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潮汐能在广州海珠生态城中的利用实践

文章来源:海西给排水 发布时间:2018-11-01 08:18:23 阅读次数:1015 次 [关闭]

刘明宇

(广州市城市规划勘测设计研究院,广东广州510060)

摘要:随着资源环境的日趋严峻,能源与水资源的结合利用成为当前关注热点。以广州海珠生态城为例,探索了“水―能”结合利用方式,介绍了利用潮汐能调水补水工程,并评估了对水环境改善的效果。

广州市海珠生态城位于广州中南部珠江三角洲河网区,由珠江前航道与珠江后航道环抱,面积为52 km2。区内河涌纵横,河涌水系总长度为116 km。规划区河涌分布密集,共有30多条不同大小的河涌,岸线总长约48 km。较大的河涌有石榴岗河、黄埔涌、赤沙涌、海珠涌、北濠涌、土华涌等,前、后航道属径流潮流共同作用的河段。洪水季节以径流为主,枯水季节以潮流为主。各河涌出口均有水闸控制,内涌水位受水闸调控。受到潮汐影响,河涌为双向流,容易造成回流和淤积,河涌污染严重,水质恶化。

海珠生态城现已建立较完善的外江堤闸防洪和内涝泵排系统,需要进一步完善防洪排涝体系,在安全的前提下强调生态、景观的要求,解决广州水资源分布不均、污染严重的问题。在感潮地区,可利用潮汐水动力特性,涨潮引水,落潮排水,实施引清调水工程改善感潮地区城市水环境。

1 海珠生态城潮汐特征

海珠生态城位于珠江三角洲弱潮河口,潮汐为不规则半日潮,即在一个太阴日里出现两次高潮和两次低潮,日潮不等现象显著。大潮出现在每月朔望(初一,十五),小潮出现在上、下弦(初八,二十三),周期为15天。

海珠区石榴岗河水闸的闸底板高程为-4.0 m,10孔总净宽为42 m,北濠涌水闸的闸底板高程为-2.2 m,3孔总净宽为24 m,而引水排水主要通道石榴岗河、淋沙涌、西碌涌、北濠涌的涌底高程为-3~-2.5 m。因此,一般情况下通过合理调度水闸都能满足引水和排水的要求。

根据统计,75%保证率下水位在0 m以上的历时为9.0 h,在引水过程中,外江在一个涨潮过程中潮位在01.0 m之间的时间平均为2.4 h,在-0.30.4 m之间的平均涨潮历时为2.2 h;在一个落潮过程中(即可排水历时中),潮位在-0.20.6 m之间的平均历时为3.6 h,在-0.70.0 m之间的平均历时为2.7 h。海珠生态城附近潮位站1973年―1998年的统计资料见表1

1 广州浮标厂站潮汐要素统计结果

 2 海珠生态城水系调水补水工程

根据海珠生态城潮汐特征,可利用潮汐水动力进行调水,实现“以动治静、以净释污、以丰补枯”,改变内河涌水体流态,变往复流为整体单向流,改善河涌水质,初步消除黑臭现象,逐步提高河涌水体自净能力。具体方式通过水闸、泵站等水利设施的联合调控,利用涨潮引外江水入内河涌,并通过河涌水动力的作用将内河涌的水体排出,进行水体置换,并对内河涌截污可以起到明显改善内河涌水质的效果。感潮河网区改善水环境,需在截污的前提下,通过科学调度泵站及节制闸,利用涨潮引入大量外江清水入河涌,抬高内水位,加快水体循环,可逐步改善圩内水环境。

2.1 石榴岗北部片调水补水

对石榴岗北部片的引水补水主要利用石榴岗河引潮水方案(见图1),通过新建西碌水闸、土华西闸、龙潭水闸、台涌水闸以及支涌涌口的节制闸,合理进行群闸联控,优化调度,以达到净水的目的。

 

1 石榴岗北部片调水补水方案

首先在土华涌与石榴岗河交叉处设土华西闸;在西碌涌汇入后涌处建西碌水闸;在龙潭涌、台涌汇入石榴岗河处设龙潭水闸及台涌水闸;并在五凤、康乐、墩和、大塘4条支涌涌口处设节制闸以保证污水冲到下游不至重复利用。

① 外江落潮水位低于内涌水位时,关闭石榴岗水闸,开启北濠涌水闸、黄涌水闸、土华西闸、西碌水闸,石榴岗河北部片水主要是通过北濠涌及黄冲涌排出;涨潮时外江水位高于内涌水位,开启石榴岗水闸、土华西闸,关闭北濠涌水闸、黄冲涌水闸,从石榴岗河闸外引水,靠海潮潮汐自然力将河道水位提高到一定程度,以达到换水改善水质的目的。

② 以西碌水闸和土华西闸控制,分别对石榴岗河以上各断头涌补水及以下的北濠涌、西碌涌、黄冲涌补水。对石榴岗河上游淋沙涌、杨湾涌及以上五凤涌、康乐涌、墩和涌、大塘涌等断头涌进行补水时,在打开石榴岗水闸引水的同时关闭西碌水闸及土华西闸;反之则打开西碌涌水闸、土华西闸。上游断头涌五凤涌、康乐涌、墩和涌、大塘涌采取泵站提水进行补水。

③ 落潮时石榴岗河水位低于台涌水位,关闭龙潭涌水闸,开启台涌水闸,使龙潭涌、台涌水向外流动排出;涨潮石榴岗河水位高于龙潭涌水位时,关闭台涌水闸,开启龙潭涌水闸引水入龙潭涌,通过两涌之间连通处循环入台涌,以达到换水的目的。在龙潭涌自流引水不满足要求的情况下,开启龙潭涌泵站抽取石榴岗河的水进入龙潭涌、台涌。 

2.2 黄埔涌片调水补水

将黄埔涌和赤岗涌作为引清通道,通过黄埔涌南、北闸及赤岗涌闸控制黄埔涌水位(见图2)。利用外江落潮(潮位变化为-0.20.6 m)打开黄埔涌南闸以及与前航道相连通的磨碟沙闸、琶洲北闸、黄基涌北闸,以黄埔涌、磨碟沙涌、琶洲涌和黄基涌为主要排水通道,将河涌水位由景观水位0.8 m降至0.0 m关闸。引水时分别从黄埔涌北闸、赤岗涌北闸及与黄埔涌相连通的水闸、新洲南闸进水,通过磨碟沙北闸、琶洲北闸、黄基北闸、新洲北闸排水,形成自南向北的单向流,引水至景观水位0.8 m关闸。

 

2 黄埔涌片调水补水示意

2.3 海珠湖补水

引水补水时,考虑将引清通道与排水通道分开,通过不同的路线引排水可以避免污水与清水合流。

① 海珠湖换水引水

当海珠湖需要换水时,利用外江落潮水位低于内涌水位,关闭石榴岗水闸,开启西碌水闸和北濠涌水闸,将海珠湖及周边河涌的水通过西碌涌、北濠涌水闸排出珠江后航道。利用石榴岗河作为引清通道,当外江涨潮时(外江潮位高于内涌水位),开启石榴岗水闸、后窖水闸引水。由于海珠湖可引潮水的历时有限,且进入海珠湖后潮动力变弱,在不能满足海珠湖引水需要的情况下,通过新建的后窖泵站抽石榴岗河的水经湿地再入湖。

② 海珠湖补水

海珠湖作为周边河涌的补水水源,为河涌动水、活水提供先决条件。当海珠湖水位比周边河涌水位高时,通过闸控制可为周边河涌补水;当海珠湖水位低于周边河涌景观水位时,通过杨湾泵站抽取海珠湖的水到周边河涌,为上游河涌补水提供水源保证。海珠湖湖内水位从0.8 m降到-1.0 m,每次可以提供50×104 m3的水源,待外江涨潮从石榴岗河将潮水引入湖内,然后再给河涌补水,不断循环。

海珠湖与石榴岗河、西碌涌、杨湾涌、上冲涌、大塘涌、大围涌6条河涌构成了“一湖六脉”的天然格局,将海珠生态城的内河涌与珠江水系打通,充分利用潮汐,通过泵闸调控措施对周围的河涌进行引水、补水,使周围河涌均形成动水、活水,从而有效地改善了区域的水环境、水生态。  

3 水质改善效果评估

针对海珠生态城水系改造工程,对于改造前后重点水体的水质情况进行了评估。评估方法:收集海珠生态城历史水质状况,并对生态城重点水体水质进行监测,以COD、溶解氧、BOD5、氟化物、氨氮、总磷等为重点项目,分析工程建设前后水质变化。

2010年―2014年的水质断面的监测数据为基础进行统计评价,分别对河涌水质以及湖泊水质进行评估。河涌的水质监测指标为21项,湖泊的水质监测指标在河涌21项指标的基础上增加总氮、透明度、叶绿素a。监测指标中对溶解氧、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、氟化物6项指标进行重点评价分析,主要对水质平均污染指数及对湖泊的营养状态进行评价。   

3.1 河涌水质评估结果

选取海珠生态城范围内的石榴岗河、黄埔涌和北濠涌,对其2010年―2014年的水质监测数据进行分析和评估。通过计算可知,在海珠生态城内本次评估的3条河涌的六项关键指标中,普遍以氨氮的污染指数值最高,溶解氧次之,氨氮污染较为突出。2010年―2014年期间,海珠生态城河涌水体的六项关键指标平均污染指数均有不同程度的下降,在海珠生态城建设过程中水质总体有所改善,且石榴岗河和黄埔涌的水质总体优于北濠涌。

21项指标的平均污染指数在2010年―2014年总体呈逐年下降的趋势,2010年的严重、重度污染水平逐渐下降到2013年和2014年的中度、轻度水平,其中北濠涌的水质改善最为显著。21项指标平均污染指数值低于六项关键指标平均污染指数值,说明海珠生态城河涌水体同样以有机污染为主,重金属及有毒有害物质的污染情况相对较好。

3.2 海珠湖水质评估

海珠湖为海珠生态城范围内的重要水体,对2010年―2014年枯、丰、平三个水期的水质监测数据进行分析和评估。根据污染指数评估结果,无论是6项关键指标的平均污染指数还是21项指标的平均污染指数,其数值在2010年―2014年期间总体呈现显著下降的趋势。枯水期和年平均21项指标平均污染指数的下降最为明显,从2010年的重度污染水平逐渐下降到2014年的中度水平。海珠生态城开始建设后,2012年―2014年间,21项指标平均污染指数属于轻度污染水平,但6项关键指标的平均污染指数则偏高,属于中度污染水平,说明6项关键指标所对应的污染物仍然为海珠湖水体的主要污染物,在未来的水污染治理中仍然要坚持以6项关键指标为重点。

采用综合营养状态指数法,以5项相关指标(叶绿素a、总磷、总氮、透明度、高锰酸盐指数)对海珠湖的营养状态进行评价。2014年最新监测结果表明,海珠湖处于轻度富营养化水平,与2011年的综合营养状态指数相比有明显的下降。总体上,2011年―2014年期间,海珠湖的营养状态处于逐渐改善的过程,由重度富营养化提升到轻度富营养化。

3.3 综合评估结论

对海珠生态城区域范围内河涌、湖泊等地表水水质检测结果进行统计和评价,可知2014年度海珠生态城范围内的水体水质仍然不理想,但比2010年度有较为明显的改善,水质总体在逐步好转。

海珠生态城河流水体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学需氧量、总磷和氨氮上,重金属和有毒有害物质的污染均得到较有效的控制。因此,海珠生态城水体水质污染主要属于有机污染。

由于水体所处环境条件不一致,导致不同水体的污染状况有各自的特点。河涌径流作用弱,受生活污水的影响较大,水质最差。由于水闸人工控制了河涌的涨退和流向,作为进水的黄埔涌、石榴岗河水质优于作为排水的北濠涌。对比黄埔涌2010年―2014年枯水期与2009年枯水期(海珠湖建设前未实施补水调水工程的情景)的6项指标平均污染指数,实施补水调水等工程措施,对生态城主要河涌黄埔涌枯水期的水质改善起到一定作用。

海珠生态城各水系水质(见表2)分析表明,重点河涌的水质有了一定的改善,水质平均污染指数总体上降低了41%;海珠湖水质枯水期改善趋势相对明显,其他水期近年波动变化,总体上平均污染指数降低了约41%,营养状态亦略有改善,从中度富营养化过渡到轻度富营养化。  

2 海珠生态城河涌及湖泊水质变化状况 

 

4 结语

① 海珠生态城水系补水调水工程,利用潮汐能改善了水体水质,在能源与水资源结合利用的实践中取得了良好效果。根据区域自然条件,充分利用可再生清洁能源(潮汐能),既节约了化石能源,又为城市水环境改善提供了条件,取得了“水―能”共赢的效果。

② 能源与水资源的结合利用应更加广泛,不仅局限于生产领域的关联性研究和实践,应拓宽研究范畴,并采用多种方式结合利用。

(文章来源《中国给水排水》杂志2015年第14期“述评与讨论”栏目)  



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