潮汐河网水量改善效果模拟分析

潮汐河网水量改善效果模拟分析

1城市河道水环境综合治理珠江三角洲是由珠江水系的西江、北江和东江及其许多支流将沉积物积累在珠江河口湾的一个复合三角洲。它是世界上水系中最复杂的祖庙之一，也是典型的潮汐河网。该地区人口高度集中,经济发展迅速,1980—2004年期间国内生产总值年均递增20%,但经济的高速发展导致该地区的水文环境发生了显著变化。由于污水排放量大且集中珠江三角洲城市附近水体、尤其城市内河受到严重污染;同时,为保护主干河道水质,大规模地在城市内河筑闸,阻断了主干河道与城市内河间水体的自然交换,进一步加剧了水体的污染。严峻的水环境问题已成为珠江三角洲地区社会经济发展的主要限制性因素。城市河道水环境综合治理包括减污、增容和生态修复等几个方面,其中,治理污染源、减少污染物排放量是根本途径,而引调清水以提高水体的同化自净能力、增加水环境容量则是一项迅速改善水质的重要且可行的措施之一。有关这方面的研究成果已有很多,但这些成果主要侧重于引水方案及其水环境效果的研究,而较少探讨水闸泵站联合引水对水质的影响及其相应的水动力学问题。在感潮河网区,通过水闸控制,利用潮汐引水已是一种被广泛应用的方法。但是,在感潮河道,由于存在往复流,从而使通过引水改善水质的效果变得较为复杂,存在一些不确定性,同时,许多相关的水动力学问题尚未得到解决。鉴于此,本文通过建立西北江三角洲河网水量水质数学模型,重点模拟分析闸泵联合调度引水对西北江三角洲网河水系北江干流分支佛山水道的水质改善效果,探讨各种引水方案下佛山水道的水动力学特点及其对水质的影响。本文的研究可为佛山水道引水冲污方案的制定提供决策依据,也可为其它感潮河网地区引调清水工程的实施提供借鉴与理论支撑。2污染物输移扩散的测定潮汐河网受径潮动力交互影响,各河道间水流相互掺混,流态复杂多变,污染物的输移扩散并无定向。考虑河流纵横交错及潮汐的往返回荡作用,为简化计算,本文潮汐河网区的水量水质计算采用断面平均的一维动态模型。2.1流量模型2.1.1过水面积及长度连续方程:动量方程:式中:Q为流量,m3/s;z为水位,m;A为断面过水面积,m2;B为断面过水宽度,m;q为单位长度河道的旁侧入流量,m3/(m·s);R为水力半径,m;c为谢才系数,c=R1/6/n,n为糙率系数;g为重力加速度,m/s2;x、t分别为位置和时间的坐标。2.1.2节点差分方程本文采用四点加权Preissmann隐式差分格式离散圣维南方程组式(1)和式(2),利用消元法,经递推计算,忽略时间上标(n+1),得如下差分方程:式中:αj、βj、δj、θj+1、ηj+1、γj+1为追赶系数。对河网中的任一单独河道,其微段方程都是前后相连有序的,对其自相消元得到只含有河段首、末断面变量的河段方程组,即只含有节点变量:式中:z1为首节点水位;zm为末节点水位。具体的计算过程及边界处理方法见文献[10-11]。2.1.3计算不同安全边界关闸情况:Qi=Qi+1=Q=0,闸门前后河段作为两条单一河道处理,按流量已知边界单独求解。开闸情况:根据闸门过流方式,考虑流量连续性,可得求解闸门前后水流的差分方程:式中:e为闸门开度,m;b为闸孔宽度,m;μ为出流流量系数;zi、zi+1分别为闸门前后水位,m;σs为淹没系数,对自由出流,σs=1。对于有泵站抽/引水河段,其内边界类型为集中旁侧出/入流,以Qf表示,出流则Qf为负值,入流则Qf为正值。设一虚拟河段Dxj=0,其基本连接方程为:用上述内边界处理方法代替圣维南方程组,保持了水流计算的连续性,有闸控或泵站抽引水河段可同正常河段一样递推求解。2.2水质模型2.2.1污染物排放量sc河道方程:节点方程:若忽略节点的蓄水面积,即A′=0,则式(8)可写为:式中:C为水流输送的物质浓度,mg/L;SC为与输运物质浓度有关的衰减项,对非保守性污染物,可写成SC=KdAC,Kd为降解系数(s-1);S是河道外部的源或汇项,为单位河长单位时间污染源污染物的排放量,g/(s·m);Ex为纵向分散系数,m2/s,采用已被广泛应用的Fischer经验公式计算。2.2.2传统驳岸回代河道方程式中:ai、bi、ci为系数;Ci为i断面时段末的浓度;Gi为与Ci有关的系数;m为河道的断面数。根据潮汐河流流向顺逆不定的特点,将水流分顺流向流动、逆流向流动、河道两端向中间流动、河道中间任意河段向两端流动等4种情况递推出河道方程,然后利用河道方程、边界条件、节点连接条件形成节点方程,解得节点水质后,将其回代河道方程求得各断面的浓度值。限于篇幅,具体的求解方法见文献,这里不再赘述。3案例研究3.1西北江三角洲水系水质协同模拟将上述模型用于闸泵联合调度引水下佛山水道水质改善效果及其水动力学背景研究。佛山水道是佛山市一条重要的城市内河,与潭洲水道、平洲水道连在一起形成了环绕中心城区的水圈。由于潭洲水道和平洲水道均为饮用水源地,长期以来,通过水闸控制和截污工程,中心城区每天产生的70多万t的废污水就近排入河涌后均流入佛山水道,水质污染严重。由于佛山水道及其相关联河道是西北江三角洲网河区的主体部分,而网河受上游来水和河口潮流的共同作用,其水流及污染物在各汊河中贯流并交互影响。为此,需将整个西北江三角洲网河水系作为一个完整的系统进行模拟(下简称“大范围模拟”)。同时,为了更细致地分析引水方案实施前后的水动力学特征及水质改善效果,在“大范围模拟”的基础上对佛山水道进行水质模拟。水流水质模拟范围见图2。大范围水流计算的上游边界取为西江的马口、北江的三水、流溪河的老鸦岗和潭江的石咀,下游边界取为珠江广州河段的黄埔、沙湾水道的三沙口、蕉门水道的南沙、洪奇沥的万顷沙西、横门水道的横门站、磨刀门水道的灯笼山、鸡啼门水道的黄金、虎跳门水道的西炮台、崖门水道的黄冲。西北江三角洲河网区概化后有内河道141条、外河道13条;内节点94个,外节点13个;断面754个,断面间距为500~2500m不等。上游入口断面马口和三水采用实测流量过程作为边界条件,其它控制断面采用实测水位过程作为边界条件。水质模拟范围为与佛山水道引水相关的闭合水域,边界断面包括潭洲水道的紫洞、北滘,平洲水道的凤鸣、撬尾撸,吉利涌的贺丰,花地涌的鱼尾桥。同时,根据内河涌集水范围及现状污水处理厂布局,将佛山水道的入河排污口概化成11个。对水质模型,当边界断面为入流时,需要给定边界浓度值;当边界断面为出流时不必给定边界条件。在模拟计算中,通过判断含有外边界的流态将边界浓度值带入相应的河道浓度递推方程组中。由于佛山水道的污染为耗氧型有机污染,因此,选择COD作为模拟因子。3.2验证结果与实测结果比较采用1991年12月16日14∶00—24日16∶00的同步实测流量、水位资料对模型进行率定。通过计算调试率定出西北江三角洲网河区枯水期河道糙率在0.016~0.044之间,计算时间步长为10min。选取2001年2月7日14∶00—15日15∶00的实测流量和水位资料对模型进行验证,验证站为容奇、南华、大石和三善右,验证站的水位、流量计算结果与实测资料比较见图3。从图可见,容奇、南华、大石和三善右4个验证站的潮位、流量计算过程与实测过程的逐时变化趋势相同,4个验证站的潮位平均绝对误差分别为0.041m、0.051m、0.037m和0.092m,流量峰值平均相对误差分别为8.8%、16.1%、19.4%和17.1%,流量谷值平均相对误差分别为23.9%、20.7%、22.3%和28.3%。利用2008年10月25日21∶00—26日9∶00的实测水文、水质资料对水质模型进行率定,得到COD的降解系数为0.18d-1,计算时间步长为10min。采用2009年10月20日16∶00—23日13∶00的实测水文、水质资料进行验证,验证点为沙尾桥断面,验证结果见图4。从图可见,COD浓度值计算过程与实测过程的逐时变化趋势基本一致,相对误差为0.7%~28.4%,平均相对误差为13.2%。水量水质的验证结果表示,模型的模拟效果较好,本模型可用于枯水期不同水动力条件下西北江三角洲河网的水量水质模拟研究。3.3模拟的水量水质值3.3.1沙口、石啃水泵洪水调度计算方法为改善佛山水道及其内河涌的水质状况,目前在佛山水道流域内已建有7座水闸、6座泵站,分别从潭洲水道、平洲水道引水,其中莲塘、屈龙角、新市、明窦水闸泵站和海口水闸引水主要是为改善内河涌的水质,只有沙口、石啃水闸泵站是佛山水道引水的控制性工程。为分析评价沙口、石啃泵站引水对佛山水道水质改善的效果,制定科学合理的调度方案,以不影响周边河道上用水户的正常取水、基本不破坏水流平衡及生态环境为原则,设置各种引水方案。设沙口泵站引水流量为x1,石啃泵站引水流量为x2,形成引水方案集如下:从式(11)可知共有66种引水组合。从运行成本考虑,所有水闸泵站联合调度方式为当闸外水位高于闸内水位时开闸引水,当闸外水位低于闸内水位时泵站强迫引水。3.3.2cod浓度测定佛山水道水体黑臭主要出现在枯水期。从不利水文条件对水环境的影响考虑,在水流模拟计算时,上游马口、三水站采用90%保证率最枯月平均流量,老鸦岗、石咀站和下游边界采用2001年2月7日14:00—15日15:00的典型枯水潮位过程。对水质边界,采用水质模型验证的边界,当水流流入计算区域时,边界值采用实测浓度值,当水流流出计算区域时,边界上的浓度值用纯对流方程解出。初始时刻各断面COD浓度值,根据模拟区域实际水质,取为10mg/L,约经过40个时间步长计算后初始条件的影响可以消除,计算结果趋于稳定。选取街边、横滘两个市控常规水质监测断面作为控制断面。各种引水方案下,控制断面COD浓度模拟值见图5—6。从图5—6中可知,两个断面的水质变化与引水量之间的关系如下:(1)在石啃泵站引水量不变的情况下,随着沙口泵站引水量的增大,街边断面COD的浓度不断下降;当沙口泵站引水流量≤10m3/s时,随着石啃泵站引水量的增加,街边断面COD的浓度反而上升,水质变差,且沙口泵站引水量与石啃泵站引水量的比值越小,街边断面水质下降的速率越大;当沙口泵站引水流量≥15m3/s,随着石啃泵站引水量的增加,街边断面COD的浓度变化不大,其水质基本上不再受到石啃泵站引水量的影响;(2)无论是沙口泵站引水量的增加还是石啃泵站引水量的增加,横滘断面COD的浓度都会不断地下降,且下降速率快于街边断面;当沙口泵站引水流量≤30m3/s时,横滘断面水质随石啃泵站引水量增加而改善的效果较为明显;但当石啃泵站引水流量≥20m3/s时,继续增大石啃泵站的引水量对横滘断面水质无明显改善作用。由水量水质模拟结果可知,引水流量对佛山水道水环境改善有着重要的影响,不同位置的引水量之比则起着更为关键的作用。3.4沙口泵站引水量对净泄流量的影响在边界水质相同、污染源固定情况下,引水方案的水质改善效果主要受水动力学特性的影响。佛山水道属西北江三角洲感潮河网区,受南海非正规半日潮的影响,水流呈双向流动,但由于闸群的人为控制,佛山水道实质上变成一个半封闭的河道。沙口、石啃泵站的引水进一步人为改变了佛山水道的水动力条件,不同的引水量都将使流场表现不同的特点。如引水能提高河道水流的畅通程度,就可以加快污染物的输移扩散,从而也有利于河道水质的改善。图7为设计水文条件下街边、横滘断面净泄流量与引水量之间的关系,由图可以看出,街边断面的净泄流量与沙口泵站引水量正相关,而与石啃引水量负相关;横滘断面的净泄流量与沙口、石啃泵站引水量均为正相关关系,两个断面上水质随各泵站引水量变化的规律与街边、横滘断面的净泄流量随各泵站引水量变化的规律基本一致。引水量越大,水体的稀释自净能力就越强,河道水质整体改善效果就越好,但因潮流的顶托作用可能会造成污水回流,有时并不能有效改善局部河段的水质。限于篇幅,图8和表1仅给出几种引水方案下的流场情况。从模拟流场来看,两个泵站不引水时,涨潮流将影响到南北大涌附近;石啃泵站引水则对佛山涌涌口以上河段的水流造成明显的顶托作用,沙口泵站引水使涨潮流影响区推后,这是当沙口泵站引水流量≤10m3/s时,随着石啃泵站引水量的增加,街边断面水质反而变差的根本原因。对街边断面而言,随沙口泵站引水量的增加,涨潮流量减少,落潮流量增加;但随石啃泵站引水量的增加,涨潮流量增加,落潮流量减少。对横滘断面来说,随沙口泵站引水量的增加,涨潮流量略有减少,落潮流量增加;随石啃泵站引水量的增加,涨潮流量变化不大,但落潮流量明显增加,在这种情况下,无论是沙口泵站引水量增加还是石啃泵站引水量的增加,均会导致横滘断面COD的浓度下降。4按水泵引水方案确定建立了枯水期西北江三角洲感潮河网水量水质数学模型,模拟了不同引水情景下佛山水道的冲污效应,并从机理上分析了引水改善水质效果的水动力学背景。结果表明:上游沙口泵站引水对河道上下游水质均有一定改善作用,中游石啃泵站引水能较为明显地改善下游水质;引水量越大,河道水质整体改善效果就越好,但由