深圳第一大河——茅洲河河口建闸对闸上水质影响研究

原标题：茅洲河河口建闸对闸上水质的影响研究摘要：接纳MIKE FLOOD模型建设了茅洲河河口一、二维耦合的水动力、水质模型,模拟分析茅洲河河口建闸后对茅洲河干流及河口四周水质的影响。通过模型模拟讲明,由于茅洲河干流中下游的污染物以及交椅湾地形的影响,交椅湾内水体流速变慢,茅洲河河口易形成污染带。通过茅洲河河口建闸前后的工况模拟分析,共和村断面在2020年工况下洪水期氨氮浓度在1.6～2.3 mg/L之间颠簸,均值为2 mg/L,建闸后基本稳定在2.13 mg/L。

枯水期时建闸前氨氮浓度在1.4～2.1 mg/L之间颠簸,均值为1.8 mg/L,建闸后基本稳定在1.83 mg/L。研究发现,河口闸的建设对茅洲河干流的水质基本没有改善作用。从污染物均值来看,河口建闸后闸上水质略有恶化,主要原因是河口处靠近外海区域污染物浓度较干流下游浓度低,建闸后闸址下游河水无法上溯,对断面污染物的稀释作用减小。本研究结果可供茅洲河水情况治理的相关决议提供参考,也可为其他流域的河口闸建设研究提供参考。

关键词：水质; 河口闸; 茅洲河; MIKE FLOOD;作者简介：林蓉璇(1987—),女,工程师,硕士研究生,主要从事水利计划相关研究。E-mail:lin.rx@gpdiwe.com;基金：国家重点研发计划项目“珠江河口与河网演变机制及治理研究”(2016YFC0402605);引用：林蓉璇，王鑫，徐辉荣． 茅洲河河口建闸对闸上水质的影响研究［J］. 水利水电技术，2020，51( 8) : 140-151.LIN Rongxuan，WANG Xin，XU Huirong． Study on impact from sluice construction at Maozhouhe River Estuary on water quality above sluice［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2020，51( 8) : 140-151.0 引 言沿海地域的河口区域,由于受到流域上游洪水、台风、风暴潮等的影响,经常发生洪涝灾害。

为更好地防洪挡潮,我国许多河口地域建设了挡潮闸,凭据相关资料,我国已经修建挡潮闸的河口有300多个。河口闸的建设有利有弊,一方面,河口建闸能够防洪挡潮;防止咸水上溯,提高水资源使用率;维持河流常水位,改善都会水景观。

另一方面,建闸后改变了河口原来的水动力,导致河口容易淤积,水动力的变化也将对河口的水情况和水生态等方面发生影响。现在对河口闸的相关研究中比力多的是内河水文特征的改变和泥沙淤积的问题, 而对建闸后的水情况影响的研究较少。

河口闸的建设,一方面可制止感潮河段污水的回荡导致的污染团上溯,可是与此同时,建闸后河口水动力削弱,水体流动变缓,水体复氧能力下降,也将导致水质恶化,因此亟需通过定量分析,研究河口闸建设对闸上水质的影响。本研究主要通过建设茅洲河河口的一、二维耦合的水动力、水质模型,在茅洲河流域截污治污工程比力完善的基础上,定量模拟分析茅洲河河口建闸对水质的影响,为水情况治理提供依据。

茅洲河流域流经深圳市宝安区、灼烁新区和东莞市长安镇(见图1),入伶仃洋交椅湾出海,流域面积388.2 km2,干流全长41.6 km,是深圳第一大河。近年来,随着茅洲河流域内经济社会快速生长,河流水体污染严重,水情况治理亟需增强。作为广东省正在奋力攻坚、要在2020年消除劣Ⅴ类国考断面的河流之一,茅洲河流域的水情况改善问题备受关注。

1 模型的建设及相关设置1.1 模拟规模本次接纳MIKE FLOOD模型建设茅洲河一、二维耦合的水动力、水质数学模型。模型规模为茅洲河干流塘下涌汇入口至伶仃洋海域深圳湾四周。

其中一维水动力、水质模型的模拟规模为茅洲河干流塘下涌汇入口至下游河口段,长度为12.4 km。河流断面共计231个断面(见图2),河流断面间距约50 m。二维水动力、水质模型的模拟规模从东四口门至伶仃洋海域深圳湾四周(见图3),工具距离约32 km,南北距离约35 km。

模拟区域面积为621 km2,接纳不规则三角形网格剖分盘算区域。网格数量约2万个,网格面积为0.003～0.1 km2。

图1 茅洲河水系示意图2 一维断面位置 图3 二维模型模拟规模1.2 界限设置1.2.1 水动力界限(1)上游流量界限。茅洲河上游接纳流量界限,分洪水期和枯水期,划分接纳相应的多年平均径流量加上上游污水处置惩罚厂的尾水。凭据分析盘算,茅洲河全流域洪水期多年平均径流量为17.21 m3/s,枯水期为1.58 m3/s。

(2)区间入流。支流的汇入流量分洪水期和枯水期接纳多年平均径流量,按点源思量,在干流入汇处设置。(3)各口门及下游水位界限。

虎门、蕉门、洪奇沥门、横门东四口门及南侧下游界限均接纳水位界限,水位历程的获取也分洪水期和枯水期。通过对四周潮位站历年的潮位资料举行统计分析,取高热潮和低低潮的洪/枯水期多年平均值确定潮型,之后选取与相应潮型最靠近的实测潮位历程(14 d)为一周期举行循环盘算,其中洪水期选取的实测盘算潮位历程为1987-05-19—1987-06-01,枯水期为1980-11-30—1980-12-13。1.2.2 水质界限(1)水质指标。

凭据实测水质监测数据分析,茅洲河干流现状主要污染物为氨氮和总磷,思量氨氮与总磷迁移纪律基本一致,本次盘算选取NH3-N水质指标举行模拟分析。(2)上游水质界限。2020年工况下,一维模型茅洲河干流塘下涌汇入口断面污染物浓度接纳2020年污染物排放情况估算,天然径流污染物浓度接纳洪/枯水期的面源污染物均值,污水处置惩罚厂的尾水浓度接纳污水处置惩罚厂实测尾水浓度;思量到东四口门近年来污染物浓度变化不大,二维模型中东四口门的污染物浓度仍接纳2014—2018年实测浓度均值。

(3)入河排污口。污染物入河量主要由漏截污水及污水处置惩罚厂的尾水两部门组成。2020年工况下,假设截污工程已完成,生活污水完全收集至污水处置惩罚厂,污染物入河量仅思量污水处置惩罚厂尾水。

1.3 盘算参数(1)曼宁糙率系数。本次一维水动力数学模型中糙率系数取0.028～0.031。对于海域的曼宁糙率系数,由于在华南沿海和海南岛以外的陆架区,床面沉积物多以粉砂、淤泥质为主,相应床面形态阻力较低、沙粒阻力也低,凭据查阅相关的文献资料,本区域曼宁糙率系数一般取值0.015～0.025。本次模拟凭据验证情况举行局部调整。

(2)污染物降解系数。污染物在天然河流中的降解系数与众多因素有关,包罗水体污染水平、流速、气温、水生生态系统等因子,其值一般难以准确确定。本次水质模拟污染物的降解系数凭据《珠江三角洲水情况容量与水质计划》、《广东省东江流域水污染综合防治研究》及相关文献,并参考深圳境内河流相关观察分析结果,氨氮的降解系数取0.1/d。

(3)扩散参数。凭据查阅文献及相关工程的研究结果,扩散参数取10 m2/s。2 模型的率定验证选取2007年8月13日17时—14日22时(洪水期)及2018年3月19日9时—20日10时(枯水期)对模型举行验证。水文测站如图4所示,用于潮水验证的站位有4个,伶仃1站和矾石站为洪水期验证站,3#和5#为枯水期验证站。

用于潮位验证的站位有两个,为南沙港区站和宝安机场站,为洪水期验证站。潮位、潮水验证曲线划分如图5和图6所示。从模型验证历程来看,无论是盘算的量值还是相位,均与实测值基本吻合(崎岖潮时间的相位误差不大于±0.5 h,最高和最低潮位值偏差小于±10 cm,涨、落潮段平均流速偏差在±10%以内),涨潮和落潮水态与海区地形轮廓相符。因此可以认为模型的率定验证是乐成的,可以用于模拟区域的模拟分析。

图4 水文测站位置示意图5 潮位验证曲线图6 潮水验证曲线3 现状水流运动和污染物输移纪律3.1 水流运动纪律(1)伶仃洋河口湾的潮水基本上是往复流动,流动趋势是涨潮时,涨潮水体自南向北进入伶仃洋,来自东南向的涨潮水沿交椅湾东槽支汊到达交椅湾内后,转向西北偏西流动,与川鼻水道的径流相汇。落潮时,落潮水部门向交椅湾分流,沿东槽支汊下泄。涨落潮时由于地形的影响,交椅湾湾区内的流速均较小,约0～0.3 m/s。

对于虎门、蕉门、洪奇沥和横门,它们既是径流下泄的通道,在上游河流内又具有一定的纳潮库区,致使涨潮水体经各自河流的口门进入上游河流内。落潮时,各河流的纳潮水体与径流一起下泄进入伶仃洋,并汇同伶仃洋的落潮水体向南退出。

图7 洪水期涨落潮水速示意(2)伶仃洋海区水流运动取决于两个因素,一个是外浪潮波,二是径流。从流速漫衍图(见图7)可以看出,落潮水速大于涨潮水速。通过盘算点1洪水期及枯水期一个潮周期内的涨落潮历时宁静均流速(见表1),可以看出,不管是洪水期还是枯水期,落潮历时及落潮水速均大于涨潮历时及涨潮水速,且洪水期落潮水速显着大于枯水期落潮水速。

这主要是由于径流的影响,且洪水期径流显着大于枯水期,涨潮时受阻,落潮时径流增强了潮水的下泄速度。表1 点1涨落潮历时及流速情况(3)伶仃洋的潮波运动偏向为南北向,由于南北偏向距离较长,所以存在着一定的位相差。当南部开始涨潮时,北部仍在落潮,经一段时间后才转为涨潮。

当南部涨潮水速为最大时,北部涨潮水速还在逐步增大,经一段时间后才泛起最大涨潮水,而此时南部涨潮水速已开始减小。同样,落潮和最大落潮水速发生时刻也是北部较南部滞后一段时间。盘算效果讲明,位相差的巨细与潮型有关,无论是枯季还是洪季,当最大落潮泛起时,伶仃洋南北向的位相差最为显着,约为2 h左右。

3.2 污染物输移纪律3.2.1 茅洲河河口处易形成河口污染带从涨落潮的污染物浓度漫衍(见图8)可以看出,在茅洲河河口沿深圳侧,泛起河口污染带,河口污染带位于东槽支汊的西侧,大部门贴着深圳侧海岸,涨潮时东莞侧污染物也略有升高。从污染带的形状及潮水变化的情况分析,污染带形成主要有2个原因:一是茅洲河河水污染物浓度高,由于河水的下泄,污染物被冲至河口;在潮水涨落的动力作用下,污染物在河口形成一定浓度,涨潮及落潮时,潮水均贴着深圳侧海岸上溯下泄,因此,污染物在深圳侧浓度高。

茅洲河污染物的存在是河口污染带形成的最主要因素;二是交椅湾地形的影响,湾区内潮水动力较其他区域弱,流速显着降低,导致污染团在河口区域不易扩散,因此形成污染带。3.2.2 污染物随涨落潮变化情况(1)伶仃洋海域。在伶仃洋海选取三个点举行污染物浓度变化分析,选取的点为GD102、GD096、GD092三个点,其中GD102位于茅洲河河口处,各点位置如图9所示。从污染物浓度变化图(见图10)可以看出,在伶仃洋海域各点污染物浓度的变化情况,涨潮污染物浓度下降,落潮污染物浓度上升。

主要原因是在伶仃洋海域,污染物浓度从内海向外海逐步降低,即由北至南逐渐减小,涨潮时,南侧潮水向北流动,由于南侧潮水污染物浓度低于北侧潮水,因此此时污染物浓度会较少,落潮时由于北侧潮水向南流动,因此污染物浓度反而升高。图8 涨落潮污染物浓度示意图9 伶仃洋海域污染物浓度变化点位置(2)茅洲河。

在茅洲河干流选取三个点举行污染物浓度变化分析,选取的点为1、2、3三个点,其中点1靠近上游,各点位置如图11所示。从污染物浓度变化图(见图12)可以看出,在茅洲河干流,点2、3涨潮污染物浓度下降,落潮污染物浓度上升。点1是涨潮污染物浓度上升,落潮污染物浓度下降。

可见,在茅洲河干流差别位置的污染物浓度,随涨落潮的变化情况是不相同的。涨落潮污染物浓度的变化情况取决于潮水的浓度崎岖,在点2、3处,涨潮时,上涨潮水污染物浓度小于点2、3处的污染物浓度,所以涨潮时会发生稀释作用,污染物浓度下降。由于涨潮潮水污染物浓度高于点1处浓度,因此涨潮时污染物浓度反而升高。可见,对于茅洲河干流中各点污染物浓度随涨/落潮的变化趋势取决于上涨/下落潮水的污染物浓度与该处浓度的巨细,上涨/下落潮水污染物浓度高,则会随涨/落潮而上升,反之则下降。

4 模拟方案及效果思量到河口闸的建设需要在流域截污治污工程比力完善的基础上实施,因此本次模拟的方案为2020年工况及2020年建闸后工况,参考流域内相关计划,假定2020年流域内污水处置惩罚厂已完成提标扩建,截污管道收集所有的生活污水。思量洪水期与枯水期污染物入河量的差异,分洪水期与枯水期划分举行模拟。建闸后闸门的调理方式为保证河水单向流动,维持闸内常水位1.658 m。

4.1 洪水期:2020年工况和2020年建闸后工况从洪水期的2020年工况和2020年建闸后工况的盘算效果可以看出(见图13),在一个盘算周期内,2020年建闸后工况下的茅洲河干流各点氨氮浓度与2020年工况相差不大。建闸后,由于茅洲河河口处水动力变弱,河口污染团扩散能力变小,因此建闸后河口污染团面积较无闸工况略微缩小。图10 伶仃洋海域各点污染物浓度变化图11 茅洲河污染物浓度变化点位置 为对比建闸前后闸前水质及闸后水质的变化情况,选取了外海断面GD096、河口断面GD102、共和村断面三个断面(见图14)的污染物浓度(见图15)举行分析。

外海断面GD096 2020年工况与2020年建闸后工况水质基底细同,在0.22 ～0.25 mg/L之间颠簸,均值为0.23 mg/L,建闸前后外海水质变化不大。河口断面GD102在2020年工况下水质在0 ～2 mg/L之间颠簸,均值为0.7 mg/L,2020年建闸后工况下水质在0.5 ～1.6 mg/L之间颠簸,均值为0.8 mg/L。

建闸后河口四周海域水质颠簸幅度较小,但从污染物浓度均值来看,建闸后使得河口四周海域水质略微恶化。共和村断面在2020年工况下水质在1.6 ～2.3 mg/L之间颠簸,均值为2 mg/L,建闸后水质基本稳定在2.13 mg/L。主要是由于建闸后由于闸门恒久关闭,保持1.658 m正常蓄水位,因此此工况下共和村断面水质基本稳定。

建闸前闸址处断面一个盘算周期内过流流量为4 207万m3,污染物通量为80 kg;建闸后流量为4 188万m3,污染物通量为76 kg。建闸前后过闸流量相差不大,污染物通量建闸前大于建闸后,因此共和村污染物浓度建闸后略高于建闸前。从污染物浓度均值来看,建闸后闸上共和村断面水质劣于建闸前水质。从污染物浓度随时间变化来看,建闸后的对断面水质的改善幅度很小。

因此可以看出,建设河口大闸对闸上共和村断面水质基本没有改善。4.2 枯水期:2020年工况和2020年建闸后工况从枯水期的2020年工况和2020年建闸后工况的盘算效果可知(见图16),在一个盘算周期内,2020年建闸后工况下的茅洲河干流各点氨氮浓度与2020年工况相差不大。建闸后,由于茅洲河河口处水动力变弱,河口污染团扩散能力变小,因此建闸后河口污染团面积较无闸工况略微缩小。

通过各水质点氨氮浓度变化(见图17)可以看到,外海断面GD0962020年工况与2020年建闸后工况水质基底细同,在0.19 ～0.24 mg/L之间颠簸,均值为0.23 mg/L。可见枯水期建闸前后外海水质变化不大。同时外海水质枯水期与洪水期基底细同。

图12 茅洲河各点污染物浓度变化图13 洪水期盘算周期内氨氮浓度均值图14 河口闸及水质分析点位置示意闸下河口断面GD102在2020年工况下水质在0.3 ～1.5 mg/L之间颠簸,均值为0.6 mg/L,2020年建闸后工况下水质在0.4～1.2 mg/L之间颠簸,均值为0.6 mg/L。从污染物浓度均值来看,建闸后枯水期时茅洲河河口四周海域水质与建闸前基底细同。闸上共和村断面在而2020年工况下水质在1.4 ～2.1 mg/L之间颠簸,均值为1.8 mg/L,建闸后水质基本稳定在1.83 mg/L。

闸上、下两个断面枯水期浓度均低于洪水期,主要原因是洪水期面源污染入河量大,导致流域污染负荷较大。建闸前闸址处断面一个盘算周期内过流流量为2453万m3,污染物通量为25 kg;建闸后流量为2375万m3,污染物通量为24 kg。污染物通量建闸前大于建闸后,因此共和村污染物浓度建闸后略高于建闸前。

从污染物浓度均值来看,枯水期时建闸后共和村断面水质劣于建闸前水质。从污染物浓度随时间变化来看,建闸后的对断面水质的改善幅度很小。因此,可以看出,河口大闸的建设在枯水期对茅洲河干流及河口四周海域的水质基本没有改善。5 结 语通过水动力、水质模型的模拟分析可见,河口闸的建设对茅洲河干流及河口四周海域的水质基本没有改善作用,主要原因是污染源主要泉源于茅洲河干流中下游河段,建闸后下游河水无法上溯,对断面污染物的稀释作用减小,且由于茅洲河河流容积较小,建闸前后闸址处污染物通量变化不大,因此建闸对河流水质的改善效果不显着。

本次研究结论与黄浦江河口建闸的研究结论有所差别,主要是因为黄浦江河口建闸后能增加河流的净泄流量,淘汰污染物在河流中的滞留时间,因此对闸上水质有一定的改善作用。可见,河口建闸需要以流域截污治污为基础,且建闸前后闸址处污染物通量的变化情况是权衡水体水质改善与否的重要因素。图15 各水质点氨氮浓度变化图16 盘算周期内氨氮浓度均值图17 各水质点氨氮浓度变化本研究分析了感潮河段河口建闸对闸上水质的影响,展现了河口闸对闸上水质影响的一般纪律,研究结果可供茅洲河水情况治理的相关决议提供参考,也可为其他流域的河口闸建设研究提供参考。

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