劉明宇
(廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東廣州510060)
摘要：隨著資源環(huán)境的日趨嚴峻，能源與水資源的結合利用成為當前關注熱點。以廣州海珠生態(tài)城為例，探索了“水—能”結合利用方式，介紹了利用潮汐能調水補水工程，并評估了對水環(huán)境改善的效果。
潮汐能在廣州海珠生態(tài)城中的利用實踐
潮汐能在廣州海珠生態(tài)城中的利用實踐
劉明宇
(廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東廣州510060)
摘要：隨著資源環(huán)境的日趨嚴峻，能源與水資源的結合利用成為當前關注熱點。以廣州海珠生態(tài)城為例，探索了“水—能”結合利用方式，介紹了利用潮汐能調水補水工程，并評估了對水環(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)內河涌縱橫，河涌水系總長度為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、后航道屬徑流潮流共同作用的河段。洪水季節(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，內涌水位受水閘調控。受到潮汐影響，河涌為雙向流，容易造成回流和淤積，河涌污染嚴重，水質惡化。
海珠生態(tài)城現已建立較完善的外江堤閘防洪和內澇泵排系統(tǒng)，需要進一步完善防洪排澇體系，在安全的前提下強調生態(tài)、景觀的要求，解決廣州水資源分布不均、污染嚴重的問題。在感潮地區(qū)，可利用潮汐水動力特性，漲潮引水，落潮排水，實施引清調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，即在一個太陰日里出現兩次高潮和兩次低潮，日潮不等現象顯著。大潮出現在每月朔望（初一，十五），小潮出現在上、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,一般情況下通過合理調度水閘都能滿足引水和排水的要求。
根據統(tǒng)計，75%保證率下水位在0 m以上的歷時為9.0 h，在引水過程中，外江在一個漲潮過程中潮位在0～1.0 m之間的時間平均為2.4 h，在-0.3～0.4 m之間的平均漲潮歷時為2.2 h；在一個落潮過程中（即可排水歷時中），潮位在-0.2～0.6 m之間的平均歷時為3.6 h，在-0.7～0.0 m之間的平均歷時為2.7 h。海珠生態(tài)城附近潮位站1973年—1998年的統(tǒng)計資料見表1。
表1 廣州浮標廠站潮汐要素統(tǒng)計結果
2 海珠生態(tài)城水系調水補水工程
根據海珠生態(tài)城潮汐特征，可利用潮汐水動力進行調水，實現“以動治靜、以凈釋污、以豐補枯”，改變內河涌水體流態(tài)，變往復流為整體單向流，改善河涌水質，初步消除黑臭現象，逐步提高河涌水體自凈能力。具體方式通過水閘、泵站等水利設施的聯合調控，利用漲潮引外江水入內河涌，并通過河涌水動力的作用將內河涌的水體排出，進行水體置換，并對內河涌截污可以起到明顯改善內河涌水質的效果。感潮河網區(qū)改善水環(huán)境，需在截污的前提下，通過科學調度泵站及節(jié)制閘，利用漲潮引入大量外江清水入河涌，抬高內水位，加快水體循環(huán)，可逐步改善圩內水環(huán)境。
2.1 石榴崗北部片調水補水
對石榴崗北部片的引水補水主要利用石榴崗河引潮水方案（見圖1），通過新建西碌水閘、土華西閘、龍?zhí)端l、臺涌水閘以及支涌涌口的節(jié)制閘，合理進行群閘聯控，優(yōu)化調度，以達到凈水的目的。
圖1 石榴崗北部片調水補水方案
首先在土華涌與石榴崗河交叉處設土華西閘；在西碌涌匯入后滘涌處建西碌水閘；在龍?zhí)队�、臺涌匯入石榴崗河處設龍?zhí)端l及臺涌水閘；并在五鳳、康樂、墩和、大塘4條支涌涌口處設節(jié)制閘以保證污水沖到下游不至重復利用。
① 外江落潮水位低于內涌水位時，關閉石榴崗水閘，開啟北濠涌水閘、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北濠涌及黃沖涌排出；漲潮時外江水位高于內涌水位，開啟石榴崗水閘、土華西閘，關閉北濠涌水閘、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，以達到換水改善水質的目的。
② 以西碌水閘和土華西閘控制，分別對石榴崗河以上各斷頭涌補水及以下的北濠涌、西碌涌、黃沖涌補水。對石榴崗河上游淋沙涌、楊灣涌及以上五鳳涌、康樂涌、墩和涌、大塘涌等斷頭涌進行補水時，在打開石榴崗水閘引水的同時關閉西碌水閘及土華西閘；反之則打開西碌涌水閘、土華西閘。上游斷頭涌五鳳涌、康樂涌、墩和涌、大塘涌采取泵站提水進行補水。
③ 落潮時石榴崗河水位低于臺涌水位，關閉龍?zhí)队克l，開啟臺涌水閘，使龍?zhí)队�、臺涌水向外流動排出；漲潮石榴崗河水位高于龍?zhí)队克粫r，關閉臺涌水閘，開啟龍?zhí)队克l引水入龍?zhí)队浚ㄟ^兩涌之間連通處循環(huán)入臺涌，以達到換水的目的。在龍?zhí)队孔粤饕粷M足要求的情況下，開啟龍?zhí)队勘谜境槿∈駦徍拥乃M入龍?zhí)队俊⑴_涌。
2.2 黃埔涌片調水補水
將黃埔涌和赤崗涌作為引清通道，通過黃埔涌南、北閘及赤崗涌閘控制黃埔涌水位(見圖2)。利用外江落潮（潮位變化為-0.2～0.6 m）打開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關閘。引水時分別從黃埔涌北閘、赤崗涌北閘及與黃埔涌相連通的水閘、新洲南閘進水，通過磨碟沙北閘、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關閘。
圖2 黃埔涌片調水補水示意
2.3 海珠湖補水
引水補水時，考慮將引清通道與排水通道分開，通過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
當海珠湖需要換水時，利用外江落潮水位低于內涌水位，關閉石榴崗水閘，開啟西碌水閘和北濠涌水閘，將海珠湖及周邊河涌的水通過西碌涌、北濠涌水閘排出珠江后航道。利用石榴崗河作為引清通道，當外江漲潮時(外江潮位高于內涌水位)，開啟石榴崗水閘、后滘水閘引水。由于海珠湖可引潮水的歷時有限，且進入海珠湖后潮動力變弱，在不能滿足海珠湖引水需要的情況下，通過新建的后滘泵站抽石榴崗河的水經濕地再入湖。
② 海珠湖補水
海珠湖作為周邊河涌的補水水源，為河涌動水、活水提供先決條件。當海珠湖水位比周邊河涌水位高時，通過閘控制可為周邊河涌補水；當海珠湖水位低于周邊河涌景觀水位時，通過楊灣泵站抽取海珠湖的水到周邊河涌，為上游河涌補水提供水源保證。海珠湖湖內水位從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，然后再給河涌補水，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條河涌構成了“一湖六脈”的天然格局，將海珠生態(tài)城的內河涌與珠江水系打通，充分利用潮汐，通過泵閘調控措施對周圍的河涌進行引水、補水，使周圍河涌均形成動水、活水，從而有效地改善了區(qū)域的水環(huán)境、水生態(tài)。
3 水質改善效果評估
針對海珠生態(tài)城水系改造工程，對于改造前后重點水體的水質情況進行了評估。評估方法：收集海珠生態(tài)城歷史水質狀況，并對生態(tài)城重點水體水質進行監(jiān)測，以COD、溶解氧、BOD5、氟化物、氨氮、總磷等為重點項目，分析工程建設前后水質變化。
以2010年—2014年的水質斷面的監(jiān)測數據為基礎進行統(tǒng)計評價，分別對河涌水質以及湖泊水質進行評估。河涌的水質監(jiān)測指標為21項，湖泊的水質監(jiān)測指標在河涌21項指標的基礎上增加總氮、透明度、葉綠素a。監(jiān)測指標中對溶解氧、化學需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、氟化物6項指標進行重點評價分析，主要對水質平均污染指數及對湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)進行評價。
3.1 河涌水質評估結果
選取海珠生態(tài)城范圍內的石榴崗河、黃埔涌和北濠涌，對其2010年—2014年的水質監(jiān)測數據進行分析和評估。通過計算可知，在海珠生態(tài)城內本次評估的3條河涌的六項關鍵指標中，普遍以氨氮的污染指數值最高，溶解氧次之，氨氮污染較為突出。2010年—2014年期間，海珠生態(tài)城河涌水體的六項關鍵指標平均污染指數均有不同程度的下降，在海珠生態(tài)城建設過程中水質總體有所改善，且石榴崗河和黃埔涌的水質總體優(yōu)于北濠涌。
21項指標的平均污染指數在2010年—2014年總體呈逐年下降的趨勢,從2010年的嚴重、重度污染水平逐漸下降到2013年和2014年的中度、輕度水平，其中北濠涌的水質改善最為顯著。21項指標平均污染指數值低于六項關鍵指標平均污染指數值，說明海珠生態(tài)城河涌水體同樣以有機污染為主，重金屬及有毒有害物質的污染情況相對較好。
3.2 海珠湖水質評估
海珠湖為海珠生態(tài)城范圍內的重要水體，對2010年—2014年枯、豐、平三個水期的水質監(jiān)測數據進行分析和評估。根據污染指數評估結果，無論是6項關鍵指標的平均污染指數還是21項指標的平均污染指數，其數值在2010年—2014年期間總體呈現顯著下降的趨勢。枯水期和年平均21項指標平均污染指數的下降最為明顯，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)城開始建設后，2012年—2014年間，21項指標平均污染指數屬于輕度污染水平，但6項關鍵指標的平均污染指數則偏高，屬于中度污染水平，說明6項關鍵指標所對應的污染物仍然為海珠湖水體的主要污染物，在未來的水污染治理中仍然要堅持以6項關鍵指標為重點。
采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數法，以5項相關指標(葉綠素a、總磷、總氮、透明度、高錳酸鹽指數)對海珠湖的營養(yǎng)狀態(tài)進行評價。2014年最新監(jiān)測結果表明,海珠湖處于輕度富營養(yǎng)化水平，與2011年的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數相比有明顯的下降�？傮w上，2011年—2014年期間，海珠湖的營養(yǎng)狀態(tài)處于逐漸改善的過程，由重度富營養(yǎng)化提升到輕度富營養(yǎng)化。
3.3 綜合評估結論
對海珠生態(tài)城區(qū)域范圍內河涌、湖泊等地表水水質檢測結果進行統(tǒng)計和評價，可知2014年度海珠生態(tài)城范圍內的水體水質仍然不理想，但比2010年度有較為明顯的改善，水質總體在逐步好轉。
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需氧量、總磷和氨氮上，重金屬和有毒有害物質的污染均得到較有效的控制。因此,海珠生態(tài)城水體水質污染主要屬于有機污染。
由于水體所處環(huán)境條件不一致，導致不同水體的污染狀況有各自的特點。河涌徑流作用弱，受生活污水的影響較大，水質最差。由于水閘人工控制了河涌的漲退和流向，作為進水的黃埔涌、石榴崗河水質優(yōu)于作為排水的北濠涌。對比黃埔涌2010年—2014年枯水期與2009年枯水期（海珠湖建設前未實施補水調水工程的情景）的6項指標平均污染指數，實施補水調水等工程措施，對生態(tài)城主要河涌黃埔涌枯水期的水質改善起到一定作用。
海珠生態(tài)城各水系水質(見表2)分析表明，重點河涌的水質有了一定的改善，水質平均污染指數總體上降低了41%；海珠湖水質枯水期改善趨勢相對明顯，其他水期近年波動變化，總體上平均污染指數降低了約41%，營養(yǎng)狀態(tài)亦略有改善，從中度富營養(yǎng)化過渡到輕度富營養(yǎng)化。
表2 海珠生態(tài)城河涌及湖泊水質變化狀況
4 結語
① 海珠生態(tài)城水系補水調水工程，利用潮汐能改善了水體水質,在能源與水資源結合利用的實踐中取得了良好效果。根據區(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 能源與水資源的結合利用應更加廣泛，不僅局限于生產領域的關聯性研究和實踐，應拓寬研究范疇，并采用多種方式結合利用。
（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第14期“述評與討論”欄目）
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