劉明宇
(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510060)
摘要：隨著資源環(huán)境的日趨嚴(yán)峻，能源與水資源的結(jié)合利用成為當(dāng)前關(guān)注熱點(diǎn)。以廣州海珠生態(tài)城為例，探索了“水—能”結(jié)合利用方式，介紹了利用潮汐能調(diào)水補(bǔ)水工程，并評(píng)估了對(duì)水環(huán)境改善的效果。
潮汐能在廣州海珠生態(tài)城中的利用實(shí)踐
潮汐能在廣州海珠生態(tài)城中的利用實(shí)踐
劉明宇
(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510060)
摘要：隨著資源環(huán)境的日趨嚴(yán)峻，能源與水資源的結(jié)合利用成為當(dāng)前關(guān)注熱點(diǎn)。以廣州海珠生態(tài)城為例，探索了“水—能”結(jié)合利用方式，介紹了利用潮汐能調(diào)水補(bǔ)水工程，并評(píng)估了對(duì)水環(huán)境改善的效果。
廣州市海珠生態(tài)城位于廣州中南部珠江三角洲河網(wǎng)區(qū),由珠江前航道與珠江后航道環(huán)抱，面積為52 km2。區(qū)內(nèi)河涌縱橫，河涌水系總長(zhǎng)度為116 km。規(guī)劃區(qū)河涌分布密集，共有30多條不同大小的河涌，岸線總長(zhǎng)約48 km。較大的河涌有石榴崗河、黃埔涌、赤沙涌、海珠涌、北濠涌、土華涌等,前、后航道屬?gòu)搅鞒绷鞴餐饔玫暮佣巍：樗竟?jié)以徑流為主，枯水季節(jié)以潮流為主。各河涌出口均有水閘控制，內(nèi)涌水位受水閘調(diào)控。受到潮汐影響，河涌為雙向流，容易造成回流和淤積，河涌污染嚴(yán)重，水質(zhì)惡化。
海珠生態(tài)城現(xiàn)已建立較完善的外江堤閘防洪和內(nèi)澇泵排系統(tǒng)，需要進(jìn)一步完善防洪排澇體系，在安全的前提下強(qiáng)調(diào)生態(tài)、景觀的要求，解決廣州水資源分布不均、污染嚴(yán)重的問(wèn)題。在感潮地區(qū)，可利用潮汐水動(dòng)力特性，漲潮引水，落潮排水，實(shí)施引清調(diào)水工程改善感潮地區(qū)城市水環(huán)境。
1 海珠生態(tài)城潮汐特征
海珠生態(tài)城位于珠江三角洲弱潮河口，潮汐為不規(guī)則半日潮，即在一個(gè)太陰日里出現(xiàn)兩次高潮和兩次低潮，日潮不等現(xiàn)象顯著。大潮出現(xiàn)在每月朔望（初一，十五），小潮出現(xiàn)在上、下弦（初八，二十三），周期為15天。
海珠區(qū)石榴崗河水閘的閘底板高程為-4.0 m,10孔總凈寬為42 m,北濠涌水閘的閘底板高程為-2.2 m,3孔總凈寬為24 m,而引水排水主要通道石榴崗河、淋沙涌、西碌涌、北濠涌的涌底高程為-3~-2.5 m。因此,一般情況下通過(guò)合理調(diào)度水閘都能滿足引水和排水的要求。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)，75%保證率下水位在0 m以上的歷時(shí)為9.0 h，在引水過(guò)程中，外江在一個(gè)漲潮過(guò)程中潮位在0～1.0 m之間的時(shí)間平均為2.4 h，在-0.3～0.4 m之間的平均漲潮歷時(shí)為2.2 h；在一個(gè)落潮過(guò)程中（即可排水歷時(shí)中），潮位在-0.2～0.6 m之間的平均歷時(shí)為3.6 h，在-0.7～0.0 m之間的平均歷時(shí)為2.7 h。海珠生態(tài)城附近潮位站1973年—1998年的統(tǒng)計(jì)資料見(jiàn)表1。
表1 廣州浮標(biāo)廠站潮汐要素統(tǒng)計(jì)結(jié)果
2 海珠生態(tài)城水系調(diào)水補(bǔ)水工程
根據(jù)海珠生態(tài)城潮汐特征，可利用潮汐水動(dòng)力進(jìn)行調(diào)水，實(shí)現(xiàn)“以動(dòng)治靜、以凈釋污、以豐補(bǔ)枯”，改變內(nèi)河涌水體流態(tài)，變往復(fù)流為整體單向流，改善河涌水質(zhì)，初步消除黑臭現(xiàn)象，逐步提高河涌水體自凈能力。具體方式通過(guò)水閘、泵站等水利設(shè)施的聯(lián)合調(diào)控，利用漲潮引外江水入內(nèi)河涌，并通過(guò)河涌水動(dòng)力的作用將內(nèi)河涌的水體排出，進(jìn)行水體置換，并對(duì)內(nèi)河涌截污可以起到明顯改善內(nèi)河涌水質(zhì)的效果。感潮河網(wǎng)區(qū)改善水環(huán)境，需在截污的前提下，通過(guò)科學(xué)調(diào)度泵站及節(jié)制閘，利用漲潮引入大量外江清水入河涌，抬高內(nèi)水位，加快水體循環(huán)，可逐步改善圩內(nèi)水環(huán)境。
2.1 石榴崗北部片調(diào)水補(bǔ)水
對(duì)石榴崗北部片的引水補(bǔ)水主要利用石榴崗河引潮水方案（見(jiàn)圖1），通過(guò)新建西碌水閘、土華西閘、龍?zhí)端l、臺(tái)涌水閘以及支涌涌口的節(jié)制閘，合理進(jìn)行群閘聯(lián)控，優(yōu)化調(diào)度，以達(dá)到凈水的目的。
圖1 石榴崗北部片調(diào)水補(bǔ)水方案
首先在土華涌與石榴崗河交叉處設(shè)土華西閘；在西碌涌匯入后滘涌處建西碌水閘；在龍?zhí)队俊⑴_(tái)涌匯入石榴崗河處設(shè)龍?zhí)端l及臺(tái)涌水閘；并在五鳳、康樂(lè)、墩和、大塘4條支涌涌口處設(shè)節(jié)制閘以保證污水沖到下游不至重復(fù)利用。
① 外江落潮水位低于內(nèi)涌水位時(shí)，關(guān)閉石榴崗水閘，開(kāi)啟北濠涌水閘、黃涌水閘、土華西閘、西碌水閘，石榴崗河北部片水主要是通過(guò)北濠涌及黃沖涌排出；漲潮時(shí)外江水位高于內(nèi)涌水位，開(kāi)啟石榴崗水閘、土華西閘，關(guān)閉北濠涌水閘、黃沖涌水閘，從石榴崗河閘外引水，靠海潮潮汐自然力將河道水位提高到一定程度，以達(dá)到換水改善水質(zhì)的目的。
② 以西碌水閘和土華西閘控制，分別對(duì)石榴崗河以上各斷頭涌補(bǔ)水及以下的北濠涌、西碌涌、黃沖涌補(bǔ)水。對(duì)石榴崗河上游淋沙涌、楊灣涌及以上五鳳涌、康樂(lè)涌、墩和涌、大塘涌等斷頭涌進(jìn)行補(bǔ)水時(shí)，在打開(kāi)石榴崗水閘引水的同時(shí)關(guān)閉西碌水閘及土華西閘；反之則打開(kāi)西碌涌水閘、土華西閘。上游斷頭涌五鳳涌、康樂(lè)涌、墩和涌、大塘涌采取泵站提水進(jìn)行補(bǔ)水。
③ 落潮時(shí)石榴崗河水位低于臺(tái)涌水位，關(guān)閉龍?zhí)队克l，開(kāi)啟臺(tái)涌水閘，使龍?zhí)队俊⑴_(tái)涌水向外流動(dòng)排出；漲潮石榴崗河水位高于龍?zhí)队克粫r(shí)，關(guān)閉臺(tái)涌水閘，開(kāi)啟龍?zhí)队克l引水入龍?zhí)队浚ㄟ^(guò)兩涌之間連通處循環(huán)入臺(tái)涌，以達(dá)到換水的目的。在龍?zhí)队孔粤饕粷M足要求的情況下，開(kāi)啟龍?zhí)队勘谜境槿∈駦徍拥乃M(jìn)入龍?zhí)队俊⑴_(tái)涌。
2.2 黃埔涌片調(diào)水補(bǔ)水
將黃埔涌和赤崗涌作為引清通道，通過(guò)黃埔涌南、北閘及赤崗涌閘控制黃埔涌水位(見(jiàn)圖2)。利用外江落潮（潮位變化為-0.2～0.6 m）打開(kāi)黃埔涌南閘以及與前航道相連通的磨碟沙閘、琶洲北閘、黃基涌北閘，以黃埔涌、磨碟沙涌、琶洲涌和黃基涌為主要排水通道，將河涌水位由景觀水位0.8 m降至0.0 m關(guān)閘。引水時(shí)分別從黃埔涌北閘、赤崗涌北閘及與黃埔涌相連通的水閘、新洲南閘進(jìn)水，通過(guò)磨碟沙北閘、琶洲北閘、黃基北閘、新洲北閘排水，形成自南向北的單向流，引水至景觀水位0.8 m關(guān)閘。
圖2 黃埔涌片調(diào)水補(bǔ)水示意
2.3 海珠湖補(bǔ)水
引水補(bǔ)水時(shí)，考慮將引清通道與排水通道分開(kāi)，通過(guò)不同的路線引排水可以避免污水與清水合流。
① 海珠湖換水引水
當(dāng)海珠湖需要換水時(shí)，利用外江落潮水位低于內(nèi)涌水位，關(guān)閉石榴崗水閘，開(kāi)啟西碌水閘和北濠涌水閘，將海珠湖及周邊河涌的水通過(guò)西碌涌、北濠涌水閘排出珠江后航道。利用石榴崗河作為引清通道，當(dāng)外江漲潮時(shí)(外江潮位高于內(nèi)涌水位)，開(kāi)啟石榴崗水閘、后滘水閘引水。由于海珠湖可引潮水的歷時(shí)有限，且進(jìn)入海珠湖后潮動(dòng)力變?nèi)酰诓荒軡M足海珠湖引水需要的情況下，通過(guò)新建的后滘泵站抽石榴崗河的水經(jīng)濕地再入湖。
② 海珠湖補(bǔ)水
海珠湖作為周邊河涌的補(bǔ)水水源，為河涌動(dòng)水、活水提供先決條件。當(dāng)海珠湖水位比周邊河涌水位高時(shí)，通過(guò)閘控制可為周邊河涌補(bǔ)水；當(dāng)海珠湖水位低于周邊河涌景觀水位時(shí)，通過(guò)楊灣泵站抽取海珠湖的水到周邊河涌，為上游河涌補(bǔ)水提供水源保證。海珠湖湖內(nèi)水位從0.8 m降到-1.0 m,每次可以提供50×104 m3的水源，待外江漲潮從石榴崗河將潮水引入湖內(nèi)，然后再給河涌補(bǔ)水，不斷循環(huán)。
海珠湖與石榴崗河、西碌涌、楊灣涌、上沖涌、大塘涌、大圍涌6條河涌構(gòu)成了“一湖六脈”的天然格局，將海珠生態(tài)城的內(nèi)河涌與珠江水系打通，充分利用潮汐，通過(guò)泵閘調(diào)控措施對(duì)周圍的河涌進(jìn)行引水、補(bǔ)水，使周圍河涌均形成動(dòng)水、活水，從而有效地改善了區(qū)域的水環(huán)境、水生態(tài)。
3 水質(zhì)改善效果評(píng)估
針對(duì)海珠生態(tài)城水系改造工程，對(duì)于改造前后重點(diǎn)水體的水質(zhì)情況進(jìn)行了評(píng)估。評(píng)估方法：收集海珠生態(tài)城歷史水質(zhì)狀況，并對(duì)生態(tài)城重點(diǎn)水體水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以COD、溶解氧、BOD5、氟化物、氨氮、總磷等為重點(diǎn)項(xiàng)目，分析工程建設(shè)前后水質(zhì)變化。
以2010年—2014年的水質(zhì)斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)，分別對(duì)河涌水質(zhì)以及湖泊水質(zhì)進(jìn)行評(píng)估。河涌的水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)為21項(xiàng)，湖泊的水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)在河涌21項(xiàng)指標(biāo)的基礎(chǔ)上增加總氮、透明度、葉綠素a。監(jiān)測(cè)指標(biāo)中對(duì)溶解氧、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、氟化物6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)評(píng)價(jià)分析，主要對(duì)水質(zhì)平均污染指數(shù)及對(duì)湖泊的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
3.1 河涌水質(zhì)評(píng)估結(jié)果
選取海珠生態(tài)城范圍內(nèi)的石榴崗河、黃埔涌和北濠涌，對(duì)其2010年—2014年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估。通過(guò)計(jì)算可知，在海珠生態(tài)城內(nèi)本次評(píng)估的3條河涌的六項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)中，普遍以氨氮的污染指數(shù)值最高，溶解氧次之，氨氮污染較為突出。2010年—2014年期間，海珠生態(tài)城河涌水體的六項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)平均污染指數(shù)均有不同程度的下降，在海珠生態(tài)城建設(shè)過(guò)程中水質(zhì)總體有所改善，且石榴崗河和黃埔涌的水質(zhì)總體優(yōu)于北濠涌。
21項(xiàng)指標(biāo)的平均污染指數(shù)在2010年—2014年總體呈逐年下降的趨勢(shì),從2010年的嚴(yán)重、重度污染水平逐漸下降到2013年和2014年的中度、輕度水平，其中北濠涌的水質(zhì)改善最為顯著。21項(xiàng)指標(biāo)平均污染指數(shù)值低于六項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)平均污染指數(shù)值，說(shuō)明海珠生態(tài)城河涌水體同樣以有機(jī)污染為主，重金屬及有毒有害物質(zhì)的污染情況相對(duì)較好。
3.2 海珠湖水質(zhì)評(píng)估
海珠湖為海珠生態(tài)城范圍內(nèi)的重要水體，對(duì)2010年—2014年枯、豐、平三個(gè)水期的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估。根據(jù)污染指數(shù)評(píng)估結(jié)果，無(wú)論是6項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)的平均污染指數(shù)還是21項(xiàng)指標(biāo)的平均污染指數(shù)，其數(shù)值在2010年—2014年期間總體呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)。枯水期和年平均21項(xiàng)指標(biāo)平均污染指數(shù)的下降最為明顯，從2010年的重度污染水平逐漸下降到2014年的中度水平。海珠生態(tài)城開(kāi)始建設(shè)后，2012年—2014年間，21項(xiàng)指標(biāo)平均污染指數(shù)屬于輕度污染水平，但6項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)的平均污染指數(shù)則偏高，屬于中度污染水平，說(shuō)明6項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的污染物仍然為海珠湖水體的主要污染物，在未來(lái)的水污染治理中仍然要堅(jiān)持以6項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)為重點(diǎn)。
采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，以5項(xiàng)相關(guān)指標(biāo)(葉綠素a、總磷、總氮、透明度、高錳酸鹽指數(shù))對(duì)海珠湖的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。2014年最新監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,海珠湖處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化水平，與2011年的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)相比有明顯的下降。總體上，2011年—2014年期間，海珠湖的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)處于逐漸改善的過(guò)程，由重度富營(yíng)養(yǎng)化提升到輕度富營(yíng)養(yǎng)化。
3.3 綜合評(píng)估結(jié)論
對(duì)海珠生態(tài)城區(qū)域范圍內(nèi)河涌、湖泊等地表水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和評(píng)價(jià)，可知2014年度海珠生態(tài)城范圍內(nèi)的水體水質(zhì)仍然不理想，但比2010年度有較為明顯的改善，水質(zhì)總體在逐步好轉(zhuǎn)。
海珠生態(tài)城河流水體污染主要反映在氨氮和溶解氧上，海珠湖污染主要反映在化學(xué)需氧量、總磷和氨氮上，重金屬和有毒有害物質(zhì)的污染均得到較有效的控制。因此,海珠生態(tài)城水體水質(zhì)污染主要屬于有機(jī)污染。
由于水體所處環(huán)境條件不一致，導(dǎo)致不同水體的污染狀況有各自的特點(diǎn)。河涌徑流作用弱，受生活污水的影響較大，水質(zhì)最差。由于水閘人工控制了河涌的漲退和流向，作為進(jìn)水的黃埔涌、石榴崗河水質(zhì)優(yōu)于作為排水的北濠涌。對(duì)比黃埔涌2010年—2014年枯水期與2009年枯水期（海珠湖建設(shè)前未實(shí)施補(bǔ)水調(diào)水工程的情景）的6項(xiàng)指標(biāo)平均污染指數(shù)，實(shí)施補(bǔ)水調(diào)水等工程措施，對(duì)生態(tài)城主要河涌黃埔涌枯水期的水質(zhì)改善起到一定作用。
海珠生態(tài)城各水系水質(zhì)(見(jiàn)表2)分析表明，重點(diǎn)河涌的水質(zhì)有了一定的改善，水質(zhì)平均污染指數(shù)總體上降低了41%；海珠湖水質(zhì)枯水期改善趨勢(shì)相對(duì)明顯，其他水期近年波動(dòng)變化，總體上平均污染指數(shù)降低了約41%，營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)亦略有改善，從中度富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)渡到輕度富營(yíng)養(yǎng)化。
表2 海珠生態(tài)城河涌及湖泊水質(zhì)變化狀況
4 結(jié)語(yǔ)
① 海珠生態(tài)城水系補(bǔ)水調(diào)水工程，利用潮汐能改善了水體水質(zhì),在能源與水資源結(jié)合利用的實(shí)踐中取得了良好效果。根據(jù)區(qū)域自然條件，充分利用可再生清潔能源（潮汐能），既節(jié)約了化石能源,又為城市水環(huán)境改善提供了條件，取得了“水—能”共贏的效果。
② 能源與水資源的結(jié)合利用應(yīng)更加廣泛，不僅局限于生產(chǎn)領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)性研究和實(shí)踐，應(yīng)拓寬研究范疇，并采用多種方式結(jié)合利用。
（本文發(fā)表于《中國(guó)給水排水》雜志2015年第14期“述評(píng)與討論”欄目）
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