周鵬飛

（中國電建集團 華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

0 引言

錢塘江河口兩岸是浙江省經(jīng)濟最發(fā)達地區(qū)。位于錢塘江下游的杭州市，是國際國內(nèi)著名的風景旅游城市，是浙江省會和全省政治經(jīng)濟文化中心。杭州市供水水源主要取自錢塘江杭州河段，但錢塘江涌潮對杭州供水影響較大［1］。長久以來，對錢塘江潮汐、泥沙沖淤、河床演變和圍墾等研究較多，但錢塘江涌潮對水資源影響的研究較少，而水資源在經(jīng)濟、社會和生活中的重要性越來越顯著，為此本文探討了錢塘江涌潮對杭州河段水資源的影響。

1 分析方法

1.1 杭州河段江水咸度超標的影響因素

錢塘江潮汐狀況與杭州河段江水咸度指標有良好的對應(yīng)關(guān)系，錢塘江涌潮1d中出現(xiàn)2次；在半月中有1次大潮和1次小潮，杭州河段咸度超標歷時在半月中也相應(yīng)有1次高值和1次低值；錢塘江涌潮愈強，則咸度超標歷時愈長，反之咸度超標歷時愈短。對杭州河段來說，錢塘江涌潮在向上游推進過程中強度逐漸減弱［2］，咸度達標的可取水量向上游沿程漸增。

錢塘江在下自乍浦上至聞家堰之間長達130km的河段內(nèi)存在一個河口攔門沙性質(zhì)的巨大沙坎，其坎頂位于倉前附近并隨潮汐的作用和上游洪水的沖刷而變動，大體上每年春汛及梅汛期隨洪水的沖刷而降低和下移，而梅汛之后直至翌年春汛之前的枯水期間則逐漸升高并上移［3］。年中洪水愈大則沙坎愈低，相應(yīng)地在秋旱大潮時期進潮量也愈多，咸潮對杭州河段水資源影響愈為嚴重，反之亦然，情況逐年而異。也即，汛期洪水的大小決定著秋旱季節(jié)杭州河段的河道特性，也關(guān)系著該河段各取水口的取水指標。因此，影響錢塘江杭州河段水資源的主要因素有：（1）錢塘江涌潮的消漲及強度；（2）錢塘江上游徑流量；（3）錢塘江河道條件。

本文選取了錢塘江杭州河段3個較具代表性的取水口進行研究，分別是七堡、南星橋和珊瑚沙，其位置見圖1。

圖1 錢塘江杭州河段七堡、南星橋和珊瑚沙取水口位置示意圖Fig.1 Water intake diagram of Qibao，Nanxingqiao，Sanhusha along the Hangzhou reaches of Qiantangjiang River

1.2 多元相關(guān)方程的建立

錢塘江涌潮對杭州河段水資源的影響分析采用在一定河道條件下，建立多元相關(guān)方程［4］，在方程建立過程中對上述諸有關(guān)影響因素做了如下考慮和處理。

我國生活飲用水和工業(yè)用水取水的咸度標準均為小于等于250mg／L（據(jù)GB5749－2006）［5］，故設(shè)定取水口處江水咸度超過250mg／L的歷時，為超標歷時；當江水咸度符合規(guī)定標準的歷時，為達標歷時。為便于分析計算，不直接采用咸度（單位水體中氯離子含量）作為咸度指標，而是采用在1次單潮漲、落全過程中取水口處的超標歷時來表示。

錢塘江的潮汐采用倉前站的觀測記錄，以體現(xiàn)錢塘江杭州河段潮汐自身的特性。

錢塘江河道條件在一定程度上取決于江灘圍墾范圍的大小和圍堤走向，自上世紀80年代末期以來，錢塘江兩岸圍墾范圍已趨穩(wěn)定，因此錢塘江河道特性也基本穩(wěn)定。

由于潮汐自錢塘江口向杭州河段傳播和錢塘江上游徑流進入杭州河段均需經(jīng)歷一定時間，且這兩者在其所經(jīng)河道范圍內(nèi)還有各自的河槽調(diào)蓄過程，因而杭州河段一定取水口處在1次單潮過程中的江水咸度超標歷時并不只取決于該次潮汐和當時的錢塘江上游徑流量。經(jīng)分析，該超標歷時與面臨單潮的潮差和高潮位和前3次單潮的高潮位，錢塘江上游徑流當日的平均徑流量和前2d各自的日均徑流量等因素都存在不同程度上的關(guān)聯(lián)，杭州河段咸度超標歷時與這些因素之間都可以建立較好的相關(guān)關(guān)系式，其通式為：

式中：Tj為超標歷時；a0，a1，a2和α，β分別為系數(shù)和指數(shù)。

Hj為綜合潮汐因子，它概括了面臨單潮的潮差和高潮位以及前3次高潮位的作用，其表達式為：

式中：Z為潮位；ΔZ為潮差；j表示面臨單潮的序號；b0，b1，……b5為各項系數(shù)。另外，由于潮汐的“日不等”現(xiàn)象，Hj還與面臨單潮所處的時間（日潮和夜潮）有關(guān)，對于日潮和夜潮各有1組系數(shù)，并且在不同斷面和不同年份，其系數(shù)亦相區(qū)別，體現(xiàn)著河道條件的不同。

Qj為綜合流量因子，即面臨單潮出現(xiàn)當天和前2 d中錢塘江上游日均徑流量q的加權(quán)平均值，其表達式為：

式中：c1，c2和c3為各日流量的權(quán)重系數(shù)，亦隨日潮和夜潮分為2組。

在Tj，Hj和Qj三式中的各項系數(shù)和指數(shù)均根據(jù)1994—1996年的潮汐、錢塘江上游富春江水電站的下泄實測流量和斷面水流咸度實測數(shù)據(jù)，按多元回歸計算經(jīng)反復(fù)優(yōu)選確定。

1.3 基本資料

1.3.1 咸潮值班記錄

根據(jù)杭州市自來水公司生產(chǎn)調(diào)度中心咸潮值班記錄，收集了1994—1996年九溪水廠（珊瑚沙）、南星橋水廠和七堡取水口斷面處的含氯度及出現(xiàn)時間。

1.3.2 潮位資料

采用倉前潮位站1994—1996年逐日高、低潮位資料。

1.3.3 徑流量資料

徑流量是指錢塘江上游流入杭州河段的水量，采用富春江水電站1994—1996年和2009—2011年逐日下泄流量（其中1994—1996年的徑流量資料用于推求相關(guān)方程中的系數(shù)，2009—2011年的徑流量資料則用于推算該時間段的可取水量）。關(guān)于錢塘江上游的來水以富春江水電站的下泄流量表示，經(jīng)調(diào)查了解，認為富春江水電站至杭州之間沿江地區(qū)取用的江水與由其間支流入?yún)R的水量大體接近，即使有差異，其值與富春江流量相比也可忽略不計。

1.3.4 相關(guān)要素的統(tǒng)計

根據(jù)1994—1996年含氯度記錄及出現(xiàn)時間，將含氯度≥250mg／L的歷時都計入超標歷時，并按潮汐特性分朔、望期，漲、落潮，日潮和夜潮，經(jīng)分析后只分日潮和夜潮進行分類統(tǒng)計。表1和表2為南星橋斷面1996年7—11月超標歷時相關(guān)要素的統(tǒng)計表（日潮和夜潮）。

表1 1996年7—11月南星橋江水咸度超標歷時與相關(guān)因素統(tǒng)計表（日潮）Tab.1 Statistics of the duration of water salinity with exceeded standard and related factors of Nanxingqiao during July to November，1996（day tide）

表2 1996年7—11月南星橋江水咸度超標歷時與相關(guān)因素統(tǒng)計表（夜潮）Tab.2 Statistics of the duration of water salinity with exceeded standard and related factors of Nanxingqiao during July to November，1996（night tide）

1.4 相關(guān)方程中各系數(shù)與指數(shù)的推算

分別推算日潮和夜潮的相關(guān)方程。

（1）作多元相關(guān)計算，推求回歸方程系數(shù)

以超標歷時T 作為Y，以潮汐參數(shù)Zj－3、Zj－2、Zj－1、Zj和 ΔZj和上游徑流量參數(shù)qj－2、qj－1和qj作為X，應(yīng)用多元回歸計算程序初步計算出回歸方程分項系數(shù)d0、d1、d2……d8。

（2）初步計算加權(quán)平均流量

①求權(quán)重系數(shù)

令

則權(quán)重

②加權(quán)平均流量值：

（3）初步計算綜合潮汐因子

令

則：

計算綜合潮汐因子：

（4）初步推求超標歷時計算公式參數(shù)

根據(jù)實際系列的T和試算出的同系列H′和Q′，以步長加速法初選指數(shù)α，β和系數(shù)a0，a1，a2。

（5）第1次優(yōu)化參數(shù)計算

①對偏離較大的突出點分析其原因，然后按情況作適當處理。

②將調(diào)整后的T系列和第（2）步中試求出的Q′系列以及第（4）步中求得的α，β和系數(shù)a0，a1，a2代入超標歷時公式，反求Hy值系列，即作試求潮汐因子的第2次迭代計算。

③以 Hy作為Y 系列，以Zj－3，Zj－2，Zj－1，Zj和

ΔZj為X系列，試求H值系列的第3次迭代計算，作多元回歸計算求得系數(shù)：b0，b1，……b5，則：

④將上述調(diào)整過的T系列和H 值代入超標歷時公式，反求Qy值，即作試求Q值系列的第2次迭代計算。

⑤以Qy作為Y 系列，以qj－2，qj－1和qj為X 系列，作多元回歸計算求得系數(shù)：c″1，c″2和c″3，再由 A＝c″1＋c″2＋c″3，求加權(quán)系數(shù)：

試求Q值系列的第3次迭代計算，加權(quán)平均流量：

⑥再算超標歷時計算公式參數(shù)

經(jīng)第1次優(yōu)化參數(shù)計算的T和H、Q系列，以步長加速法進行第2次優(yōu)選指數(shù)α，β和系數(shù)a0、a1、a2。

（6）繼續(xù)優(yōu)化參數(shù)計算

按第（5）步再進行循環(huán)計算（一般2～3次），以超標歷時T的實測值與試算值的相關(guān)系數(shù)R≥0.95為滿足要求。

表3～表5為南星橋取水口斷面氯離子超標歷時的多元相關(guān)方程中的各項系數(shù)和指數(shù)。珊瑚沙和七堡取水口斷面氯離子超標歷時的多元相關(guān)方程中的各項系數(shù)和指數(shù)按相同方法計算確定，可分別得到1組數(shù)據(jù)。

表3 Tj式中的系數(shù)和指數(shù)（南星橋斷面）Tab.3 Coefficients and indices of Tjformula（Nanxingqiao section）

表4 Hj式中的系數(shù)（南星橋斷面）Tab.4 Coefficients of Hjformula（Nanxingqiao section）

表5 Qj式中的系數(shù)（南星橋斷面）Tab.5 Coefficients of Qjformula（Nanxingqiao section）

對于為杭州河段咸度超標歷時而建立的上述多元相關(guān)方程組，其相關(guān)系數(shù)達0.95，相關(guān)性良好。以計算結(jié)果與相同條件下的實測數(shù)據(jù)進行對比檢驗可見，南星橋取水口斷面1996年7月30日—8月5日整個潮汛實測值和計算值擬合較好，用多元相關(guān)公式計算的結(jié)果較合理，與實際情況基本相符（圖2）。

在建立并驗證了上述相關(guān)方程組后，就可據(jù)此分別推算在不同情況下杭州河段江水咸度超標歷時、連續(xù)超標歷時、咸度標準小于等于250mg／L的達標歷時和可取水量等取水指標，從而判斷錢塘江涌潮對杭州河段水資源的影響。

圖2 南星橋?qū)崪y超標歷時與多元相關(guān)方程計算的超標歷時結(jié)果對比Fig.2 Measured and calculated results for the duration of water with exceeded standard salinity in Nanxingqiao

2 錢塘江涌潮對杭州河段水資源的影響分析

錢塘江涌潮在澉浦附近開始形成，在鹽官附近達到最大，爾后在向上游推進過程中強度逐漸減弱。錢塘江涌潮的強弱與潮汐的大小直接相關(guān)，在年內(nèi)以8—10月杭州灣潮差較大，這時錢塘江沿程涌潮也相應(yīng)較強；在月內(nèi)，朔、望日后2～3d杭州灣潮差為最大，錢塘江沿程涌潮強度也較大［6］。

本文著重分析1a中錢塘江涌潮較強、杭州河段用水量最大的7—10月錢塘江涌潮對杭州河段水資源的影響。每年的春分時節(jié)（3月）錢塘江涌潮也很強，但用水量不大，水資源問題不是很突出，因此本文未考慮。杭州河段從下游至上游選取七堡、南星橋和珊瑚沙3個斷面作為代表斷面。

在建立并驗證了七堡、南星橋和珊瑚沙3個斷面的相關(guān)方程組后，就可據(jù)以分別推算這3個斷面處江水咸度超標歷時、達標歷時和可取水量等指標，從而判斷錢塘江涌潮對杭州河段水資源的影響?？扇∷考礊橄潭冗_標的水量，其計算系根據(jù)七堡、南星橋和珊瑚沙3個斷面咸度達標的達標歷時分別乘以相應(yīng)時段富春江水電站的下泄流量即可得。

采用1996年河道條件（倉前潮位站最高水位8.88m），2009、2010和2011年7—10月期間杭州河段3個斷面咸度達標的可取水量計算結(jié)果見表6。

由表6可知，對杭州河段來說，從七堡、南星橋至珊瑚沙斷面，2009年7—10月期間咸度達標可取水量分別為30.94，51.02和56.83億 m3，占錢塘江上游同期天然徑流量比重分別為50.5%，83.2%和92.7%，錢塘江涌潮在向上游推進過程中強度逐漸減弱，咸度達標的可取水量向上游沿程漸增，珊瑚沙斷面的咸度達標水量比其以下任何斷面都多，說明錢塘江涌潮對杭州河段水資源的影響在下游河段比在上游河段大［7］。2010年和2011年的情況與2009年相似。

表6 2009—2011年7—10月杭州河段可取水量計算結(jié)果Tab.6 Calculation results of desirable water in Hangzhou reaches during July to November，2009－2011

從錢塘江涌潮對七堡斷面的影響來看，根據(jù)1994年、1995年和1996年這3年潮位資料，1994年7—10月期間倉前站最高水位達9.39m，1995年為8.09m，1996年為8.88m，相應(yīng)七堡斷面7—10月咸度達標可取水量分別為25.65，54.68和45.4億 m3，占錢塘江上游同期天然徑流量比重分別為50.1%，64.6%和57.6%，說明錢塘江涌潮強度越強，對杭州河段水資源的影響越大。

3 結(jié)論

（1）影響錢塘江杭州河段江水咸度的因素主要有3個：錢塘江涌潮的消漲及強度，錢塘江上游徑流量和錢塘江河道條件。

（2）錢塘江涌潮對杭州河段水資源影響分析方法采用一定河道條件下，錢塘江潮汐、上游徑流與杭州河段江水咸度指標的多元相關(guān)方程，相關(guān)性良好。用多元相關(guān)公式計算的結(jié)果較合理，與實際狀況基本相符。

（3）對杭州河段來說，從七堡、南星橋至珊瑚沙斷面，錢塘江涌潮在向上游推進過程中強度逐漸減弱，咸度達標的可取水量向上游沿程漸增，珊瑚沙斷面的咸度達標水量比其以下任何斷面都多，說明錢塘江涌潮對杭州河段水資源的影響在下游河段比在上游河段大。

（4）從錢塘江涌潮對七堡斷面的影響來看，錢塘江涌潮強度越強，對杭州河段水資源的影響越大。

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