江 濤,鐘 鳴,鄒隆建,黎 坤,林 波,朱愛(ài)萍,劉祖發(fā)
(1.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 廣東 廣州510275;2.清遠(yuǎn)市水利樞紐建設(shè)管理處,廣東 清遠(yuǎn)511518)
石馬河泄洪與東江水利樞紐調(diào)節(jié)不同情景下東江水質(zhì)的模擬與分析*
江 濤1,鐘 鳴1,鄒隆建2,黎 坤1,林 波1,朱愛(ài)萍1,劉祖發(fā)1
(1.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 廣東 廣州510275;2.清遠(yuǎn)市水利樞紐建設(shè)管理處,廣東 清遠(yuǎn)511518)
以東江干流下游東江水利樞紐~石龍河段為研究范圍,構(gòu)建基于MIKE21的二維感潮河段水動(dòng)力、水質(zhì)模型,以氨氮為水質(zhì)控制因子,模擬分析汛期石馬河泄洪排污及東江水利樞紐不同水量調(diào)節(jié)情景下,東深供水工程?hào)|江取水口水質(zhì)變化規(guī)律,結(jié)果表明:① 受潮流影響,石馬河各種泄洪流量情景下取水口氨氮濃度變化與潮位變化關(guān)系密切,顯示出較為明顯的大小潮變化的周期性;② 漲潮過(guò)程是影響取水口水質(zhì)的主要控制因素,氨氮濃度超標(biāo)均發(fā)生在高高潮時(shí);③ 石馬河泄洪量愈大對(duì)東江水質(zhì)影響愈大,東江水利樞紐水量調(diào)節(jié)對(duì)下游水質(zhì)有明顯的改善作用。結(jié)果可為汛期石馬河橡膠壩與東深供水工程取水口聯(lián)合調(diào)度及東江水利樞紐應(yīng)急水量調(diào)度提供決策依據(jù)。
水庫(kù)調(diào)度;泄洪;MIKE21模型;石馬河;東江
東江為珠江流域三大水系之一,干流全長(zhǎng)562 km,廣東省境內(nèi)長(zhǎng)370 km。東江是華南地區(qū)最重要的飲用水源,肩負(fù)著香港及河源、惠州、東莞、深圳和廣州等地4 000多萬(wàn)人口的生產(chǎn)、生活用水[1],其中承擔(dān)香港、深圳供水的東深供水工程從東江下游東莞河段取水。東江干流水質(zhì)總體良好,但隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)迅速發(fā)展,近年來(lái)東江干流下游水質(zhì)下降趨勢(shì)較明顯,且豐水期比枯水期污染嚴(yán)重,面源污染影響突出[2-3]。下游東莞市部分納污支流尤其是石馬河每逢汛期塌壩泄洪排污即造成東江干流局部水域水質(zhì)急劇惡化,嚴(yán)重威脅東深供水工程取水水源水質(zhì)安全。
為防止或減輕突發(fā)河流污染事故為主要內(nèi)容的水質(zhì)調(diào)度,是水庫(kù)生態(tài)調(diào)度的重要內(nèi)容之一[4-5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在水庫(kù)水質(zhì)調(diào)度方面已做了很多研究,早期的研究多通過(guò)系統(tǒng)分析技術(shù)[6-7],或非線性優(yōu)化模型[8-10],將水質(zhì)目標(biāo)作為水庫(kù)調(diào)度的約束條件之一。20世紀(jì)90年代,漸趨成熟的水質(zhì)數(shù)學(xué)模型廣泛應(yīng)用于水環(huán)境污染模擬、預(yù)測(cè)與管理,為水庫(kù)調(diào)度的水質(zhì)研究提供了技術(shù)工具。Willey等[11]利用HEC-5Q水質(zhì)模型,模擬分析了水庫(kù)下泄水對(duì)河道內(nèi)下游水質(zhì)的影響;Hayes等[12]根據(jù)水質(zhì)模型對(duì)水庫(kù)調(diào)度模型進(jìn)行優(yōu)化,探討了考慮下游Cumberland流域溶解氧的水庫(kù)日調(diào)度規(guī)則;華祖林等[13]用二維水質(zhì)水量模型模擬分析了調(diào)水對(duì)玄武湖水質(zhì)的影響;董增川等[14]針對(duì)引江濟(jì)太原型試驗(yàn)中引水分配不合理的問(wèn)題,分析了基于一維水質(zhì)模擬模型的區(qū)域水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度方法;于磊等[15]利用MIKE21FM對(duì)大寧水庫(kù)突發(fā)性水污染事故進(jìn)行了模擬研究;辛小康等[16]借助MIKE21水質(zhì)模型,計(jì)算了不同調(diào)度方式下三峽水庫(kù)對(duì)宜昌江段污染物的稀釋作用,并探討了水庫(kù)應(yīng)急調(diào)度的可行性與有效性。
已有的研究多側(cè)重于單向河流的水庫(kù)水質(zhì)調(diào)度方案研究,由于感潮河道受到往復(fù)流的作用,使得“引清濟(jì)污”的調(diào)水更具有復(fù)雜性[17]。鑒于此,本文以東江干流下游東江水利樞紐-石龍河段為研究區(qū)域,利用MIKE21建立二維感潮河段水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,通過(guò)情景模擬,探討石馬河泄洪排放污水時(shí)東深供水工程取水口水質(zhì)變化規(guī)律,以及上游東江水利樞紐水量調(diào)節(jié)對(duì)取水口的水質(zhì)影響,以期為汛期石馬河橡膠壩與東深供水工程取水口聯(lián)合調(diào)度及東江水利樞紐應(yīng)急水量調(diào)度提供理論基礎(chǔ)與決策依據(jù)。
1.1 控制方程
受徑流和潮流的雙重影響,東江干流下游河段水流情況復(fù)雜,且河道水面寬廣,因此采用水深平均二維MIKE水動(dòng)力模塊(簡(jiǎn)稱HD)耦合對(duì)流擴(kuò)散模塊(簡(jiǎn)稱TR)進(jìn)行水量水質(zhì)模擬。
1.1.1 水流運(yùn)動(dòng)方程 水深平均二維非恒定水流運(yùn)動(dòng)方程組包括水流連續(xù)方程及沿x、y方向的動(dòng)量方程,方程形式如下:
(1)
(2)
(3)
式中,x、y分別為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo);t為時(shí)間;h為總水深;η為水位;u、v分別為x、y方向上的流速分量;f為科氏力參數(shù);g為重力加速度;ρ為水的密度;τbx、τby為河床床面應(yīng)力分量;Pa為大氣壓強(qiáng);ρ0為水的相對(duì)密度;S為點(diǎn)源流量大??;us、vs為源項(xiàng)在x、y方向上的水流流速;Txx、Txy、Tyx、Tyy為側(cè)向應(yīng)力分量,包括粘滯摩擦、湍流摩擦和差異平流。
1.1.2 水質(zhì)控制方程 考慮污染物降解,水深平均二維對(duì)流擴(kuò)散方程為:
(4)
式中,C為污染物質(zhì)量濃度;K為降解系數(shù);Cs為源(匯)污染物質(zhì)量濃度;Dh為擴(kuò)散系數(shù);其他符號(hào)意義同前。
1.2 求解方法
水流連續(xù)方程及動(dòng)量方程采用有限體積法進(jìn)行空間離散,并使用Roe[18]提出的近似黎曼解法進(jìn)行求解,對(duì)流擴(kuò)散方程采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行差分;對(duì)于時(shí)間積分,均采用一階顯式的Euler法。限于篇幅,水流、水質(zhì)方程的具體求解及擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。
2.1 研究水域概化
東江流域有3宗大型水庫(kù)和11座梯級(jí)徑流式水電站。對(duì)東江干流徑流起調(diào)節(jié)作用的主要是新豐江、楓樹壩和白盆珠三大水庫(kù),但上游水庫(kù)來(lái)水到達(dá)博羅站后,日流量變化已基本上不受上游來(lái)水變動(dòng)的影響[20],下游污染物的擴(kuò)散遷移主要受最下游一個(gè)梯級(jí)東江水利樞紐下泄流量的影響,為此,選取東江干流下游東江水利樞紐-石龍河段為研究范圍(圖1)。博羅水文站位于東江水利樞紐下游約2 km處,由于東江水利樞紐至博羅水文站之間無(wú)區(qū)間入流,可采用博羅站的流量作為東江水利樞紐下泄流量;石龍站位于東莞市石龍鎮(zhèn),東江干流過(guò)石龍后分為北干流和南支流進(jìn)入東江三角洲網(wǎng)河區(qū)。
圖1 研究區(qū)域位置示意圖Fig.1 Location of study area
研究河段全長(zhǎng)55 km,由MIKE21自帶程序生成15 074個(gè)網(wǎng)格,網(wǎng)格分辨率為40~150 m,各網(wǎng)格水深根據(jù)水下地形插值計(jì)算而得,水下地形資料采用2010年實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)。河段兩岸共有15個(gè)入河排污口,排污口的污水排放概化成點(diǎn)源直接排入東江干流。由于豐水期研究河段和石馬河水質(zhì)主要受面源污染影響,主要污染因子為氨氮,因此選氨氮作為水質(zhì)控制因子。水質(zhì)控制點(diǎn)為東深供水工程?hào)|江取水口,其位于石馬河入東江河口的上游300 m處。
根據(jù)河道水陸邊界條件,上邊界采用流量控制、下邊界采用實(shí)測(cè)潮位過(guò)程。對(duì)于岸邊界,則采用水流無(wú)滑移條件,即岸邊水流取法向流速為零。初始水位設(shè)為模擬時(shí)間內(nèi)下邊界的平均水位,水流初始速度分量均設(shè)為零;氨氮濃度初始值設(shè)為實(shí)測(cè)值。
2.2 參數(shù)率定與驗(yàn)證
采用2010年5月21日10:00-22日13:00實(shí)測(cè)水文資料進(jìn)行水動(dòng)力模型參數(shù)率定(圖2),通過(guò)調(diào)試率定出河道糙率在0.013~0.040之間。選用2010年5月15日8:00-16日10:00實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,從圖3可以看出潮位、流量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的逐時(shí)變化趨勢(shì)相同,潮位相對(duì)誤差均小于6.4%,峰值流量相對(duì)誤差均小于17.4%,但谷值流量相對(duì)誤差略大,相對(duì)誤差在30%以內(nèi)。
圖2 參數(shù)率定的水位、流量實(shí)測(cè)值與模擬值Fig.2 Observed and simulated water level and discharge for calibration period
圖3 模型驗(yàn)證的水位、流量實(shí)測(cè)值與模擬值Fig.3 Observed and simulated water level and discharge for validation period
利用2010年5月21日11:00-23:00實(shí)測(cè)同步水質(zhì)資料對(duì)水質(zhì)模型進(jìn)行率定(圖4),得到氨氮降解系數(shù)為0.13 /d。采用2010年5月15日8:00-20:00實(shí)測(cè)水質(zhì)資料進(jìn)行驗(yàn)證,從圖5可以看出氨氮濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的逐時(shí)變化趨勢(shì)基本一致,相對(duì)誤差均小于15%,平均相對(duì)誤差為5.8%。
水量水質(zhì)驗(yàn)證結(jié)果表明,模型具較好的模擬效果,可用于汛期研究河段的水量水質(zhì)模擬研究。
圖4 參數(shù)率定的2010年5月21日氨氮濃度實(shí)測(cè)值與模擬值Fig.4 Observed and simulated NH3-N concentration for calibration period (May 21, 2010)
圖5 參數(shù)驗(yàn)證的2010年5月21日氨氮濃度實(shí)測(cè)值與模擬值Fig.5 Observed and simulated NH3-N concentration for validation period (May 15, 2010)
3.1 石馬河泄洪情景設(shè)置
石馬河發(fā)源于深圳寶安豐臺(tái)山大腦殼,于東莞橋頭鎮(zhèn)注入東江,主河長(zhǎng)88 km,流域面積1 249 km2。石馬河曾經(jīng)是東深供水工程的輸水河道,2003年?yáng)|深供水工程改造后,石馬河恢復(fù)了天然河道狀態(tài),沿河各鎮(zhèn)廢污水直接或間接排入石馬河,水質(zhì)污染嚴(yán)重。由于東深供水工程取水口緊鄰石馬河入東江河口上游,為保障東深供水工程水源水質(zhì),在石馬河?xùn)|江河口處建有橡膠壩,污水被橡膠壩截流并通過(guò)方涵調(diào)入東引運(yùn)河。但為防洪安全,當(dāng)流域內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)暴雨、石馬河水位達(dá)到防洪警戒水位時(shí)則塌壩泄洪,受納的污水及暴雨徑流攜帶的污染物隨泄洪排入東江干流,對(duì)東江干流水質(zhì)造成污染。石馬河泄洪流量一般在0~200 m3/s之間,泄洪時(shí)長(zhǎng)從幾小時(shí)到十幾天不等。為此,設(shè)置50、100、150和200 m3/s 等4種泄洪流量情景,鑒于前期雨洪污染物質(zhì)量濃度較高,在模擬時(shí)假設(shè)前5 d一直處于泄洪排污狀態(tài),氨氮質(zhì)量濃度采用近年石馬河汛期泄洪排污時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值6 mg/L。
3.2 石馬河泄洪排污對(duì)取水口水質(zhì)的影響
博羅水文站汛期(4-9月)多年平均流量為990 m3/s,以此作為上游來(lái)水,下游采用石龍站2013年6月17日0:00-24日24:00典型潮位過(guò)程作為邊界條件;對(duì)水質(zhì)邊界,下邊界采用同期氨氮實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度值;根據(jù)研究河段水環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)管理目標(biāo),上邊界取《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GBGB3838-2002)Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值,即0.5 mg/L。
圖6為石馬河4種泄流情景下取水口氨氮質(zhì)量濃度變化過(guò)程,氨氮質(zhì)量濃度變化與潮位關(guān)系密切,漲潮時(shí)質(zhì)量濃度迅速增大,漲潮達(dá)高高潮時(shí)氨氮質(zhì)量濃度達(dá)到最大,質(zhì)量濃度高于0.5 mg/L即超標(biāo)的時(shí)間均發(fā)生在高高潮;落潮時(shí)質(zhì)量濃度迅速降低,氨氮質(zhì)量濃度變化顯示出較為明顯的大小潮變化的周期性。石馬河泄洪流量越大,對(duì)取水口水質(zhì)影響越大,隨著泄洪流量的增大,最高質(zhì)量濃度顯著升高,超標(biāo)時(shí)間變大,但最低質(zhì)量濃度值基本保持不變(表1)。
圖6 石馬河不同泄流情景下取水口氨氮濃度變化過(guò)程Fig.6 Process of NH3-N concentration at the intake for the different scenarios of flood discharge from Shima River
表1 石馬河不同泄流情景下取水口氨氮質(zhì)量濃度特征值
Table 1 Characteristic value of NH3-N concentration at the intake for the different scenarios of flood discharge from Shima River
石馬河泄洪流量/(m3·s-1)50100150200最低質(zhì)量濃度/(mg·L-1)0 430 440 440 44最高質(zhì)量濃度/(mg·L-1)2 203 273 944 27超標(biāo)時(shí)長(zhǎng)/h15 515 716 819 5
3.3 東江水利樞紐下泄流量對(duì)取水口水質(zhì)的影響
由于情景較多,本文僅給出石馬河泄洪流量為100 m3/s時(shí),東江水利樞紐不同調(diào)節(jié)流量情景下取水口氨氮質(zhì)量濃度變化過(guò)程(圖7)。隨著東江水利樞紐下泄流量的加大,東深供水工程取水口水質(zhì)改善效果顯著,氨氮質(zhì)量濃度峰值明顯降低,超標(biāo)時(shí)間也明顯變短,但最低質(zhì)量濃度變化不大(表3)。東江梯級(jí)水庫(kù)下泄流量與取水口水質(zhì)改善程度有顯著相關(guān)關(guān)系,在石馬河50、100、150和200 m3/s等4種泄流情景下,當(dāng)東江水利樞紐下泄流量分別為1 430、1 600、1 680和1 770 m3/s時(shí),取水口氨氮質(zhì)量濃度達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求(圖8)。
圖8 氨氮質(zhì)量濃度達(dá)標(biāo)時(shí)東江水利樞紐下泄流量與石馬河泄洪量關(guān)系Fig.8 Relationship between the flood discharge from Shima River and the release discharge of Dongjiang Hydro-Project based on NH3-N concentration standard
表3 東江水利樞紐不同下泄流量下取水口氨氮質(zhì)量濃度特征值
Table 3 Characteristic value of NH3-N concentration at the intake for the different release discharge of Dongjiang Hydro-Project
下泄流量/(m3·s-1)99013001600最低質(zhì)量濃度/(mg·L-1)0 430 440 45最高質(zhì)量濃度/(mg·L-1)3 271 790 50超標(biāo)時(shí)長(zhǎng)/h15 76 30
3.4 討論
東江干流東江水利樞紐-石龍河段屬于感潮河段,受徑流和潮流交互作用,河道中污染物的混合擴(kuò)散輸移并不是單向的。在上、下游水質(zhì)邊界條件及污染物降解速率不變情況下,東深供水工程取水口的水質(zhì)除跟石馬河泄洪排放的流量有關(guān)外,還受上游來(lái)水與潮流的影響。石馬河?xùn)|江河口位于取水口下游,落潮時(shí)石馬河泄洪排放的污水隨水流往下游輸移,由于氨氮降解系數(shù)較小,取水口水質(zhì)主要受上游來(lái)水水質(zhì)影響,不同石馬河泄流及東江水利樞紐調(diào)節(jié)水量情景下,相同的上邊界水質(zhì)條件使取水口氨氮質(zhì)量濃度最低值基本不變。
漲潮時(shí)潮流作用大于徑流作用,受潮流頂托,石馬河排放的污水回流上溯,對(duì)取水口水質(zhì)產(chǎn)生影響,氨氮質(zhì)量濃度隨水位升高而增大。圖9為東江水利樞紐下泄流量為990 m3/s時(shí)高高潮、低高潮漲潮流場(chǎng)圖,從圖中看出,高高潮漲潮時(shí)潮流上溯到取水口的上游,而低高潮時(shí)潮流只到取水口的下游,使取水口氨氮質(zhì)量濃度超標(biāo)均發(fā)生在高高潮,漲潮過(guò)程是影響取水點(diǎn)氨氮質(zhì)量濃度超標(biāo)的主要控制因素。潮流的往復(fù)運(yùn)動(dòng)也使氨氮質(zhì)量濃度變化顯示出較為明顯的大小潮變化的周期性。
污染嚴(yán)重的石馬河污水排入東江后加重了河水的水質(zhì)污染,石馬河泄洪量愈大對(duì)東江水質(zhì)影響愈大。但水質(zhì)良好的東江水利樞紐調(diào)節(jié)水量越大,下游水體的稀釋、擴(kuò)散能力就越強(qiáng),水質(zhì)整體就越好。由于取水口氨氮質(zhì)量濃度超標(biāo)主要發(fā)生在漲潮時(shí),因此,要使石馬河泄洪排污不會(huì)對(duì)取水口水質(zhì)產(chǎn)生污染,東江水利樞紐下泄流量必須足夠大,使潮流上溯位置在取水口以下(圖10)。
基于MIKE21建立東江干流下游感潮河段二維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,模擬分析了石馬河泄洪及東江水利樞紐水量調(diào)節(jié)不同情景下東深供水工程?hào)|江取水口氨氮質(zhì)量濃度變化規(guī)律,并從水流的動(dòng)力學(xué)特征探討了氨氮質(zhì)量濃度變化的機(jī)理問(wèn)題,得到以下主要結(jié)論:
1)由于受潮流影響,石馬河泄洪排污時(shí),東深供水工程取水口氨氮質(zhì)量濃度變化同潮位變化密切相關(guān),顯示出較為明顯的大小潮變化的周期性。
圖9 東江水利樞紐下泄流量為990 m3/s時(shí)各水段潮流場(chǎng)圖Fig.9 The flow field during higher high water period under under 990 m3/s discharge of Dongjiang Hydro-Project
圖10 東江水利樞紐下泄流量為1 600 m3/s時(shí)高高潮漲潮流場(chǎng)圖(上溯至白蓮湖村附近)Fig.10 The flow field during higher high water period under the 1 600 m3/s discharge of Dongjiang Hydro-Project
2)漲潮過(guò)程是影響取水口水質(zhì)的主要控制因素,取水口氨氮質(zhì)量濃度隨水位升高而迅速增大,氨氮質(zhì)量濃度超標(biāo)均發(fā)生在高高潮時(shí)。
3)石馬河泄洪量愈大對(duì)東江水質(zhì)影響愈大;東江水利樞紐水量調(diào)節(jié)可有效改善下游水質(zhì),隨東江水利樞紐下泄流量的加大,取水口氨氮最高質(zhì)量濃度值顯著下降,超標(biāo)時(shí)間也變短;在4種泄洪流量情景下,要使取水口氨氮質(zhì)量濃度達(dá)標(biāo),東江水利樞紐下泄流量分別需要1 430、1 600、1 680和1 770 m3/s。
基于上述結(jié)論,為防洪安全、保障源水水質(zhì),石馬河橡膠壩應(yīng)盡量選擇退潮時(shí)泄洪,在石馬河塌壩泄洪時(shí)東深供水工程避免在高高潮時(shí)取水。
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Simulation and analysis of water quality in Dongjiang River based on the different scenarios of flood discharge from Shima River and the regulation of Dongjiang Hydro-Project
JIANGTao1,ZHONGMing1,ZOULongjian2,LIKun1,LINBo1,ZHUAiping1,LIUZufa1
(1. School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China;2. The Administration Office of Qingyuan Water Conservancy Project, Qingyuan 511518, China)
In this study, a two-dimensional water dynamic and water quality model based on MIKE21 was developed to simulate the water quality at the intake of Dongshen water supply project. The study was carried out in the tidal reach between the Dongjiang Hydro-Project and Shilong in the downstream of the Dongjiang River, and NH3-N was taken as the water quality indicator. Different scenarios of flood discharge from the Shima River and the release discharge of the Dongjiang Hydro-Project were used to drive the model for the simulation of the water quality at the intake of the Dongshen water supply project. The results indicate that: ① the change of the NH3-N concentration at the intake is related to the tidal change, the NH3-N concentration over-standard occurs during higher high water level period; ② flood tide is the main factor which impacts the water quality at the intake, and the NH3-N concentration is more than 0.5mg/L during higher high water lever period; ③ more flood discharge from Shima River has the greater effect on the water quality, and the water regulation of the Dongjiang Hydro-Project can cause a significant improvement on water quality in the downstream. The results of this study contribute to the decision-making for the joint operation of the flood discharge from Shima River and the intake of Dongshen water supply project, also have great significance for the emergency operation of the Dongjiang Hydro-Project.
reservoir regulation; flood discharge; MIKE21 model; Shima River; Dongjiang River
10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.02.021
2015-06-08
廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013B020700009);廣東省水利科技創(chuàng)新資助項(xiàng)目(2011-10);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41371055)
江濤(1965年生),女;研究方向:水文與水環(huán)境;E-mail:eesjt@mail.sysu.edu.cn
X522
A
0529-6579(2016)02-0117-07