朱昆鵬，梁穎珊

(廣東省水文局廣州水文分局，廣東 廣州 510150)

1 概述

十八大以來，廣州市大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)[1]，全面開展了水環(huán)境綜合整治，采用污染源控制、截污、清淤和補(bǔ)水等措施，全市水環(huán)境得到明顯改善，河涌水質(zhì)顯著好轉(zhuǎn)，但部分河流(涌)的水質(zhì)仍為劣Ⅴ類[2]。河流(涌)現(xiàn)主要問題是快速發(fā)展對(duì)水環(huán)境的壓力持續(xù)增加[3]，上游源頭地區(qū)高速發(fā)展，水污染呈流域蔓延態(tài)勢(shì)，“微容量、重負(fù)荷”問題依然突出，水質(zhì)達(dá)標(biāo)形勢(shì)仍然嚴(yán)峻[4]。

廣佛跨界河流“兩涌一河”(蘆苞涌、西南涌和白坭河)地處珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)，位于北江大堤的中、下游堤段，是北江的分洪道[5]，流經(jīng)鴉崗附近匯入廣州河道的西航道，南流至白鵝潭，注入珠江。由于廣佛跨界河流沿岸工業(yè)排污口眾多、生活污水排污口密集，截污管網(wǎng)仍未實(shí)現(xiàn)完全覆蓋，初雨面源污染對(duì)水質(zhì)有較大影響[6]，河網(wǎng)水質(zhì)未達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象依然存在。

本文以廣佛跨界河流水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)探索為重點(diǎn)，建立一維與二維耦合的水環(huán)境模擬模型，計(jì)算廣佛跨界河流水域納污能力，確定生態(tài)流量，探索水質(zhì)變化趨勢(shì)進(jìn)行科學(xué)預(yù)報(bào)預(yù)警，系統(tǒng)推進(jìn)水環(huán)境監(jiān)控預(yù)警、水污染防治、水生態(tài)保護(hù)和水資源管理[7]。

2 研究?jī)?nèi)容與方法

2.1 水質(zhì)現(xiàn)狀

2019年10月，對(duì)西南涌、蘆苞涌、九曲河、新街河、白坭河、流溪河及其支涌進(jìn)行水質(zhì)采樣分析，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)各河涌及其支涌進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。 “兩涌一河”干流中，氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)3項(xiàng)指標(biāo)，除西南涌、蘆苞涌3項(xiàng)指標(biāo)均符合相應(yīng)水質(zhì)目標(biāo)外，其他的河涌均存在不同程度的超標(biāo)情況，超標(biāo)項(xiàng)目為氨氮、總磷。“兩涌一河”支涌中，氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)3項(xiàng)指標(biāo)，高錳酸鹽指數(shù)均能達(dá)到各支涌執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，化學(xué)需氧量、氨氮部分超標(biāo)。其中，化學(xué)需氧量有30條支涌超標(biāo)，占總調(diào)查數(shù)的48.4%；氨氮42條支涌超標(biāo)，占總調(diào)查數(shù)的67.8%。

“兩涌一河”各河流的點(diǎn)源入河排污口共64個(gè)，57個(gè)排污口水質(zhì)不滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)率為89%。主要原因是廣佛跨界流域人口密度較大，廣佛跨界河流“兩涌一河”受生活、農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)業(yè)等面源污染源及居民區(qū)或工廠企業(yè)入河排污口排污影響[8]，生活污染排放急劇增加、污水處理設(shè)施落后、周邊流域的生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重和農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖業(yè)盲目發(fā)展。

2.2 研究范圍

本文研究范圍為廣佛跨界“兩涌一河”流域(西南涌、蘆苞涌、流溪河口、新街河口、白坭河至鴉崗匯合口)集水區(qū)域，按照各分支水系匯水(排澇)區(qū)，結(jié)合區(qū)縣行政區(qū)邊界劃分控制單元(見圖1所示)。

圖1 “兩涌一河”研究范圍示意

2.3 研究?jī)?nèi)容

1) 以水質(zhì)水量同步監(jiān)測(cè)、河道地形測(cè)量、污染源(入河排污口)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查為基礎(chǔ)，在廣佛2市4區(qū)的人口、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等資料搜集及對(duì)河涌干流、支流、污染源、排污口調(diào)查和監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)“兩涌一河”的水質(zhì)狀況及主要污染來源。

2) 通過2018—2019年控制斷面水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)算重要控制斷面生態(tài)流量及主要污染控制因子(氨氮、高錳酸鹽指數(shù))的污染物通量。

3) 根據(jù)2次72 h同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、“兩涌一河”河道地形測(cè)量成果、水文特征、污染物特性，建立一、二維水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行率定驗(yàn)證。

4) 結(jié)合一、二維水動(dòng)力水質(zhì)模型計(jì)算的水質(zhì)、流速結(jié)果，計(jì)算“兩涌一河”流域納污能力和生態(tài)流量。

5) 依托一、二維水動(dòng)力水質(zhì)模型，結(jié)合水質(zhì)自動(dòng)站在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，建立水動(dòng)力與水質(zhì)模擬與展示系統(tǒng)，關(guān)聯(lián)水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)方案。

2.4 研究方法

1) 水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)。分別對(duì)2018—2019年“兩涌一河”流域進(jìn)行3次水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)。測(cè)量斷面分別為：西南涌水閘、蘆苞涌水閘、國(guó)泰水、新街河、流溪河南崗、佛山出口、金沙洲出口、白坭河大坳、老鴉崗、九曲河、魯崗橋、蘆苞。水量測(cè)驗(yàn)時(shí)間為連續(xù)72 h，每小時(shí)測(cè)流1次。

2) 河道地形測(cè)量。對(duì)廣佛交界的西航道進(jìn)行網(wǎng)格二維水下地形測(cè)量。地形測(cè)量起點(diǎn)：西航道大洲島尾，終點(diǎn)：中大、浮標(biāo)廠處(見圖2)。

圖2 “兩涌一河”二維模型實(shí)測(cè)地形示意

3) 水污染源調(diào)查。水污染源調(diào)查主要包括點(diǎn)源(工業(yè)、生活污染源)、內(nèi)源與面源調(diào)查，以實(shí)地調(diào)查、數(shù)據(jù)收集及成果應(yīng)用相結(jié)合的方式進(jìn)行，并以實(shí)地監(jiān)測(cè)進(jìn)行補(bǔ)充。調(diào)查內(nèi)容包括入河排污口的位置、類型、對(duì)應(yīng)的污染源，主要污染物(氨氮、高錳酸鹽指數(shù))入河量。

4) 根據(jù)水質(zhì)水量同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的合理性，進(jìn)而由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析“兩涌一河”水位、流量變化特征。對(duì)流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出重要汊口分流比，分析分流比的影響因素，結(jié)合分流比計(jì)算結(jié)果，分析“兩涌一河”現(xiàn)狀存在的問題。分析測(cè)量期的水質(zhì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)國(guó)考斷面及重要汊口污染物貢獻(xiàn)率，為國(guó)考斷面/重要汊口確權(quán)劃界提供數(shù)據(jù)支撐。

5) 一、二維耦合感潮河段水動(dòng)力與水質(zhì)模型建立及參數(shù)率定。根據(jù)廣佛跨界河流干流及主要河涌集水范圍及現(xiàn)狀污水處理廠布局，將廣佛跨界河流流域各控制單元的入河排污口進(jìn)行概化，利用同步水文、水質(zhì)實(shí)測(cè)資料對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證，其率定參數(shù)作為下一步納污能力計(jì)算的依據(jù)。

6) 生態(tài)流量計(jì)算與納污能力計(jì)算。根據(jù)水文觀測(cè)數(shù)據(jù)和枯水期流量，計(jì)算河流最小生態(tài)流量。根據(jù)廣佛跨界河流的水動(dòng)力和水環(huán)境條件，建立一維-二維耦合感潮河段水動(dòng)力與水質(zhì)模型。結(jié)合廣佛跨界河流水質(zhì)目標(biāo)、水質(zhì)現(xiàn)狀、污染物(氨氮與高錳酸鹽指數(shù))排放及入河情況，計(jì)算納污能力。

7) 水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)。綜合水質(zhì)、水情及排污口監(jiān)測(cè)信息，采用水動(dòng)力模型及水質(zhì)模型進(jìn)行計(jì)算，模擬預(yù)測(cè)河段內(nèi)水質(zhì)變化情況，依據(jù)水質(zhì)模擬結(jié)果實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的預(yù)警預(yù)報(bào)。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型建立

1) 模型類型

對(duì)廣佛交界的西航道開展水下地形測(cè)量，起點(diǎn)為西航道大洲島尾，終點(diǎn)為中大、浮標(biāo)廠處，構(gòu)建一維-二維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型(見圖3)。

圖3 模型計(jì)算范圍示意

2) 邊界條件

① 一維模型上邊界為西南水閘、蘆苞水閘、國(guó)泰水、新街河、流溪河南崗，下邊界為鴉崗；

② 二維模型上邊界為鴉崗，下邊界為中大水文站、浮標(biāo)廠水文站；

③ 根據(jù)中大、浮標(biāo)廠水文站實(shí)測(cè)資料，選取出168 h的大、中、小潮潮位變化過程，作為模型計(jì)算下邊界；

④ 模型耦合邊界為鴉崗斷面。

3) 邊界流量

白云湖引水量取10 m3/s、國(guó)泰水入流量取3 m3/s、新街河入流量取6 m3/s、流溪河入流量取32 m3/s。

4) 水質(zhì)指標(biāo)

水質(zhì)指標(biāo)包括氨氮及高錳酸鹽指數(shù)。

5) 污染物

根據(jù)入河排污口調(diào)查與監(jiān)測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)分析各控制單元廢污水入河量和主要污染物入河量，將排污口水量及污染物濃度作為旁側(cè)入流(點(diǎn)源)加入一維或二維模型中。

6) 模型驗(yàn)證

采用2019年3月21日—2019年3月22日實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)用于率定與驗(yàn)證。

7) 精度控制

根據(jù)模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差，誤差多在10%以內(nèi)，相距較遠(yuǎn)的九曲河相對(duì)誤差偏大，在20%以內(nèi)。

3.2 計(jì)算結(jié)果

1) 水域納污能力

根據(jù)廣東省、廣州市、佛山市水功能區(qū)劃，確定了各河流、水庫(kù)水功能區(qū)2020年的水質(zhì)目標(biāo)，本次以該目標(biāo)計(jì)算各水功能區(qū)納污能力(見表1)。由計(jì)算結(jié)果可知：根據(jù)“兩涌一河”流域納污能力計(jì)算結(jié)果，西南涌佛山工業(yè)農(nóng)業(yè)用水區(qū)高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為22 076 t/a、1 384 t/a；西南涌佛山廣州過渡區(qū)高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為690 t/a、30t/a；蘆苞涌高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為20 135 t/a、1 345t/a；白坭河高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為3 989 t/a、201 t/a；九曲河開發(fā)利用區(qū)高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為78 t/a、3 t/a。

表1 “兩涌一河”水功能區(qū)納污能力計(jì)算結(jié)果

2) 生態(tài)流量確定

蘆苞水閘、西南水閘(簡(jiǎn)稱“兩閘”)在確保北江石角和河口的生態(tài)流量目標(biāo)(石角斷面230 m3/s，河口斷面270 m3/s)基礎(chǔ)上，通過兩水閘的調(diào)度引水，整體達(dá)到跨界河流生態(tài)流量保障目標(biāo)。運(yùn)用已率定驗(yàn)證的廣佛跨界河流一維水動(dòng)力-水質(zhì)模型，運(yùn)用7Q10法，采用P=90%保證率最枯連續(xù)7 d的平均流量作為河流生態(tài)環(huán)境最小流量設(shè)計(jì)值(見表2)。

表2 廣佛跨界河流生態(tài)環(huán)境最小流量設(shè)計(jì)值 m3/s

3) 水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)

構(gòu)建廣佛跨界河流水動(dòng)力與水質(zhì)模擬及展示系統(tǒng)，以水雨情水質(zhì)數(shù)據(jù)管理、水動(dòng)力水質(zhì)模型運(yùn)算及可視化為核心需求導(dǎo)向，以網(wǎng)頁(yè)B/S為建設(shè)及應(yīng)用架構(gòu)，以面向?qū)ο蠹懊嫦蚍?wù)為研發(fā)導(dǎo)則，結(jié)合二維WebGIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)域水動(dòng)力水質(zhì)模型的綜合集成與水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模塊初探，為廣佛跨界河流的水動(dòng)力水質(zhì)模擬及預(yù)警預(yù)報(bào)提供直觀化、智能化決策支撐。

廣佛跨界河流水動(dòng)力與水質(zhì)模擬及展示系統(tǒng)需求分為3個(gè)方面：數(shù)據(jù)管理需求、模型集成及可視化需求、模型實(shí)時(shí)計(jì)算需求。

① 數(shù)據(jù)管理需求：水情、水質(zhì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的查詢管理；污染源及調(diào)研數(shù)據(jù)的查詢管理。主要依托二維GIS地圖，結(jié)合圖表聯(lián)動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)展示(見圖4)。

圖4 一二維水質(zhì)動(dòng)畫模擬界面示意

② 模型集成及可視化需求：對(duì)模型及相關(guān)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，在系統(tǒng)中進(jìn)行綜合集成；對(duì)水動(dòng)力水質(zhì)模型一維、二維成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化及可視化?？梢暬矫姘阂欢S流場(chǎng)、一二維水質(zhì)、二維粒子示蹤、調(diào)水路線、相關(guān)圖表等(見圖5)。

圖5 系統(tǒng)粒子示蹤模塊界面示意

③ 模型實(shí)時(shí)計(jì)算需求：在模型集成的基礎(chǔ)上，用戶指定水動(dòng)力水質(zhì)邊界及相關(guān)模型參數(shù)，接入水質(zhì)自動(dòng)站在線水質(zhì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的模型計(jì)算與成果轉(zhuǎn)化，超出河段水質(zhì)控制目標(biāo)即進(jìn)行示警和短信報(bào)送。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1) 廣佛跨界流域人口密度較大、工廠較多、周邊農(nóng)業(yè)種植及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)較為發(fā)達(dá)[9]，廣佛跨界河流受點(diǎn)源、面源污染影響，均存在不同程度的水質(zhì)超標(biāo)現(xiàn)象，主要污染物為氨氮、總磷、化學(xué)需氧量。

2) 根據(jù)2018年8月、2019年3月、2019年7月的水質(zhì)水量同步測(cè)驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)計(jì)算，鴉崗斷面氨氮、高錳酸鹽指數(shù)在濃度及凈污染物通量均呈下降趨勢(shì)。

3) 廣佛跨界河流生態(tài)流量保障措施主要分為東北片區(qū)的流溪河流域生態(tài)流量保障、西北片區(qū)通過兩閘從北江引水(分水)及流域內(nèi)區(qū)間河涌的生態(tài)補(bǔ)水等3部分，通過實(shí)施保障措施，可改善內(nèi)河涌水動(dòng)力條件，實(shí)現(xiàn)河涌生態(tài)補(bǔ)水，提高水體自凈能力。

4) 當(dāng)上邊界給同一引水量時(shí)，水流傳至鴉崗斷面的時(shí)間隨小、中、大潮依次減少；傳播時(shí)間隨引水量增加逐漸減少；引水量為50 m3/s時(shí)，傳播時(shí)間最長(zhǎng)，引水量為300 m3/s，傳播時(shí)間最短。

5) 根據(jù)“兩涌一河”流域納污能力的計(jì)算結(jié)果，西南涌佛山工業(yè)農(nóng)業(yè)用水區(qū)高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為22 076 t/a、1 384 t/a；西南涌佛山廣州過渡區(qū)高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為690 t/a、30 t/a；蘆苞涌高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為20 135 t/a、1 345 t/a；白坭河高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為3 989 t/a、201 t/a；九曲河開發(fā)利用區(qū)高錳酸鹽和氨氮的納污能力分別為78 t/a、3 t/a。

4.2 建議

“兩涌一河”流域有大坳省考斷面和鴉崗國(guó)考斷面。根據(jù)《廣州市水環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)方案》，按照水環(huán)境質(zhì)量“只能更好、不能變壞”的原則，2019年，鴉崗斷面水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)；大坳斷面水質(zhì)力爭(zhēng)達(dá)到Ⅳ類；2020年，各斷面保持穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。對(duì)此，以下提出幾點(diǎn)建議。

1) 本次模型構(gòu)建范圍為“兩涌一河”流域，難以全面、真實(shí)的范圍廣佛地區(qū)水質(zhì)、水量的信息的變化。建議后期擴(kuò)大模型構(gòu)建范圍，結(jié)合西南水閘和蘆苞水閘的調(diào)度管理，使北江水順利流入西南涌和蘆苞涌，通過實(shí)施保障措施，改善內(nèi)河涌水動(dòng)力條件，實(shí)現(xiàn)河涌生態(tài)補(bǔ)水，提高水體自凈能力。

2) 加強(qiáng)廣佛跨界河流水質(zhì)仿真模擬，定量評(píng)估“兩涌一河”流域重污染河涌排污對(duì)斷面水質(zhì)的影響。充分考慮支涌匯流影響，需要將廣佛跨界河流攻堅(jiān)范圍匯入“兩涌一河”流域的支涌，做到統(tǒng)籌全局、精細(xì)化模擬。

3) 流溪河調(diào)水能力深入挖潛，應(yīng)增加評(píng)估流溪河上游水庫(kù)調(diào)度對(duì)鴉崗斷面水質(zhì)改善效果。增加對(duì)流溪河水量調(diào)度方案的數(shù)值模擬，評(píng)估流溪河水庫(kù)日常生態(tài)補(bǔ)水、應(yīng)急調(diào)度方案對(duì)鴉崗斷面水質(zhì)的影響。通過典型年份的模擬調(diào)度，總結(jié)提煉流溪河水庫(kù)、黃龍帶水庫(kù)的生態(tài)補(bǔ)水方案。

4) 通過建立健全水域納污紅線管理問責(zé)體系[10]，完善水域監(jiān)測(cè)體系，建立流域水資源保護(hù)和水污染防治協(xié)調(diào)機(jī)制，建立水功能區(qū)限制納污紅線管理制度。

5) 加強(qiáng)佛山、廣州兩市的協(xié)同治污模式[11]，理清“兩涌一河”污染治理上下游各市的責(zé)任，并在實(shí)施中做到同步啟動(dòng)，同步推進(jìn)，打破跨界河流污染治理中各自為政的局面[12]。

6) 加大工程措施對(duì)提高水體納污能力的研究：主要有水工程調(diào)度、引水減污、疏浚清淤等工程措施的研究。水工程調(diào)度主要適用于有閘壩控制的水體，應(yīng)結(jié)合水情、自然條件，加強(qiáng)水量調(diào)度，提出調(diào)度方案。引水減污應(yīng)提出具體的工程規(guī)模、調(diào)水量，并分析提高水資源承載力的效果以及減污效果。

7) 嚴(yán)格限制在現(xiàn)狀水質(zhì)較好的區(qū)域建設(shè)大規(guī)模、重污染的開發(fā)項(xiàng)目。開展生態(tài)修復(fù)、重視面源和內(nèi)源治理、加強(qiáng)水功能區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)和主要入河排污口污染物監(jiān)測(cè)。