廣州市芳村片河網(wǎng)水質(zhì)優(yōu)化調(diào)度研究

廣州市芳村片河網(wǎng)水質(zhì)優(yōu)化調(diào)度研究

1城市河涌污染嚴(yán)重,水質(zhì)差廣州芳村位于廣州市西南端，占地42.6公里。它屬于珠江三角洲的北緣。地勢(shì)平坦，河流眾多，交叉，屬于平原的朝河網(wǎng)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展,該地區(qū)水環(huán)境問題日益突出,多數(shù)河涌污染嚴(yán)重,水質(zhì)較差,涌水黑臭。改善城市河涌水質(zhì)的根本措施是對(duì)污染源進(jìn)行有效治理,但要截除所有排入河涌的污染源比較困難,通過綜合調(diào)水,科學(xué)地調(diào)度河網(wǎng)水流,提高城市河網(wǎng)與外江之間的水體交換,從水動(dòng)力角度分析水體的自凈能力,是研究城市河網(wǎng)水環(huán)境的重要手段。本文以廣州市芳村片感潮河網(wǎng)為研究對(duì)象,采用理論上較成熟的水動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)和算法,綜合考慮城市河網(wǎng)的水文、地形、水利工程現(xiàn)狀和運(yùn)行狀況等,建立了河網(wǎng)一維水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,提出一種簡(jiǎn)便有效的水環(huán)境調(diào)控評(píng)價(jià)方法,計(jì)算分析了河涌連通、水閘建設(shè)和調(diào)度等措施對(duì)河網(wǎng)水體交換的影響。2其他構(gòu)筑物處理芳村片城市河網(wǎng)存在大量的水閘、泵站等水工構(gòu)筑物,在這些構(gòu)筑物處,根據(jù)閘、泵的水力學(xué)特征做特殊處理。即閘、泵作為流量點(diǎn)處理,根據(jù)相鄰水位點(diǎn)水位關(guān)系,采用寬頂堰水閘的堰流或孔流流量公式計(jì)算過閘流量。2.1水質(zhì)校正系數(shù)河網(wǎng)水動(dòng)力模型的控制方程為一維SaintVenant方程組:式中,x、t分別為距離和時(shí)間坐標(biāo);A為過水?dāng)嗝婷娣e;Q為流量;q為旁側(cè)入流流量;α為動(dòng)量校正系數(shù);g為重力加速度;h為水位;C1為謝才系數(shù);R為水力半徑。河網(wǎng)水質(zhì)模型的控制方程為一維物質(zhì)輸運(yùn)方程:式中,C為物質(zhì)濃度;D為擴(kuò)散系數(shù);K為線性衰減系數(shù);C2為源/匯濃度。水動(dòng)力控制方程的離散采用Abbott六點(diǎn)隱式格式,物質(zhì)輸運(yùn)方程的離散則采用時(shí)間和空間中心隱式差分格式。2.2河涌水質(zhì)污染物運(yùn)芳村片內(nèi)河涌涌口多設(shè)有水閘,常采取引清調(diào)水的方式來(lái)改善河涌水環(huán)境,即利用自然潮汐動(dòng)力和涌口水閘調(diào)度,從水質(zhì)相對(duì)較好的外江引清水至內(nèi)河涌,以更換水質(zhì)相對(duì)較差的內(nèi)河涌水體。根據(jù)引清調(diào)水的實(shí)際情況,對(duì)水體交換過程進(jìn)行概化。設(shè)污染物為溶解態(tài)保守物質(zhì),基于一維水動(dòng)力、物質(zhì)輸運(yùn)方程,以污染物濃度為示蹤劑,建立水體交換數(shù)值模式。由于內(nèi)河涌污染程度較重,外江(珠江西航道、前航道、后航道、廣佛河、佛山水道、平洲水道等)污染程度較輕,設(shè)置內(nèi)河涌污染物初始相對(duì)濃度為1,外江為0。隨著水體交換不斷進(jìn)行,河涌水體的污染物相對(duì)濃度不斷下降,當(dāng)降為0時(shí)即代表河涌水質(zhì)與外江相同,水體已與外江完全交換。為建立水體交換指標(biāo),引入換水率和換水周期的概念。定義換水率R(r,l,t)為內(nèi)河涌水體被外江水體置換的比率,即:式中,r為河涌名稱;l為河涌特定位置里程標(biāo)示;t0為初始時(shí)刻。由于內(nèi)河涌C(r,l,t0)=1,則:定義河網(wǎng)特定位置相對(duì)濃度降為初始值1/2(即50%)時(shí)的交換時(shí)間為半換水周期,河網(wǎng)特定位置相對(duì)濃度降為初始值25%時(shí)的交換時(shí)間為75%換水周期。2.3模型的構(gòu)建和組成2.3.1芳村片河涌水系模型計(jì)算范圍為上起老鴉崗下至黃埔站的珠江廣州河段、芳村片的內(nèi)河涌等相關(guān)河道,包括水口水道、珠江前后航道、佛山水道、三尾沖、平洲水道、陳村水道、三枝香水道、新造水道以及花地河、大沙河等(圖1)。模型涵蓋的芳村片主要河涌共計(jì)53條,水閘39座。計(jì)算范圍內(nèi)外江和花地河的河道地形采用1999年測(cè)繪的地形資料,其他采用2003年底測(cè)2.3.2地鐵、地鐵、水岸三涌河流廣州市水利科學(xué)研究所于2007~2008年間開展了芳村上圍水環(huán)境調(diào)控現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),故選用該試驗(yàn)2008年3月20~25日的觀測(cè)資料進(jìn)行模型率定,率定結(jié)果見圖2。由圖2可看出,地鐵A涌、地鐵B涌、沙涌、東漖閘、東漖涌、茶滘涌等典型斷面的計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位變化趨勢(shì)基本相同,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差不大,說(shuō)明模型可較好地反映計(jì)算區(qū)域的水體流動(dòng)規(guī)律,可以利用率定后的模型開展河網(wǎng)水體交換的計(jì)算和分析。率定得到的糙率n值為0.033。但由于缺乏系統(tǒng)的水閘開關(guān)記錄資料,給率定計(jì)算帶來(lái)較大困難,這也可能是個(gè)別時(shí)段計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值有一定差異的原因。3豐村體交換計(jì)算方案3.1東涌、土沙涌、劍沙涌連通河涌連通方案包括:(1)下市涌與地鐵A涌連接;(2)東漖涌、白鶴沙涌與劍沙涌連接;(3)南漖涌、西塱涌與東塱涌連通;(4)東沙支涌和沙洛支涌連接;(5)江尾涌與大沙河、大和涌相連;(6)牛肚灣涌與廣佛河連接,具體見圖3。3.2流調(diào)度方案優(yōu)化(1)雙向流調(diào)度方案。該方案為芳村片河涌水閘現(xiàn)狀運(yùn)行方式,即高潮時(shí)開閘引水入涌,河涌水位到達(dá)一定高度時(shí)關(guān)閘,待低潮時(shí)開閘排水。該方案中所有水閘兼顧引、排。(2)單向流調(diào)度方案1。為實(shí)現(xiàn)水流單向流動(dòng),將水閘劃分為引水閘和排水閘,前者只有引水功能,后者只有排水功能,引、排水閘的具體劃分、水閘參數(shù)以及具體調(diào)度規(guī)則等見文獻(xiàn)。但該方案由于牛肚灣涌、塞壩涌、葵蓬涌、花地河等無(wú)水閘控制,無(wú)法實(shí)現(xiàn)徹底的單向流動(dòng)。(3)單向流調(diào)度方案2。該方案在單向流調(diào)度方案1的基礎(chǔ)上,新建牛肚灣涌、塞壩涌、葵蓬涌以及花地河南北、廣佛河共六座水閘,通過水閘控制花地河水體由南向北流動(dòng),即南引北排。新建水閘分布和引排水方向見圖3。(4)單向流調(diào)度方案3。除通過水閘控制花地河水體由北向南流動(dòng),即北引南排,其他與單向流調(diào)度方案2相同。3.3計(jì)算結(jié)果及確定工況選擇2008年3月10~25日老鴉崗、五斗、大石、陳村、黃埔站等外圍站點(diǎn)實(shí)測(cè)潮位過程作為水體交換計(jì)算的代表潮型。根據(jù)河涌連通、水閘調(diào)度、水閘建設(shè)等不同調(diào)控方案的組合,確定了五個(gè)計(jì)算工況,見表1。其中,工況4見圖3。4花地河內(nèi)重金屬污染形成雙向流調(diào)度圖4給出了各工況下典型河涌地鐵A涌、東塱涌、大沙河、花地河典型斷面污染物濃度隨時(shí)間變化過程。其中,花地河縱貫?zāi)媳?總長(zhǎng)約8.49km,是芳村片骨干河涌和重要的引清通道,對(duì)于整個(gè)片區(qū)內(nèi)河涌的換水速度有重要影響?；ǖ睾?173、4108、7699斷面分別代表花地河北、中、南段的典型斷面。表2給出了花地河這三個(gè)典型斷面水體交換指標(biāo)的計(jì)算值。由圖4可知:(1)在保持現(xiàn)狀雙向流調(diào)度的情況下(工況1、2),河涌連通后,各河涌污染物濃度衰減速度變化不明顯;(2)地鐵A涌、東塱涌、大沙河污染物相對(duì)濃度衰減速度明顯加快(工況2、3),說(shuō)明河涌連通后,若通過閘群聯(lián)控使水流形成單向流,可顯著提高河涌換水速度;若保持現(xiàn)狀雙向流調(diào)度,則換水效果改善不明顯。(3)采用單向流調(diào)度的水體交換速度整體上快于雙向流調(diào)度(工況2、4)。其中,花地河中部4108斷面較具代表性,由于工況2雙向流方案換水不徹底,有眾多內(nèi)河涌向花地河排水,導(dǎo)致污染物濃度衰減速度較慢,且存在較大幅度的振蕩;而對(duì)于花地河建閘后可形成單向流的工況4,雖然在開始階段引清水尚未到達(dá)時(shí)污染物濃度幾乎不衰減,但一旦清水到達(dá),單向水流換水較為徹底,污染物濃度衰減較為迅速。(4)對(duì)于工況3,由于花地河無(wú)閘,水體只能隨潮汐雙向流動(dòng),因此花地河的污染物濃度衰減速度與工況2相差不大。由于污染物濃度衰減過程存在較大幅度的振蕩(圖4),因此將各時(shí)刻的換水率按時(shí)間平均,定義為平均換水率,以分析整體換水情況。由表2可知:(1)對(duì)于花地河4108斷面,工況4半換水周期、75%換水周期分別為13.9、17.5h,比工況3分別縮短11.3、38.6h;24h平均換水率減小5%,72h平均換水率提高12%。工況4除24h平均換水率有所下降外,其他換水指標(biāo)均優(yōu)于工況3。(2)花地河建閘后,工況分為南引北排(工況4)和北引南排(工況5)。對(duì)于花地河4108斷面,工況4半換水周期、75%換水周期比工況5縮短11.2、8.4h;24、72h平均換水率分別提高20%、12%。總體來(lái)說(shuō),工況4換水指標(biāo)優(yōu)于工況5。綜上所述,在內(nèi)河涌水質(zhì)較差急需換水時(shí),為加快與外江的水體交換,推薦采用工況4進(jìn)行調(diào)度。5引清排水系統(tǒng)體系a.以廣州市芳村片河網(wǎng)為例,對(duì)城市感潮河網(wǎng)水體交換規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算和分析,結(jié)果表明通過河涌連通、水閘建設(shè)和調(diào)度等措施,構(gòu)建閘群聯(lián)動(dòng)控制的河網(wǎng)綜合引、排水體系,有助于形成換水徹底的單向流,可取得更好的引清排污效