廣佛跨界河流水質預警預報探索與研究

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，廣州市大力推進生態(tài)文明建設[1]，全面開展了水環(huán)境綜合整治，采用污染源控制、截污、清淤和補水等措施，全市水環(huán)境得到明顯改善，河涌水質顯著好轉，但部分河流(涌)的水質仍為劣Ⅴ類[2]。河流(涌)現(xiàn)主要問題是快速發(fā)展對水環(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，“微容量、重負荷”問題依然突出，水質達標形勢仍然嚴峻[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，截污管網仍未實現(xiàn)完全覆蓋，初雨面源污染對水質有較大影響[6]，河網水質未達標的現(xiàn)象依然存在。

本文以廣佛跨界河流水質預警預報探索為重點，建立一維與二維耦合的水環(huán)境模擬模型，計算廣佛跨界河流水域納污能力，確定生態(tài)流量，探索水質變化趨勢進行科學預報預警，系統(tǒng)推進水環(huán)境監(jiān)控預警、水污染防治、水生態(tài)保護和水資源管理[7]。

2 研究內容與方法

2.1 水質現(xiàn)狀

2019年10月，對西南涌、蘆苞涌、九曲河、新街河、白坭河、流溪河及其支涌進行水質采樣分析，并根據檢測結果對各河涌及其支涌進行分析評價。 “兩涌一河”干流中，氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)3項指標，除西南涌、蘆苞涌3項指標均符合相應水質目標外，其他的河涌均存在不同程度的超標情況，超標項目為氨氮、總磷。“兩涌一河”支涌中，氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)3項指標，高錳酸鹽指數(shù)均能達到各支涌執(zhí)行標準，化學需氧量、氨氮部分超標。其中，化學需氧量有30條支涌超標，占總調查數(shù)的48.4%；氨氮42條支涌超標，占總調查數(shù)的67.8%。

“兩涌一河”各河流的點源入河排污口共64個，57個排污口水質不滿足相應標準，超標率為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、農業(yè)、水產業(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、污水處理設施落后、周邊流域的生態(tài)環(huán)境破壞嚴重和農業(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 研究內容

1) 以水質水量同步監(jiān)測、河道地形測量、污染源(入河排污口)現(xiàn)場調查為基礎，在廣佛2市4區(qū)的人口、農業(yè)、工業(yè)、水產養(yǎng)殖業(yè)等資料搜集及對河涌干流、支流、污染源、排污口調查和監(jiān)測基礎上，評價“兩涌一河”的水質狀況及主要污染來源。

2) 通過2018—2019年控制斷面水質水量監(jiān)測數(shù)據，測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2次72 h同步監(jiān)測數(shù)據、“兩涌一河”河道地形測量成果、水文特征、污染物特性，建立一、二維水動力水質數(shù)學模型，并進行率定驗證。

4) 結合一、二維水動力水質模型計算的水質、流速結果，計算“兩涌一河”流域納污能力和生態(tài)流量。

5) 依托一、二維水動力水質模型，結合水質自動站在線監(jiān)控數(shù)據，建立水動力與水質模擬與展示系統(tǒng)，關聯(lián)水質預警預報方案。

2.4 研究方法

1) 水質水量監(jiān)測。分別對2018—2019年“兩涌一河”流域進行3次水質水量監(jiān)測。測量斷面分別為：西南涌水閘、蘆苞涌水閘、國泰水、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。水量測驗時間為連續(xù)72 h，每小時測流1次。

2) 河道地形測量。對廣佛交界的西航道進行網格二維水下地形測量。地形測量起點：西航道大洲島尾，終點：中大、浮標廠處(見圖2)。

圖2 “兩涌一河”二維模型實測地形示意

3) 水污染源調查。水污染源調查主要包括點源(工業(yè)、生活污染源)、內源與面源調查，以實地調查、數(shù)據收集及成果應用相結合的方式進行，并以實地監(jiān)測進行補充。調查內容包括入河排污口的位置、類型、對應的污染源，主要污染物(氨氮、高錳酸鹽指數(shù))入河量。

4) 根據水質水量同步監(jiān)測數(shù)據，驗證實測數(shù)據的合理性，進而由實測數(shù)據分析“兩涌一河”水位、流量變化特征。對流量數(shù)據統(tǒng)計分析，得出重要汊口分流比，分析分流比的影響因素，結合分流比計算結果，分析“兩涌一河”現(xiàn)狀存在的問題。分析測量期的水質數(shù)據，統(tǒng)計國考斷面及重要汊口污染物貢獻率，為國考斷面/重要汊口確權劃界提供數(shù)據支撐。

5) 一、二維耦合感潮河段水動力與水質模型建立及參數(shù)率定。根據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行概化，利用同步水文、水質實測資料對模型參數(shù)進行率定和驗證，其率定參數(shù)作為下一步納污能力計算的依據。

6) 生態(tài)流量計算與納污能力計算。根據水文觀測數(shù)據和枯水期流量，計算河流最小生態(tài)流量。根據廣佛跨界河流的水動力和水環(huán)境條件，建立一維-二維耦合感潮河段水動力與水質模型。結合廣佛跨界河流水質目標、水質現(xiàn)狀、污染物(氨氮與高錳酸鹽指數(shù))排放及入河情況，計算納污能力。

7) 水質預警預報。綜合水質、水情及排污口監(jiān)測信息，采用水動力模型及水質模型進行計算，模擬預測河段內水質變化情況，依據水質模擬結果實現(xiàn)水質的預警預報。

3 結果與分析

3.1 模型建立

1) 模型類型

對廣佛交界的西航道開展水下地形測量，起點為西航道大洲島尾，終點為中大、浮標廠處，構建一維-二維水動力水質耦合模型(見圖3)。

圖3 模型計算范圍示意

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、浮標廠水文站；

③ 根據中大、浮標廠水文站實測資料，選取出168 h的大、中、小潮潮位變化過程，作為模型計算下邊界；

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) 水質指標

水質指標包括氨氮及高錳酸鹽指數(shù)。

5) 污染物

根據入河排污口調查與監(jiān)測資料，統(tǒng)計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入流(點源)加入一維或二維模型中。

6) 模型驗證

采用2019年3月21日—2019年3月22日實測水文數(shù)據用于率定與驗證。

7) 精度控制

根據模擬值與實測值的相對誤差，誤差多在10%以內，相距較遠的九曲河相對誤差偏大，在20%以內。

3.2 計算結果

1) 水域納污能力

根據廣東省、廣州市、佛山市水功能區(qū)劃，確定了各河流、水庫水功能區(qū)2020年的水質目標，本次以該目標計算各水功能區(qū)納污能力(見表1)。由計算結果可知：根據“兩涌一河”流域納污能力計算結果，西南涌佛山工業(yè)農業(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)納污能力計算結果

2) 生態(tài)流量確定

蘆苞水閘、西南水閘(簡稱“兩閘”)在確保北江石角和河口的生態(tài)流量目標(石角斷面230 m3/s，河口斷面270 m3/s)基礎上，通過兩水閘的調度引水，整體達到跨界河流生態(tài)流量保障目標。運用已率定驗證的廣佛跨界河流一維水動力-水質模型，運用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)境最小流量設計值(見表2)。

表2 廣佛跨界河流生態(tài)環(huán)境最小流量設計值 m3/s

3) 水質預警預報

構建廣佛跨界河流水動力與水質模擬及展示系統(tǒng)，以水雨情水質數(shù)據管理、水動力水質模型運算及可視化為核心需求導向，以網頁B/S為建設及應用架構，以面向對象及面向服務為研發(fā)導則，結合二維WebGIS技術，實現(xiàn)了研究區(qū)域水動力水質模型的綜合集成與水質預警預報模塊初探，為廣佛跨界河流的水動力水質模擬及預警預報提供直觀化、智能化決策支撐。

廣佛跨界河流水動力與水質模擬及展示系統(tǒng)需求分為3個方面：數(shù)據管理需求、模型集成及可視化需求、模型實時計算需求。

① 數(shù)據管理需求：水情、水質實時數(shù)據與歷史數(shù)據的查詢管理；污染源及調研數(shù)據的查詢管理。主要依托二維GIS地圖，結合圖表聯(lián)動進行數(shù)據展示(見圖4)。

圖4 一二維水質動畫模擬界面示意

② 模型集成及可視化需求：對模型及相關輸入輸出數(shù)據進行預處理，在系統(tǒng)中進行綜合集成；對水動力水質模型一維、二維成果進行轉化及可視化?？梢暬矫姘阂欢S流場、一二維水質、二維粒子示蹤、調水路線、相關圖表等(見圖5)。

圖5 系統(tǒng)粒子示蹤模塊界面示意

③ 模型實時計算需求：在模型集成的基礎上，用戶指定水動力水質邊界及相關模型參數(shù)，接入水質自動站在線水質數(shù)據，進行實時的模型計算與成果轉化，超出河段水質控制目標即進行示警和短信報送。

4 結論與建議

4.1 結論

1) 廣佛跨界流域人口密度較大、工廠較多、周邊農業(yè)種植及水產養(yǎng)殖業(yè)較為發(fā)達[9]，廣佛跨界河流受點源、面源污染影響，均存在不同程度的水質超標現(xiàn)象，主要污染物為氨氮、總磷、化學需氧量。

2) 根據2018年8月、2019年3月、2019年7月的水質水量同步測驗結果及相關計算，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。

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)及流域內區(qū)間河涌的生態(tài)補水等3部分，通過實施保障措施，可改善內河涌水動力條件，實現(xiàn)河涌生態(tài)補水，提高水體自凈能力。

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

5) 根據“兩涌一河”流域納污能力的計算結果，西南涌佛山工業(yè)農業(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考斷面。根據《廣州市水環(huán)境質量達標方案》，按照水環(huán)境質量“只能更好、不能變壞”的原則，2019年，鴉崗斷面水質達到Ⅳ類標準；大坳斷面水質力爭達到Ⅳ類；2020年，各斷面保持穩(wěn)定達標。對此，以下提出幾點建議。

1) 本次模型構建范圍為“兩涌一河”流域，難以全面、真實的范圍廣佛地區(qū)水質、水量的信息的變化。建議后期擴大模型構建范圍，結合西南水閘和蘆苞水閘的調度管理，使北江水順利流入西南涌和蘆苞涌，通過實施保障措施，改善內河涌水動力條件，實現(xiàn)河涌生態(tài)補水，提高水體自凈能力。

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

3) 流溪河調水能力深入挖潛，應增加評估流溪河上游水庫調度對鴉崗斷面水質改善效果。增加對流溪河水量調度方案的數(shù)值模擬，評估流溪河水庫日常生態(tài)補水、應急調度方案對鴉崗斷面水質的影響。通過典型年份的模擬調度，總結提煉流溪河水庫、黃龍帶水庫的生態(tài)補水方案。

4) 通過建立健全水域納污紅線管理問責體系[10]，完善水域監(jiān)測體系，建立流域水資源保護和水污染防治協(xié)調機制，建立水功能區(qū)限制納污紅線管理制度。

5) 加強佛山、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任，并在實施中做到同步啟動，同步推進，打破跨界河流污染治理中各自為政的局面[12]。

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

7) 嚴格限制在現(xiàn)狀水質較好的區(qū)域建設大規(guī)模、重污染的開發(fā)項目。開展生態(tài)修復、重視面源和內源治理、加強水功能區(qū)的水質監(jiān)測和主要入河排污口污染物監(jiān)測。