杭州下沙金沙湖從錢塘江四格取水的保證率研究

王衛(wèi)標(biāo)，尤愛菊，徐海波，韓曾萃(.浙江省水利發(fā)展規(guī)劃研究中心，杭州 300；.浙江省水利河口研究院，杭州 3000)

杭州下沙金沙湖(人工開挖)位于杭州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)新區(qū)核心，湖區(qū)面積45萬m2，周邊建設(shè)用地40萬m2，規(guī)劃打造成國際標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)都市中心湖區(qū)。整個經(jīng)濟開發(fā)區(qū)新區(qū)依傍金沙湖而建，湖區(qū)水質(zhì)是保障開發(fā)區(qū)品質(zhì)的關(guān)鍵。

城市湖泊受人類活動干預(yù)強，既有城市面源污染，又有內(nèi)源底泥釋放，同時存在市政管網(wǎng)錯接及污水管網(wǎng)滲漏等問題，水體遭受污染與富營養(yǎng)化的風(fēng)險較高[1-3]。為保障金沙湖水質(zhì)，規(guī)劃通過錢塘江已建的四格排灌站(見圖1)，取錢塘江水經(jīng)預(yù)處理后進行湖泊環(huán)境補水。

受徑流、潮汐影響，錢塘江四格河段水位、泥沙和含氯度變化均較復(fù)雜，局部時段無法達到取水要求。因此，為明確可引水時間與供水保障程度，需對水位、含氯度與含沙量隨潮變化的特點進行長歷時分析，進而為預(yù)處理廠供水規(guī)模及湖區(qū)水力調(diào)度方案確定提供依據(jù)。

1 保證率分析方法

四格排灌站是杭州下沙地區(qū)內(nèi)河排水、配水的運行口門，裝有6臺1400ZLB6.3-4.0型軸流泵，其中2臺灌排兩用，4臺用來排澇，每臺裝機能力為6 m3/s。從圖2可見，四格排灌站引水自聚首河頭部，因此只有在錢塘江水位高于下游閘閘底高程時，方能引水；而在大潮期的高潮位附近，因含氯度和含沙量較高，需要停止引水。因此，取水保證率既受水位影響，又受含氯度和含沙量等水質(zhì)條件影響。因高含氯度、高含沙量出現(xiàn)在漲潮高平潮前后的相同時段內(nèi)，因此從錢塘江河口引水的水位、含氯度和含沙量綜合保證率計算見式(1)。

圖1 金沙湖及錢塘江區(qū)位關(guān)系圖Fig.1 Location relationship of the Jinsha Lake and Qiantang Estuary

圖2 四格排灌站及取水河道布局圖Fig.2 Layout of Sige pumping station and water channel

GR=1-{(1-GRWL)+ max[1-GRSL,1-GRSM]}

(1)

式中：GR為引水綜合保證率；GRWL為水位保證率；GRSL為含氯度保證率；GRSM為含沙量保證率。

錢塘江河口受上游新安江建庫和下游圍墾等人類活動影響[4,5]較大，由此帶來的一些水環(huán)境變化是不可逆的，因此在進行各項指標(biāo)的保證率分析時，均采用錢塘江河口尖山河段北岸治江縮窄后的1997-2008資料，這12年中包括了豐水、枯水期，具有一定的代表性。

2 水位保證率分析

四格排灌站進水池設(shè)計最低進水水位為2.87 m(85國家黃海高程，下同)，但因淤積等原因，錢塘江實際水位低于3.12 m時已不能有效配水。因此，四格能否引水受錢塘江外江水位制約，需要統(tǒng)計分析長歷時條件下外江不能有效進水的時間。

(1)資料情況。距離四格排灌站3.6 km的七堡水文站有近50年的資料系列，逐日觀測高潮位、低潮位、漲潮歷時、落潮歷時等各種潮水特征。下沙江堤河道監(jiān)管中心曾于2003年10月25日-11月16日、2004年3-10月在四格排灌站外江、七堡開展了潮水位的同步觀測，取得數(shù)據(jù)216個，可用于兩站的相關(guān)分析。期間，七堡站最高潮位6.44 m，最低潮位3.40 m，最大潮差2.08 m。

(2)關(guān)系推求。根據(jù)觀測的同步資料，建立了四格與七堡潮位的相關(guān)關(guān)系。七堡～四格高潮位的相關(guān)關(guān)系見式(2)，低潮位的相關(guān)關(guān)系見式(3)；相關(guān)系數(shù)均在0.95以上。

Z高=-0.073 9z21+1.863 6z1-2.256 1

(2)

式中：Z高為四格排灌站處高潮位，m；z1為七堡高潮位，m。

Z低=-0.279 6z22+4.041 2z2-8.101 6

(3)

式中：Z低為四格排灌站處低潮位，m；z2為七堡低潮位，m。

錢塘江各級水位的運行時間與潮水的強度和低潮位有密切關(guān)系。一般來說，低潮位高時，較高的水位級運行歷時長，低潮位低時，較低的水位級運行歷時長。分析四格排灌站各月平均低潮位與各級水位運行歷時，具有較好的相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)達0.94)，見式(4)。

y=-0.162x2+2.070 1x-5.498 7

(4)

式中：y為高于3.12 m的月時間保證率；x為月平均低潮位。

(3)水位保證率。根據(jù)式(2)、(3)，由1997-2008年的七堡高低潮位推求了四格排灌站進口處的長系列高低潮位；再由推求的逐潮低潮位計算月平均低潮位，最后由關(guān)系式(4)可推求各級水位的保障程度，其中水位>3.12 m的歷年逐月保證率見表1。

表1 四格站歷年外江3.12 m以上水位保證率 %Tab.1 Water level guarantee rate above 3.12 m of Sige pumping station over the years

由表1，四格站外江水位月保證率低于80%的年份主要發(fā)生在1998、1999年；2000年以后水位保證率均在80%以上，且于2004年以后水位月保證率接近100%；多年平均保證率為93%。

以上分析說明，杭州灣尖山圍墾后江道趨于微彎，潮波反射加劇，沿程水位抬高[6]，為四格排灌站進水保證率提高創(chuàng)造了有利條件，特別是從2004年后的連續(xù)枯水年組看，水位基本不成為四格站配水的制約因素。

3 含氯度保證率分析

錢塘江受潮汐影響，含氯度很低的江水與含氯度5×10-3～18×10-3的海水混合、擴散，導(dǎo)致河流隨漲潮含氯度升高。當(dāng)含氯度超過某個標(biāo)準(zhǔn)如大于0.25×10-3時，則需停止向錢塘江取水。

(1)資料情況。錢塘江杭州段含氯度監(jiān)測站點主要有倉前、七堡、閘口等站，每日觀察最大、最小含氯度，已積累30～50 a不等的資料系列。下沙江堤河道監(jiān)管中心于2003年10-11月和2004年3-11月在四格、七堡進行了含氯度的同步監(jiān)測，可用于建立四格站與七堡站含氯度的相關(guān)關(guān)系，進而推算長系列的四格站含氯度。

(2)關(guān)系推求。依據(jù)四格與七堡站含氯度關(guān)系，移用七堡站多年月平均最大含氯度與相應(yīng)含氯度保證率關(guān)系，推算出四格相應(yīng)的含氯度歷時和保證率。

①四格與七堡含氯度關(guān)系。根據(jù)2003年10-11月與2004年3-11月兩個時段的四格排灌站與七堡站同步含氯度觀測資料，兩站氯度相關(guān)系數(shù)為0.96，見圖3。采用七堡站的含氯度長系列資料對四格排灌站處的含氯度進行插補延長。

圖3 七堡與四格含氯度關(guān)系圖Fig.3 Relationship of chlorinity of Qibao hydrologic station and Sige pumping station

②七堡月平均最大含氯度-歷時關(guān)系。挑選含氯度較大的年份資料，如1994、1999、2003年，統(tǒng)計月平均最大含氯度與含氯度小于0.25×10-3的歷時保證率，關(guān)系線見圖4。

圖4 月平均最大含氯度-含氯度小于0.25×10-3保證率Fig.4 Relationship of the monthly average maximum chlorinity and the guaranteed rate of less than 0.25×10-3 of chlorinity

(3)含氯度保證率。由上述兩組關(guān)系，推求四格1997-2008年的逐月含氯度保證率，見表2。從表2可以看出，較低保證率主要出現(xiàn)在特枯水文年2003、2004年的8-11月份，多年平均含氯度<0.25×10-3的保證率為84%。

表2 四格含氯度小于0.25×10-3保證率 %Tab.2 Guaranteed rate of less than 0.25‰ of chlorinity of Sige pumping station

4 含沙量保證率分析

錢塘江泥沙受潮汐影響，呈周期性變化。漲潮時，河床受潮水沖刷及下游帶來的泥沙影響，河水含沙量急劇上升；漲潮過后，水勢平穩(wěn)后，泥沙慢慢沉淀，含沙量下降。含沙量過程與水位漲落過程基本同步，在涌潮到達后0.5 h達到過程最大，涌潮過后4.5 h左右出現(xiàn)過程低值[7]。

下沙江堤河道監(jiān)管中心在錢塘江四格排灌站于2003年10-11月和2004年3-11月期間進行了逐時泥沙取樣，共獲得數(shù)據(jù)605個，為本次分析提供了基礎(chǔ)。測驗期間，含沙量變化在0.03～14.559 kg/m3之間，較好代表了該站點的含沙量變幅。按大、中、小潮汛(各15 d)分別統(tǒng)計相應(yīng)含沙量～歷時關(guān)系，概化得到不同潮汛的含沙量～超標(biāo)時間、含沙量～超標(biāo)率關(guān)系，分別見表3和圖5。

表3 實測大、中、小潮汛含沙量歷時關(guān)系Tab.3 The measured relationship between sediment concentration and duration of large, medium and small spring tides

圖5 概化的大中小潮平均含沙量～超標(biāo)率關(guān)系圖Fig.5 Relationship between average sediment concentration and exceed the standard rate of the generalized large, medium and small spring tides

錢塘江河口無長系列的含沙量觀測資料，因此亦無法進行長歷時的含沙量保證率分析，為此進一步建立了四格潮差～最大含沙量的關(guān)系，推求了1997-2008年逐潮的最大含沙量；再由圖5推求最大含沙量對應(yīng)的逐級含沙量超標(biāo)率。根據(jù)水預(yù)處理工藝的要求，錢塘江原水含沙量不得超0.2 kg/m3，推求得到各年、各月的含沙量保證率見表4。

由表4可知，由于錢塘江河口圍墾治理的推進，四格附近進潮量減弱，近年(2004-2008)含沙量也比1997-2002年明顯減少，取水保證率明顯提高，多年平均含沙量保證率為79%。

5 綜合保證率

由上分析，最后的綜合引水保證率按最低水位>3.12 m、含氯度<250 mg/L、含沙量<0.2 kg/m3的嚴格條件進行控制，得到多年平均可引水保證率為：

GR=1-{(1-GRWL)+max[1-GRSL,1-GRSM]}=

1-{(1-93%)+max[1-84%,1-79%]}=

1-[7%+21%]=72%

表4 四格取水含沙量保證率推算結(jié)果 %Tab.4 Sediment guarantee rate calculation results of water intake from Sige reach

從結(jié)果可見，其中起控制作用的是含沙量保證率，含沙量與含氯度保證率主要取決于外江地形和潮汐大小，無法進行人為調(diào)控，但水位保證率可以通過進水口的清淤得到提高。如對四格翻水站進口處的淤積進行清理，則進水水位可按2.87 m控制，通過計算得到清淤后水位保證率可以提高至97%，則綜合保證可由72%提高到76%。

6 結(jié) 語

從感潮河段取水時，其保證率受潮汐變化及其攜帶的含沙量、含氯度影響顯著。綜合保證率分析時，既需要考慮水位變幅的影響，又需要考慮隨潮上溯含氯度和含沙量的影響。通過與固定水文站建立相關(guān)關(guān)系，本文進行了錢塘江四格引水點水位、含氯度和含沙量的長系列分析，得到杭州下沙金沙湖從錢塘江四格取水的綜合保證率為72%；通過對進水口清淤，綜合保證率可以提高至76%。通過研究，提出了從感潮河段引水的綜合保證率計算方法以及分項保證率確定的分析思路，為類似引水工程的保證率分析提供參考。

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[1] 尤愛菊, 吳華安, 金倩楠, 等. 基于水質(zhì)污染風(fēng)險識別的人工湖需水研究[J].環(huán)境污染與防治, 2012,34(8):1-4.

[2] 趙 珊, 孟春霖, 劉晶晶,等. 奧林匹克森林公園人工湖營養(yǎng)鹽與藻類生長規(guī)律研究[J]. 給水排水, 2010,36(2):38-41.

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[5] 韓曾萃, 符寧平, 史英標(biāo). 多年調(diào)節(jié)水庫對河口河床沖淤的影響——以新安江水庫對錢塘江河口影響為例[J]. 泥沙研究, 2002,(3):29-34.

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