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摘要：为研究水乡河网水循环效果，本文结合鹤山市古劳水乡建立了零维水质模型，以COD和氨氮为控制指标，结合当地工程制定水循环方案，采用模型分析水乡引排换水水质更新效果。结果表明，水循环方案实施后，可通过调度泵站实现引排换水，水质改善效果明显。该结果可在一定程度上指导水乡水循环整治工作的开展。
关键词：古劳水乡；水循环；引排换水；零维水质模型
近年来，下游水位逐年降低使古劳水乡枯水期与西江水体难以得到有效交换，并且沙坪河需要在枯水期维持一定的景观水位，使得水乡原有的依靠潮汐动力的水循环体系失去作用，而周边污水排放污染水质，水环境质量大不如前，严重影响水乡旅游、经济的健康发展。因此重构有效的水循环体系十分必要。本文通过制定水循环方案，采用模型分析水乡水质更新效果，并对有关问题进行探讨。
1研究区域介绍
1.1研究对象
古劳水乡位于广东省鹤山市古劳镇，沙坪河堤以东、西江大堤以西，坦尾电排站北渠以南、沙坪镇坡山以西的区域，总面积10.82km2。水乡水网纵横交错，除了与西江大堤、沙坪河堤走向一致的堤后河涌外，还有大量密布的内涌连通两条堤后河，以及与内涌相连的横海浪、磨耳氹等湖泊，研究范围内河涌总长度约38.8km，平均河底高程约-1m。
图1研究范围示意图
1.2工程体系
（1）坦尾排涝站位于西江右岸，设计排水流量24m3/s，设计引水流量10m3/s，承担了整个水乡的引水、排涝任务。
（2）新氹泵站位于水乡西北角，设计流量7m3/s，从围内抽水至升平河，与坦尾排涝站配合使用可实现水乡水体的转换更新。
（3）由于坦尾排涝站距南部较远，为改善南部的排涝效果，拟建新星泵站（设计流量为7.23m3/s）一座，承担南部的排涝任务。
本文基于现状及规划的工程体系，分析基于泵站联动水乡河网水循环效果。
2分析方法
为判断引排换水水质更新效果，建立零维水质模型，根据制定的水循环方案，利用数学模型分析水质更新效果。
2.1水循环方案
（1）工程运行方案
利用泵站运行实现水体循环更新，具体操作时应先排后引：
①排：开启新氹和新星泵站排水出沙坪河，当围内水位达最低水位时，排水运行结束；
②引：排水结束后，开启坦尾排涝站，抽入西江水，直至围内水位达景观水位，引水结束，维持围内水位直到下一次换水。
图2描述了规划前后水循环体系的变化以及水流的大致流向。现状水循环体系引排水的流向基本相反，不利于污染物迁移扩散，而且南部引排水路径较远，难实现有效循环；规划水循环体系引水工况维持现状不变，排水工况南部流向发生了变化，基本与引水流向一致，且大大缩短排水路径，水循环效果更优。
图2 规划前后的水循环体系示意图
（2）水位的确定
①现状河涌水位一般控制在0.6~0.7m，当河涌水位达到0.8m时，坦尾排涝站需要作开泵抽水的准备。综合考虑下，河涌景观水位选定为0.8m和1.2m，在塘基未完全加高的情况下，以0.8m作为景观水位，在塘基加高满足河涌蓄水要求后，可将景观水位提升至1.2m。
②根据水乡的实际情况，计算不同方案下的更新水量、比例、引排水时间等参数，见表1。综合考虑，确定水循环工况下的最低水位为0m较为合适。
表1 不同水位组合下的水循环参数计算结果
2.2零维水质模型
模型原理如下[1]：
假定水体内部混掺均匀水质一致；设水池内水体体积为V，初始时刻某种污染物浓度为C0；每次换水操作的间隔期（T）内由周边污染源产生且排入该水池的污染物总量为αC0V；设引入的水体中该污染物浓度为α1C0；每次引入或排出的水体体积与水体体积V之比（更新水比例）为1-β（β为每次排水结束后残留在水池内的水体体积占水体体积V的比例）；由周边污染源排入该水池的污水体积与水体积V相比，数量很小，在扣除水池的蒸发损失和其他损失以后，该污水的体积影响可忽略不计。为了便于分析，进一步假定水池排水后再充水是瞬间完成的，在下述模型中，假定污染物服从零阶（保守性物质）或一阶降解，降解系数为K。
污染物的平均浓度C可用下列微分方程描述：
2.3参数选定
（1）降解系数
根据河段的污染特性，以COD和氨氮为污染物计算指标。参考近年各流域河流采用的降解系数[2]，本次取0.02/d作为COD、氨氮的降解系数。
（2）西江水质
参考西江鹤山段古劳断面氨氮和高锰酸盐指数（CODMn）全年浓度值[3]，按高锰酸盐指数与COD之间的经验关系估算，本次计算以COD8mg/L和氨氮0.2mg/L作为引入水体的污染物浓度。
（3）周边环境排污强度估算
水乡污染源主要是生活污水排放。
水乡常住人口约1.5万，珠江三角洲地区农村居民生活用水定额为150L/（人?天）[3]，按0.8的排放系数计算，未处理的生活污水COD和氨氮排放浓度取经验值250mg/L和25mg/L，从而估算COD和氨氮的排放强度分别为0.5625和0.05625t/d。
（4）初始水质
水乡内部河涌的水质类别为Ⅲ~Ⅳ类，表2为各类水质的浓度限值[4]，取Ⅲ~Ⅳ类水的COD和氨氮浓度限值作为初始水质条件进行计算。
表2 不同水质类别的COD和氨氮的浓度限值
3计算结果及分析
为定量分析水质更新效果，本次取7天为换水周期，根据前面的分析，景观水位取0.8m和1.2m，排水最低水位取0m，将参数代入模型，计算得不同次数换水操作后水体中污染物浓度（见图3）：
（1）污染物浓度均呈现随着换水次数增加而减小的变化趋势，前五次换水的水质改善效果最为明显。
（2）虽然在5~6次换水后，继续换水已不能显著改善水质，但水乡内部会不断有污染负荷排入，继续换水可以起到维持水体水质状态的作用。
（3）同等条件下高景观水位的污染物计算浓度显然低于低景观水位，说明适当提高河涌蓄水水位对水生态环境的改善是有利的。
（4）对于同一景观水位方案，经多次换水操作后，不同初始水质类别的污染物浓度将趋于相同。若初始水质较好，则能更早地达到稳定的水质状态。
（5）在水循环方案实施一段时间后，水体中COD、氨氮浓度分别满足Ⅰ、Ⅱ类水质标准，水质改善效果明显，说明以7天为换水周期是合理的，由于排引水总时间在2~2.5天，因此每个周期内水乡能够维持景观水位的时间为4.5~5天。
图3水体中COD及氨氮浓度的变化
4 结论
（1）水循环方案实施后，可通过调度泵站实现引排换水，换水5~6次后水质改善作用基本上接近最大，COD、氨氮浓度可分别改善到Ⅰ、Ⅱ类水质标准，水质改善效果明显。
（2）水循环方案实施后，水循环控制性工程布局更加完善，排涝及水循环体系趋于合理，能有效改善水体环境，更好地助力水乡旅游、经济建设的发展。
（3）换水周期可根据实际需要调整，缩短换水周期获得更好的水环境效益的同时增加了运行成本，虽然本次暂定换水周期为7天，但实际运行时，应根据水体的更新效果对换水周期进行优化调整，找到经济、环境的平衡点。
参考文献
[1]河海大学. 江门市天沙河流域引水增流改善水环境数学模型计算研究报告[R]. 2002.
[2]江门市水利水电勘测设计院有限公司. 江门市水资源及其开发利用调查评价研究报告[R]. 2015.
[3]广东省水文局江门水文分局. 鹤山市水资源综合规划（2013-2030）[R]. 2016.
[4] DB44/T 1461-2014，广东省用水定额[S].
[5]GB 3838-2002，地表水环境质量标准[S].
论文作者:张家鸣
论文发表刊物:《防护工程》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/25
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