衰减系数K=0。

图3 河网概化

2.5 模型边界条件

结合磨刀门潮汐特性分析成果,选取2008年11月9—21日实测潮位过程作为模型计算边界,其高高潮位为1.97 m接近逐日高高潮位累积频率1%,潮位边界见图4。为了便于半交换周期及换水率的统计分析,选用溶解态的保守性物质作为示踪剂,区域内初始水位1.5 m,初始浓度为10 mg/L,外海污染物浓度取为0。

图4 典型潮位过程

3 引水换水效果分析

3.1 评价指标选择

广泛收集并参考了国内外相关研究文献成果,同时结合项目特征,提出主要评价的指标:流速、半交换周期和换水率。其中半交换周期和换水率[15]的定义如下:①半交换周期,利用保守物质作为示踪物,通过分析各河段保守物质浓度变化,计算河网某断面保守物质浓度减少一半需要的时间,反映河涌各段的水体交换能力;②换水率,可以反映河网水体被置换的程度,物理含义为河涌水体与外江水体在涨潮、落潮过程中,河涌水体与外江水体不断混合,混合后的水体在潮流的作用下向外江输运。其定义见式(4):

(4)

式中R(r,l,t)——河涌某位置瞬时换水率;r——某条河涌;l——里程;t——时间;C(r,l,t0)——河涌某位置初始浓度场;C(r,l,t)——河涌某位置瞬时浓度场。

为了便于统计分析,在中心沟水系布设了观测断面(图5)。统计各断面的流速、半交换周期及整个水体换水率,对比分析调控方案优化前后水质改善效果。限于篇幅,仅对主干河涌天沐河进行流速、半交换周期对比分析。

图5 观测断面位置示意

3.2 流速分析

流速变化统计见表1。对于原调控方案,各断面最大流速为0.36～0.52 m/s,自西至东流速逐渐减小、水动力逐渐减弱;对于优化调控方案,各断面最大流速为0.31～0.72 m/s。相比较原方案,各断面流速均增加,增幅为0.09～0.20 m/s,其中1号断面距离引水断面最近,流速增加幅度亦最大为0.2 m/s。

表1 流速统计 单位:m/s

3.3 半交换周期分析

水体半交换周期见图6。原调控方案各断面半交换周期为21.3～132.0 h,靠近西闸河段,由于外江净水的汇入稀释,水体半交换周期较短,而靠近东闸水体,受到水流不断向东输移的影响,保守物质总体呈现向东闸方向富集的趋势,水体半交换周期较长。优化调控方案各断面半交换周期为11.3～30.5 h,相比较原方案,各断面半交换周期大幅减小,其中东闸河段水体半交换周期缩短了101.5 h。

图6 水体半交换周期统计

3.4 换水率分析

水体换水率统计见图7、表2。原调控方案中,调控水位变幅为0.5 m,一次引调水至1.5 m换水率为14.55%,排水至1.0 m换水率为15.24%;二次引调水至1.5 m换水率为28.90%,排水至1.0 m换水率为30.69%;三次引调水至1.5 m换水率为43.41%,排水至1.0 m换水率为45.88%。优化调控方案中,调控水位变幅为1.97 m,一次引调水至1.97 m换水率为48.55%,排水至0 m换水率为65.71%;二次引调水换水率为88.19%;三次引调水换水率为94.19%。相比较原方案,优化方案一次引调水换水率提高了3.3倍,三次引调水换水率提高了1.1倍。

a)原方案

b)优化方案图7 换水率变化

表2 换水率统计 %

4 结语

a)建立了珠海横琴中心沟水系一维水动力水质数学模型,计算分析了典型潮位过程中心沟的水动力特性及水体交换规律,结合流速、换水率等指标,对比分析了原调控方案及优化调控方案换水效果。研究表明:结合内河水质状况,优化调控方案,利用每月2次半月潮大潮期,适当扩大调控水位变幅,适时实施大流量、短周期引换水,区域流速增加了0.20 m/s、半交换周期减少了101.5 h、换水率提高了1.1倍,可以明显改善区域水环境,对于珠江三角洲感潮河网区引水调控方案的实施有一定的借鉴价值。

b)充分利用潮汐动力和原有水闸调度进行优化调控引水,有利于实施,但优化调控方案增大了中心沟水系控制水位变幅、增加了河道水流流速,实施引调过程中应注意天沐河通航安全。