陳鎮(zhèn)杰

（東莞市水務局（東莞市運河治理中心），廣東 東莞 523000）

1 應急工程方案

根據咸潮活動規(guī)律，結合現場實際情況，擬定了3個擋潮防咸方案：①方案1：在支流上設置高埗水閘、厚街水閘、赤滘水閘3座，通過關閉閘門來實現外海擋潮。 ②方案2：通過設置圍堰封堵大王洲南汊及南北汊之間的連通水道， 實現東江三角洲擋潮防咸。 ③方案3：通過設置圍堰封堵大王洲南汊以及北汊，保證東江三角洲壓咸效果。 方案對比如圖1。

圖1 應急擋潮防咸方案

2 數學模型構建

2.1 三維咸潮模型構建

采用SCHISM模型模擬珠江河口的咸淡水混合過程，計算東江三角洲咸潮活動規(guī)律。模型是一個三維斜壓、 跨尺度環(huán)流模型， 其計算范圍為112.6°E～113.6°E；21°N～23.6°N，計算選取西江的高要、北江的石角、東江的博羅、流溪河及潭江上游作為上邊界，下邊界取約100m等深線處。 計算模型采用全三角形的非結構網格，可比較精確地貼合復雜的河岸邊界。經分析，模型網格共計101265個節(jié)點，172246個網格單元，網格單元的大小為10～12000m。 模型垂向上采用Sigma坐標，共分10層，分層厚度隨水深而變化。

模型參數設定為：①采用斜壓模式進行計算，其中外海鹽度邊界取34 （取值依據為邊界點處的WOA09鹽度資料的年平均值），上游邊界鹽度均設為0。②水平網格內部各節(jié)點的初始鹽度采用以下方法設定：海域節(jié)點采用WOA09鹽度資料進行插值，網河節(jié)點則直接設為0。 模型的干濕判定水深選取0.01m。③模型計算的基準面為珠基，計算時間步長為120s，冷啟動，網格內各節(jié)點初始水位均設為0m，模型計算50h后水位穩(wěn)定，計算約15d后鹽度場達到穩(wěn)定。

2.2 一維水流水質模型構建

一維水流水質計算模型是基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維非恒定流Saint-Venant方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)。

計算模型范圍包含東江三角洲干流及各類主要支流共34條， 模擬的物質包括氨氮、BOD兩種物質，物質在輸移過程中通過物理、 化學及生物的作用發(fā)生濃度衰減， 其衰減系數反映了污染物在水體作用下降解速度的快慢。為使模型盡快收斂，設置一定的初始水位與污染物濃度：模型的初始水位設定為0m，溶解氧初始濃度設為6mg/L， 氨氮濃度0.5mg/L，BOD初始濃度為1.5mg/L。

3 模型驗證

3.1 三維咸潮模型驗證

（1）水動力驗證。采用2019年東江三角洲同步觀測水文數據對模型進行水動力驗證。驗證結果顯示，潮位的模擬值與實測值符合性較好， 計算時段內實測斷面水位誤差平均值均小于0.1m， 流量相對誤差均在10%以內，滿足相關規(guī)范的要求，可見模型中各河道糙率的選取是符合實際情況的。

（2）水位及鹽度驗證。采用2021年4月份的泗盛、大盛水位及東莞市第二水廠、第三水廠、第四水廠和萬江水廠的取水口含氯度對模型進行驗證。 結果顯示，各測站潮位過程模型相位與實測基本一致，潮位平均誤差最大偏差為0.18m，結果良好；且鹽度的模擬值與實測值吻合較好， 基本上能反映東江三角洲網河區(qū)咸潮活動情況。 綜上，模型驗證情況良好，可用于下一步模擬計算。

3.2 一維水流水質模型驗證

（1）水動力模型的率定及驗證。糙率范圍控制在0.023～0.045之間， 其中低糙率主要集中在下游平原河網區(qū)域。 驗證結果顯示，潮位、流量相位之間的誤差小于0.10h， 潮位的模擬值與實測值吻合較好；計算時段內實測斷面水位誤差平均值均小于0.1m，流量相對誤差均在10%以內，滿足相關規(guī)范要求。 可見模型中各河道糙率的選取是符合實際情況的， 可用于下一步水質模擬計算。

（2）水質模型的率定及驗證。應用率定好的水質參數運行模型，并提取模擬結果。 氨驗證結果顯示，模型中各項物質的濃度變化趨勢與規(guī)律基本與實測結果一致， 除部分區(qū)域受支流排水的影響出現波動外，其他位置的物質濃度與實測結果匹配度較高，可認為模型能夠較準確反映模擬時段內各類物質的濃度變化過程與規(guī)律。

4 模型計算結果分析

4.1 防咸效果分析

模型下邊界采用2021年12月至2022年1月的潮邊界過程， 上游博羅水文站采用2022年1月平均流量，即220m3/s，計算兩個月的咸潮活動情況，并采用后一個月的咸潮情況進行分析， 水質咸度超標小時數如表1。 經分析可知，各方案均能起到一定的擋潮防咸效果，方案3最優(yōu)，其次為方案1，最后為方案2。從結果來看，各方案對第三水廠、東城及新塘水廠是利好的，而對第二水廠則不利。 綜合以上情況，從防咸效果方面推薦方案3作為防咸應急方案。

表1 不同方案下各水廠水質咸度超標小時數

4.2 水質影響分析

4.2.1 常規(guī)水質影響分析

計算模型初始條件及污染物以2020年東江干流實測水質資料為基礎， 結合排污口分布及污染物濃度的沿程變化，設置水質初始值及排污情況。水動力方面，上游以2021年12月至2022年1月的流量平均值作為邊界，下游為對應的潮位過程。 由于前述方案3是以方案2為基礎， 故水質的影響計算僅考慮方案2及方案3。 各廠平均水質統(tǒng)計如表2。

表2 工程實施后各主要水廠平均水質統(tǒng)計

結果表明：①實施應急工程后，兩方案下第二水廠、第三水廠、第六水廠取水口處水質均有好轉，且全部堵住后水質更好，這主要是因為東江南支流水質沿程變差，越往下游污染物濃度越高，因此當堵住分汊后，下游污染物無法上溯到上游，因此水質總體好轉。說明水質的變化主要是沿程污染物的輸入，當堵住分汊后，可大大減小流域上游污染物下泄量。 ②新塘水廠取水口處水質較工程前稍變差，且全部堵住后水質最差，主要是因為東江南支流堵住后，東江北干流分流比將增加，相應的污染物濃度也會有所增加。

4.2.2 突發(fā)水污染影響分析

計算模型初始條件為水質濃度0mg/L。 水動力方面，上游以2021年12月—2022年1月的流量平均值作為邊界，下游為對應的潮位過程。假設從上游博羅水文站有一突發(fā)污染源，從計算開始后開始排放，結合污染物的擴散規(guī)律研究應急工程在突發(fā)污染情況下的影響。實施應急工程后各主要水廠平均水質統(tǒng)計如表3。

表3 各主要水廠突發(fā)污染物平均濃度統(tǒng)計

4.3 防洪影響分析

防洪影響分析選取5年一遇洪水遭遇5年一遇外江設計潮位，并采用恒定流計算。工程實施后東江北干流、南支流水位變化統(tǒng)計如表4。

表4 工程實施后干、支流水位變化統(tǒng)計

結果表明，作為推薦工程的方案3對行洪具有較大不利影響。 因此，若為了防咸保供水，確需實施該方案時，則必須制定相應的應急預案，做好氣象、水文預報，提前預測上游來水情況，并針對來水預判防洪形勢，必要時須及時、迅速拆除工程圍堰，恢復河道行洪過流能力。

5 結語

（1）建立了覆蓋東江三角洲網河區(qū)及干流的大范圍三維咸潮計算模型、一維水流水質數學模型，通過對模型進行率定及驗證，其誤差滿足相關規(guī)范要求，可用于后續(xù)模擬計算。

（2）根據模擬計算結果，3種方案有一定的擋潮防咸效果，經綜合分析，方案3最優(yōu)，其次為方案1，最后為方案2。 水質影響計算結果表明，工程實施后對東江南支流沿線水廠水質不會產生負面影響， 而對于東江北干流的新塘水廠，水質會較現狀稍差。在遭遇干流突發(fā)污染事件時，各廠水質均會較現狀稍差。且實施應急工程后對河道行洪均有不利影響。

（3）根據三維咸潮模型的計算結果，方案3能夠防止咸潮上溯，而其他方案僅能應對部分情況，因此從實施條件、經濟性、有效性等方面考慮，方案3較優(yōu)。 但方案3依然存在水污染、防洪、通航等風險。 實施該工程必須加強突發(fā)污染事件的監(jiān)測， 同時做好防洪應急預案， 可為我國沿海區(qū)域枯水期抗旱防咸工作積累一定的現實經驗。