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user: 3. 水量水质调控方案研究 3.1. 研究区概况 以珠江三角洲中顺大围作为典型区(见图1)，应用闸泵群调度模型开展水量水质调控方案研究。 中顺大围位于珠江三角洲河网区南部，西濒西江干流磨刀门水道，东傍东海水道、马宁水道、小榄水道，总集水面积约709.36 km 2 ，是珠江三角洲五大重要堤围之一。围内主要河流有岐江河、凫洲河、横琴海等140余条，绝大多数均受潮汐影响，为双向流。中顺大围内河网水系密布，具有一定的调蓄能力，联围内闸泵众多，水力调控条件便利。凫洲河水闸、东河水闸、西河水闸、西河泵站等联围干堤上的大型闸泵工程，对控导水流、改善水质、调蓄淡水资源，发挥抑咸保供能力作用显著。 3.2. 计算水文条件 方案研究采用2005年1月典型枯水条件。联围边界水闸的外江水位过程采用“05.1”实测或该水文条件下珠江三角洲一维水动力模型计算所得序列，凫洲河、东河、西河等主要水闸外江潮位过程见图2。根据各水闸外实测盐度，或上游流量级查流量–咸界关系(见图3)确定该水闸开启与否。采用COD作为污染物指标，水质边界按照引水河道的现状水质确定，磨刀门水道、小榄水道等外江按地表II类水标准给值，中顺大围内河涌水质初始浓度按地表V类水标准给值，调度期内假设联围内点面源全部截污。期内无降雨发生，各片区通过外闸和内部节制闸控制水位，泵站不参与排涝。 3.3. 模型参数 研究区部分主干河涌河道糙率n以已有珠江三角洲一维水动力模型枯水验证成果分段给定，其他河涌参考水力学手册经验给定。水质模拟中纵向离散系数 随水流条件而变化，按 计算确定， 为 图1. 研究区主要水系和闸泵工程 图2. 主要水闸外江潮位过程 断面平均流速， 为断面过水宽度， 为断面平均水深， 为摩阻流速， 为水力坡度；COD降解系数参考现有成果取为0.13 (1/d)。 图3. 珠江三角洲流量–咸界关系图 3.4. 方案比选思路 根据外江潮汐变化规律，调度时段可拟定为小潮至中潮(L2M)、中潮至大潮(M2H)、大潮至中潮(H2M)、中潮至小潮(M2L)四个典型时段。根据珠江三角洲三水、马口流量和流量–咸界关系，受含氯度影响较小的凫洲河闸、白濠头闸、新滘闸、白濠尾闸、横海闸、裕安闸、鸡笼闸等可作为进水闸，控制水流“只进不出”，即闸外水位高于闸内水位时，闸门全开进水，反之闸门全关；受含氯度影响较大的滨涌闸、铺锦闸、东河闸等可作为排水闸，拟定“三闸排水”、“铺锦闸、东河闸两闸排水”、“东河闸单闸排水”三种情况，控制水流“只出不进”。方案比选时，先按“三闸排水”确定最优的调度时段，而后比较该时段内不同排水闸方案优劣。 3.5. 方案计算分析 方案设置如表1所示。 模型计算表明，随着调度换水过程的不断推进，中顺大围内河涌COD平均浓度呈平缓均匀下降变化趋势，起伏不明显；而内河涌蓄水量受外江潮位变化十分显著，呈峰谷交替变化过程。从各方案3~5 d河涌蓄水量较大时刻总蓄水量及COD平均浓度值统计(表2)可知：在较短的调度历时要求下，调度后COD削减较为显著，平 Table 1 Settings of operation scheme 排水闸 方案 调度时段 开始时刻 调度规则 滨涌闸 铺锦闸 东河闸 三闸排水 S-H2M 小潮至中潮 1-18 16:00 ①当 且 时，凫洲河闸、白濠头闸、新滘闸、白濠尾闸、横海闸、裕安闸、鸡笼闸全开，否则全关； ②拱北闸、全禄闸、西河闸全关； ③当 且 时，滨涌闸、铺锦闸、东河闸全开，否则全关。 S-M2L 中潮至大潮 1-22 18:00 S-H2M 大潮至中潮 1-25 21:00 S-M2L 中潮至小潮 1-29 0:00 表1. 调度方案设置 Table 2 Water storage and COD concentration for different perio 方案 时刻 总蓄水量(万m 3 ) COD平均浓度(mg/l) 调度历时 蓄水量增量(万m 3 ) S-H2M * 2005-1-18 16:00 3955.2 40.0 - - 2005-1-21 0:00 3876.5 33.4 2d8h −78.7 2005-1-22 1:00 4064.7 30.2 3d9h 109.5 2005-1-23 1:00 4073.6 27.8 4d9h 118.4 2005-1-24 1:00 3943.4 25.9 5d9h −11.8 S-M2L * 2005-1-22 18:00 3955.2 40 - - 2005-1-25 2:00 4017.1 32.3 2d8h 61.9 2005-1-26 3:00 3942.1 29.6 3d9h −13.1 2005-1-27 4:00 4017.3 27.0 4d10h 62.1 2005-1-28 4:00 4089.5 24.7 5d10h 134.3 S-H2M * 2005-1-25 21:00 3955.2 40.0 - - 2005-1-28 4:00 4092.6 31.5 2d7h 137.4 2005-1-29 5:00 3871.9 28.9 3d8h −83.3 2005-1-30 5:00 3850.1 26.5 4d8h −105.1 2005-1-31 6:00 3822.0 24.4 5d9h −133.2 S-M2L * 2005-1-29 0:00 3955.2 40.0 - - 2005-1-30 5:00 3864.5 35.2 1d5h −90.7 2005-1-31 6:00 3835.9 32.2 2d6h −119.3 2005-2-1 6:00 3900.1 29.3 3d6h −55.1 2005-2-2 7:00 3817.0 27.1 4d7h −138.2 表2. 各方案河涌总蓄水量、COD平均浓度统计(不同调度时段) * 为该方案调度开始时刻。 均浓度下降较大，且内河涌总蓄水量较大的调度时段为小潮至中潮，即方案S-H2M最优，取该方案结束时刻为2005-1-22 1:00，调度历时3d9h，调度期末河涌蓄水总量为4064.7万m 3 ，COD平均浓度为30.2 mg/l，分别较调度前增加109.5万m 3 、降低9.8 mg/l。 以确定的小潮至中潮为最优调度时段，拟定滨涌闸、铺锦闸、东河闸不同闸门组合排水条件下的水量水质调度方案，确定最优的排水闸方案，各方案计算成果见表3和图4。 结果表明，不同闸门排水方案的调度历时基本一致，至调度期末西河水闸单闸排水总蓄水量较两闸、三闸 Table 3 Water storage and COD concentration for different sluice 方案 调度结束时刻 总蓄水量(万m 3 ) COD平均浓度(mg/l) 排水闸 S-H2M-3out 2005-1-22 1:00 4064.7 30.2 滨涌闸、铺锦闸、东河闸 S-M2L-2out 2005-1-22 0:00 4162.1 29.8 铺锦闸、东河闸 S-H2M-1out 2005-1-22 0:00 4198.1 29.7 东河闸 表3. 各方案河涌总蓄水量、COD平均浓度统计(不同排水闸) 图4. 各方案下的中顺大围内河涌总蓄水量、COD平均浓度过程 排水时要略大，而COD平均浓度略小，表明东河水闸单闸排水方案比其他方案要优。该方案下内河涌蓄水总量由调度初始时刻的3955.2万m 3 增至调度结束时刻的4198.1万m 3 ，蓄水量增量为242.9万m 3 ；内河涌COD平均浓度由调度初始时刻的40 mg/l降至调度结束时刻的29.7 mg/l，水质由V类提高至IV类(仅以COD为指标)；调度历时3d8h，在较短的调度历时内，取得了水量水质目标改善最佳效果。 调度前后研究区不同时刻COD浓度分布见图5。调度实施前，各水闸开启，水流受外界潮位周期变化自由往复运动，东干堤水动力较强，靠近水闸部分内河涌水质有一定改善，但其他大部分河涌水体交换缓慢，COD浓度下降不明显(图5(a))。调度后由于研究区东西干堤上游段水闸均能开闸引水，西北片内河涌水动力条件明显加强，水体交换迅速，水质改善较为明显，同时调度一定程度上实现了河网区水流“北进南出、西进东出”的有序格局，总体上西部比东部河涌水质改善效果好；但由于磨刀门水道靠近河口处受咸潮影响严重，外江水体含氯度超标，西河水闸等不能开闸引水，水体交换缓慢，中顺大围西南部河涌，特别是岐江河大部分河段水质改善效果有限(图5(c))。调度前后岐江河沿程各断面最大、最小及平均流速见图6。调度前，岐江河往复流明显，平均流速表明以由东往西流向水流为主；调度后，西河水闸无法开闸引水，岐江河流速总体减小，但流向转变为由西往东为主，水量水质调控主要依靠片区上部水闸进水和东河水闸排水进行，岐江河水动力没能有效增强，污染物运移和稀释过程缓慢，调度效果不佳。为进一步改善中顺大围水量水质调度效果，可加长调度历时(图5(b)、图5(d))，或开启东河泵站抽排增强水动力条件。 图5. 研究区调度前后不同时刻COD浓度分布 本研究中，所建立的典型感潮河网区水量水质调控模型的水位边界条件由珠江三角洲一维水动力模型获取，两模型未实现耦合，且水质边界和含氯度约束均按静态恒定给定，无法评估典型区水量水质调控对外江水动力 图6. 调度前后岐江河沿程最大、最小、平均流速(流速为负表示由东往西流向) 水环境的影响以及由此导致的边界条件变化对典型区调度的反馈，同时未考虑研究区内产汇流、点面源污染物产输和人类取用水过程，因此，开展典型感潮河网区水量水质调控模型与珠江三角洲一维潮流模型、水质模型、盐度模型以及人类活动影响下的典型区陆面水量水质模型的耦合是完善本研究的一个重要方向。此外，采用更翔实的实测资料对模型参数进行率定验证也有待加强。