潮汐河网闸泵联合调度的水环境效应数值模拟

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1、水利学报2011年4月SHUILIXUEBAO第42卷第4期文章编号：0559-9350（2011）04-0388-08潮汐河网闸泵联合调度的水环境效应数值模拟1，231，21，2江涛，朱淑兰，张强，陈晓宏（1.中山大学地理科学与规划学院水资源与环境系，广东广州510275；2.中山大学华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室，广东广州510275；3.广东省水利电力规划勘测设计研究院，广东广州510635）摘要：在已建立的西北江三角洲潮汐河网水量水质数学模型基础上，以COD为水质模拟因子，模拟分析了枯水期沙口、

2、石啃的闸泵站联合调度引水情景下佛山水道的水质改善效果。计算结果表明：（1）上游沙口泵站引水对河道上、下游水质均有一定改善效果；（2）中游石啃泵站引水能明显改善下游水质，但由于其引水对佛山涌涌口3以上河段的水流会造成明显的顶托作用，当沙口泵站引水流量小于10m/s时，随着石啃泵站引水量的增加，街边断面水质反而变差；（3）综合考虑各种引水方案下的水量水质模拟结果，要达到较好的水环境效应，沙口泵站引33水流量应在30m/s左右，而石啃泵站引水流量应控制在20m/s以下。关键词：潮汐河网；西北江三角洲；闸泵联合调度；水环境效应

3、；水量水质数学模型中图分类号：X143文献标识码：A1研究背景珠江三角洲是一个由珠江水系的西江、北江和东江及其众多支流携带泥沙在珠江口湾堆积形成的复合三角洲，是世界上水系最复杂的三角洲之一，属典型的潮汐河网。该地区人口高度集中，经济发展迅速，1980—2004年期间国内生产总值年均递增20%，但经济的高速发展导致该地区的水文［1］环境发生了显著变化。由于污水排放量大且集中珠江三角洲城市附近水体、尤其城市内河受到严重污染；同时，为保护主干河道水质，大规模地在城市内河筑闸，阻断了主干河道与城市内河间水体的自然交换，进一步加

4、剧了水体的污染。严峻的水环境问题已成为珠江三角洲地区社会经济发展的主要限制性因素。城市河道水环境综合治理包括减污、增容和生态修复等几个方面，其中，治理污染源、减少污染物排放量是根本途径，而引调清水以提高水体的同化自净能力、增加水环境容量则是一项迅速改［2-3］［4-7］善水质的重要且可行的措施之一。有关这方面的研究成果已有很多，但这些成果主要侧重于引水方案及其水环境效果的研究，而较少探讨水闸泵站联合引水对水质的影响及其相应的水动力学问题。在感潮河网区，通过水闸控制，利用潮汐引水已是一种被广泛应用的方法。但是，在感潮河道

5、，由于存在往复流，从而使通过引水改善水质的效果变得较为复杂，存在一些不确定性，同时，许多相关的水动力学问题尚未得到解决。鉴于此，本文通过建立西北江三角洲河网水量水质数学模型，重点模拟分析闸泵联合调度引水对西北江三角洲网河水系北江干流分支佛山水道的水质改善效果，探讨各种引水方案下佛山水道的水动力学特点及其对水质的影响。本文的研究可为佛山水道引水冲污方案的制定提供决策依据，也可为其它感潮河网地区引调清水工程的实施提供借鉴与理论支撑。收稿日期：2009-09-02基金项目：国家自然科学基金重点资助项目（50839005）；国

6、家自然科学基金资助项目（41071020）作者简介：江涛（1965-），女，浙江人，副教授，博士，主要从事水文与水环境研究。E-mail：eesjt@mail.sysu.edu.cn—388—2潮汐河网水量水质数学模型潮汐河网受径潮动力交互影响，各河道间水流相互掺混，流态复杂多变，污染物的输移扩散并无定向。考虑河流纵横交错及潮汐的往返回荡作用，为简化计算，本文潮汐河网区的水量水质计算采用断面平均的一维动态模型。2.1水量模型2.1.1控制方程采用描述河道非恒定流的一维圣维南方程组。连续方程：∂z1∂Qq+=（1）∂tB

7、∂xB动量方程：22gQ

8、Q

9、∂QæBQö∂z2Q∂QQ∂A∂t+ççgA-2÷÷∂x+A∂x=2∂x-2（2）èAøAcAR32式中：Q为流量，m/s；z为水位，m；A为断面过水面积，m；B为断面过水宽度，m；q为单位长度31/6河道的旁侧入流量，m（/m·s）；R为水力半径，m；c为谢才系数，c=R/n，n为糙率系数；g为重力2加速度，m/s；x、t分别为位置和时间的坐标。［8-9］2.1.2求解方法求解一维河网非恒定流水量模型的数值方法很多，其中三级联解法最为常用。该算法将河网分成微段、河段、节点三级，逐级处理，

10、再联合运算。本文采用四点加权Preissmann隐式差分格式离散圣维南方程组式（1）和式（2），利用消元法，经递推计算，忽略时间上标（n+1），得如下差分方程：Q=α+βz+δz；Q=θ+ηz+γz（3）jjjjjmj+1j+1j+1j+1j+11式中：α、β、δ、θ、η、γ为追赶系数。jjjj+1j+1j+1对河网中的任一单独河