杭州錢塘江灌區(qū)河網(wǎng)增加取水規(guī)模取水可靠性分析

姬戰(zhàn)生，孫映宏

(杭州市水文水資源監(jiān)測(cè)總站，浙江 杭州310016)

摘要：通過對(duì)河網(wǎng)代表站方千婁水文站水位進(jìn)行綜合分析可知，河網(wǎng)內(nèi)外水位差較大，通過閘泵引提水能保證灌區(qū)用戶用水需求；利用MIKE11建立了杭州錢塘江灌區(qū)河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)果表明：現(xiàn)狀和規(guī)劃偏不利取水條件下，河網(wǎng)內(nèi)河道的過水能力均能使取水口處河道保持足夠的取水水深，熱電公司取水口的取水保證率在90%以上，且對(duì)附近其他取水口處河道水位的影響不大.

關(guān)鍵詞：錢塘江灌區(qū)；取水可靠性；水位分析；水動(dòng)力模型

中圖分類號(hào)：TV213.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-12-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51109054)

作者簡(jiǎn)介：姬戰(zhàn)生(1980-)，男，河南洛陽(yáng)人，碩士研究生，工程師，主要從事水文水資源、數(shù)值模擬研究.

Reliability Research on Increasing Water Scale in River

Network of Qiantang River Irrigated Area

JIi Zhan-sheng, SUN Ying-hong

(Hangzhou Hydrology and Water Resources Monitoring Station, Hangzhou 310016, China)

Abstract:The comprehensive analysis of water level illustrates that, due to relatively large water level difference of river network inside and outside, drawing water through the sluice gate and pump is expected to meet the needs of water users in the irrigation area. The water level of Fangqianlou, the representative hydrological station of Qiantang River, is comprehensively analyzed and the hydrodynamic model for the river network of Qiantang River irrigated area in Hangzhou is established based on MIKE11. The simulation results of hydrodynamic model show that, under adverse conditions of weak water intake, both in present or in plan, channels transport water capability in river network makes all channels keep enough water depth to meet the guarantee rate of water intake over percent 90, with little influence on water level of near channels where other water intakes are.

Key words:Qiantang River irrigated area; reliability of water intake; analysis of water level; hydrodynamic model

杭州蕭山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)熱電有限公司是為國(guó)家級(jí)蕭山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、城市新區(qū)及周邊地區(qū)集中供熱的以供熱為主、熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)，目前公司總裝機(jī)容量為1臺(tái)130 t/h和3臺(tái)75 t/h循環(huán)流化床鍋爐，2臺(tái)12 MW抽凝式、1臺(tái)6 MW背壓式發(fā)電機(jī)組；機(jī)組總抽(排)汽能力為270 t/h左右，扣除自用汽后對(duì)外供熱能力可達(dá)210 t/h；發(fā)電裝機(jī)容量31.5 MW1).公司現(xiàn)有兩個(gè)生產(chǎn)用水取水水源：北塘河水和自來(lái)水.2011年、2012年公司實(shí)際取用自來(lái)水約150萬(wàn)t，北塘河水約35萬(wàn)t.為加強(qiáng)流域水資源的統(tǒng)一調(diào)度，2012年8月，杭州計(jì)劃完善分類水價(jià)制度，實(shí)行工業(yè)和服務(wù)業(yè)超計(jì)劃超定額用水累進(jìn)加價(jià)制度，大大增加了公司的生產(chǎn)成本.因此，熱電公司擬全部從北塘河原取水口取水，年取水量250萬(wàn)t，并通過建造一個(gè)產(chǎn)水能力為2×100 m3/h的脫鹽水站，對(duì)原水進(jìn)行水質(zhì)處理，以滿足生產(chǎn)用水需求.錢塘江灌區(qū)河網(wǎng)取水口眾多，幾乎呈片狀分布，熱電公司增加取水規(guī)模，河網(wǎng)水位變化是否明顯，取水水源是否可靠，是否會(huì)對(duì)附近取水戶造成較大影響，這都是需要研究的問題.

1) 杭州蕭山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)熱電有限公司二期擴(kuò)建工程可行性研究報(bào)告[R].中國(guó)聯(lián)合工程公司，2003.

目前，對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)取水口取水可靠性分析論證大多都是利用河網(wǎng)代表性水文站實(shí)測(cè)水文資料對(duì)河網(wǎng)水位進(jìn)行分析，從整體上分析河網(wǎng)水位均值的變化，無(wú)法精確地確定取水口河道和周邊河道水位、水深變化情況，很難確定是否能滿足取水需求和對(duì)附近其他用水戶的影響；部分采用一維水動(dòng)力模型模型進(jìn)行分析[1-2]，但又缺乏對(duì)河網(wǎng)整體水位變化的系列分析，水行政主管部門很難從宏觀層面掌握區(qū)域水資源利用情況.本文采用河網(wǎng)水位分析和一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型相結(jié)合的方法，以蕭山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)熱電有限公司增加取水規(guī)模取水水源可靠性分析為例，對(duì)取水水源可靠性分析方法進(jìn)行了較好的應(yīng)用和拓展，對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)特別是封閉灌區(qū)、圩區(qū)取水水源可靠性分析有一定的參考意義.

1錢塘江灌區(qū)概況

錢塘江灌區(qū)屬錢塘江下游濱海平原,由南沙平原和圍墾地區(qū)組成(見圖1),西起聞堰,東至圍墾二十二工段,北依錢塘江,南連蜀山平原,灌區(qū)面積為735 km2,耕地面積42 000余hm2,包括13個(gè)鎮(zhèn)、街道和臨江工業(yè)園區(qū)，區(qū)內(nèi)常駐人口70余萬(wàn).

圖1　錢塘江灌區(qū)水系圖

錢塘江灌區(qū)為獨(dú)立河網(wǎng)水系，河道多為人工開挖形成，縱橫交錯(cuò)，呈規(guī)則的網(wǎng)狀分布.根據(jù)最新的水域調(diào)查統(tǒng)計(jì)，河網(wǎng)內(nèi)共有172條河流，河道總長(zhǎng)度898 km，河流水域面積29 km2，現(xiàn)狀水面率約5%.主要河道有北塘河、前解放河、后解放河、義南橫河、三工段橫河、二十二段河、長(zhǎng)山直河、大治河、永豐直河、六工段直河、八工段直河、十工段直河等.

錢塘江灌區(qū)過境水量豐富，生活飲用水引自富春江、錢塘江聞堰及以上河段，一般工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水主要靠江邊、七甲、浦沿、小礫山等涵閘、排灌站通過引水閘引潮、提水泵站提水，從錢塘江調(diào)入境外水量解決.目前江邊、七甲、浦沿、小礫山排灌站引水流量分別為77.28 m3/s、5.6 m3/s、16.8 m3/s、16.8 m3/s，提水流量分別為52 m3/s、33.4 m3/s、4.44 m3/s、20 m3/s，正在重建的錢江水利樞紐規(guī)劃提水流量為20 m3/s；規(guī)劃將錢江、七甲取水功能上移至小礫山排灌站，擴(kuò)大小礫山排灌站提水規(guī)模為50 m3/s，分別在濟(jì)民河、長(zhǎng)山直河、大治河河尾各建造一座二級(jí)泵站，設(shè)計(jì)流量分別為25 m3/s、20 m3/s、5 m3/s，通過三座二級(jí)泵站引提水工程的聯(lián)合調(diào)度來(lái)解決灌區(qū)河網(wǎng)的供排水問題.

河網(wǎng)排澇和抗旱調(diào)度控制原則：梅汛期和臺(tái)汛期的河網(wǎng)正常水位分別為4.0 m和3.9 m，超過正常水位，周邊各閘應(yīng)開閘排澇，如遇天氣預(yù)報(bào)有暴雨發(fā)生，要適時(shí)進(jìn)行預(yù)排.當(dāng)梅汛末，河網(wǎng)水位允許短期抬高到4.2 m和4.0 m.在伏旱期間，要加強(qiáng)引排水閘的管理，防止河網(wǎng)水量外流并盡可能多引入水量.當(dāng)河網(wǎng)水位在3.8 m以下，各提引水工程盡可能多提引入水量.

2) 王衛(wèi)平，姬戰(zhàn)生，朱江等.杭州蕭山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)熱電有限公司增加取水規(guī)模水資源論證報(bào)告[R].河海大學(xué)，2013.

2水位分析

杭州蕭山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)熱電有限公司擬定在原取水口增加取水規(guī)模，取水口位置位于通惠北路橋東、北塘河南岸，附近沒有實(shí)測(cè)的水位、雨量資料，但在錢塘江灌區(qū)方千婁閘設(shè)有方千婁水文站，常年觀測(cè)內(nèi)河水位和雨量.本文選取方千婁站1969-2011年期間的同步實(shí)測(cè)水位、雨量資料對(duì)錢塘江灌區(qū)河網(wǎng)進(jìn)行分析2).該系列包含了豐、平、枯三種水情年份，有較好的一致性和代表性，分析結(jié)果能合理反映該區(qū)的水位變化規(guī)律.

2.1特征水位

根據(jù)歷年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，錢塘江灌區(qū)方千婁水文站多年平均水位3.90 m，實(shí)測(cè)最高水位5.12 m(2001年6月26日)，實(shí)測(cè)最低水位2.63 m(1969年8月18日)，多年平均年最低水位3.48 m，歷年年最低水位在2.63～3.83 m之間.

2.2年最低水位

分析方千婁站1969-2011年期間實(shí)測(cè)水位資料可知：

(1)歷年年最低水位多數(shù)出現(xiàn)在用水高峰期(7～9月份)，43年中出現(xiàn)了27次，占總次數(shù)的69.2%，其中尤其是8月份，占總次數(shù)的38.4%.

(2)隨著浦陽(yáng)江、錢塘江各提引水工程的改造與完善，增強(qiáng)了向河網(wǎng)的引提水能力，使河網(wǎng)多年平均年最低水位比1995年以前提高了近0.32 m，確保了用水高峰期間，河網(wǎng)水位保持在3.80 m以上，年最低水位保持在3.40 m以上，為抗旱和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展起到了很好的保障作用.

2.3特征年份水位

根據(jù)水文資料，重點(diǎn)分析兩種特殊情況下內(nèi)河河網(wǎng)取水的可靠性：降水量偏少的干旱年份1978年；內(nèi)河水位較低的1991年.

1978年，方千婁站年降水量為920.0 mm，比多年平均降水量偏少29.1%，屬枯水年份；1978年內(nèi)河水位偏低，方千婁站年平均水位3.74 m，比多年平均水位低0.16 m；錢塘江水位較高，聞家堰站年平均低潮位較內(nèi)河平均水位高0.05 m，年平均高潮位較內(nèi)河平均水位高0.46 m，內(nèi)外江水位差較大，有利于引錢塘江水入內(nèi)河水網(wǎng)，調(diào)節(jié)河網(wǎng)水位，滿足工農(nóng)業(yè)取水要求.

1991年，內(nèi)河水位較低，方千婁站年平均水位3.81 m，比多年平均水位低0.09 m，河道輸水能力有所下降.方千婁站年降水量1 192.9 mm，比多年平均降水量偏少8.2%，屬正常年份.1991年，外江水位較高，浦陽(yáng)江臨浦站年平均低潮位較內(nèi)河平均水位高0.08 m，年平均高潮位較內(nèi)河平均水位高0.61 m；錢塘江聞家堰站年平均低潮位較內(nèi)河平均水位高0.01 m，年平均高潮位較內(nèi)河平均水位高0.65 m.通過引、提水，沿河網(wǎng)用戶用水可以得到保證.

因此，干旱年份和內(nèi)河水位較低年份，由于錢塘江、浦陽(yáng)江水位較高，內(nèi)外江水位差較大，通過引水閘、提水泵發(fā)揮引提水作用，能保證灌區(qū)河網(wǎng)工農(nóng)業(yè)用戶用水需求.

3取水可靠性分析

本文采用MIKE11一維數(shù)學(xué)模型水動(dòng)力模塊(HD)進(jìn)行河網(wǎng)水流計(jì)算[4].

3.1河網(wǎng)概化

整個(gè)錢塘江灌區(qū)大小河道縱橫交錯(cuò)，河道斷面變化復(fù)雜，要對(duì)河網(wǎng)進(jìn)行模擬就必須對(duì)其進(jìn)行概化.河網(wǎng)概化是在天然河網(wǎng)的基礎(chǔ)上，以骨干河道為基礎(chǔ)，以概化后的河網(wǎng)基本與實(shí)際河網(wǎng)的水力特性等效為原則，并適當(dāng)增加取水口附近河道密度，達(dá)到概化后的河網(wǎng)的輸水能力和調(diào)蓄能力與實(shí)際河網(wǎng)基本一致的效果[3-4].模型選用實(shí)測(cè)斷面資料近150個(gè)，考慮了河網(wǎng)35處閘、泵、堰等.河網(wǎng)概化(見圖2).

圖2　河網(wǎng)概化圖

3.2現(xiàn)狀和規(guī)劃不利取水條件

(1)河網(wǎng)初始水位取3.80 m.

(2)當(dāng)且僅當(dāng)河網(wǎng)水位低于3.80 m，啟用排灌站引提水.河網(wǎng)水位超過正常水位3.90 m(按對(duì)取水不利，選擇臺(tái)汛控制水位)或各排灌站引水渠渠首高程大于5.00 m，即停止引提水.

(3)錢塘江灌區(qū)農(nóng)灌面積約34 666.67 hm2，取水流量較大(30～50 m3/s)，偏不利設(shè)計(jì)，以江邊排灌站52 m3/s全部作為農(nóng)業(yè)用水補(bǔ)充，確保農(nóng)灌高峰期用水平衡.

(4)2011年，錢塘江灌區(qū)的工農(nóng)業(yè)年用水量約4.9億m3, 其中農(nóng)業(yè)約2.3億m3，工業(yè)用水為2.6億m3.根據(jù)蕭山區(qū)農(nóng)機(jī)水利局地表水取水口調(diào)查報(bào)告，在模型邊界文件中設(shè)置重要工業(yè)取水點(diǎn)源52個(gè)，合計(jì)用水1.1億m3，其余約1.5億m3的取水按線源消耗平均到每條河道.

(5)現(xiàn)狀條件下，邊界僅考慮七甲排灌站、小礫山排灌站長(zhǎng)山直河二級(jí)泵站進(jìn)行補(bǔ)水，其余排灌站取水規(guī)模相對(duì)較小，不考慮其補(bǔ)水能力，此條件對(duì)補(bǔ)水更為不利；規(guī)劃條件下，邊界重點(diǎn)考慮錢江水利樞紐20 m3/s和小礫山排灌站通過濟(jì)民河、長(zhǎng)山直河、大治河河尾三個(gè)二級(jí)泵站50 m3/s的取水規(guī)模進(jìn)行補(bǔ)水.在此前提下，增加取水規(guī)模能否取到水，是否會(huì)對(duì)周邊企業(yè)取水產(chǎn)生影響，主要取決于河道的過水能力能否使取水口周邊河道保持足夠的取水水深.

3.3取水口取水可靠性分析

現(xiàn)狀和規(guī)劃不利取水計(jì)算條件下數(shù)模計(jì)算成果表明：

(1)錢塘江灌區(qū)面積較大，補(bǔ)水覆蓋影響整個(gè)河網(wǎng)需要一定時(shí)間.在補(bǔ)水尚未影響到的河道，由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)用水會(huì)導(dǎo)致河網(wǎng)水位在初始水位3.80 m的基礎(chǔ)上有一定幅度的下降：現(xiàn)狀不利取水條件下，水位可能下降幅度在0.02 m左右，即河網(wǎng)最低水位不會(huì)低于3.38 m；規(guī)劃不利取水條件下，水位可能下降幅度在0.007 m以內(nèi)，即河網(wǎng)最低水位不會(huì)低于3.39 m.

(2)在現(xiàn)狀和規(guī)劃不利取水條件下，在江邊排灌站52 m3/s取水規(guī)模全部作為農(nóng)業(yè)用水補(bǔ)充以保證用水高峰期農(nóng)灌用水基本平衡的前提下(包括熱電公司250萬(wàn)t/a取水量在內(nèi))，沿江排灌站的取水規(guī)模和河網(wǎng)的輸水能力可使各輸水河道均能保持一定的水深，不會(huì)出現(xiàn)無(wú)法過水的情況；熱電公司取水口河段平均水深可保持在2.00 m以上，能滿足企業(yè)的取水需求.

表1　現(xiàn)狀和規(guī)劃不利取水計(jì)算條件下取水口周邊河道水深分析　單位：m

按照錢塘江灌區(qū)河網(wǎng)調(diào)度規(guī)則，當(dāng)河網(wǎng)水位在3.80 m以下，各引提水工程盡可能多引提入水量；用水高峰期間，河網(wǎng)水位保持在4.00 m左右.因此，模型河網(wǎng)計(jì)算初始水位控制為3.80 m，高于90%保證率河網(wǎng)日均水位(3.68 m)，加上現(xiàn)狀和規(guī)劃取水條件均為不利取水條件，使設(shè)計(jì)計(jì)算條件比以90%保證率日水位為控制條件更為不利，因此，熱電公司取水口取水的保證率在90%以上.

同時(shí)，蕭山區(qū)為提高錢塘江灌區(qū)的排澇灌溉能力，進(jìn)行了主干河道和次干河道的河道規(guī)劃，上游地區(qū)河道規(guī)劃河底高程在1.0～1.5 m，下游地區(qū)河道規(guī)劃河底高程在0.5～1.0 m，并對(duì)河道進(jìn)行相應(yīng)的拓寬.規(guī)劃實(shí)施后，河道水深將增加1.0 m左右，將增強(qiáng)河道輸水能力，增加河網(wǎng)槽蓄水量，有利于滿足河網(wǎng)沿線工農(nóng)業(yè)、景觀用水需求.

3.4對(duì)其他用水戶的影響分析

熱電公司取水口附近只有杭州蕭山景福印染有限公司取水口(取水規(guī)模60萬(wàn)t/a)，距離約1.9 km，周邊另無(wú)其他大的取水口.距離稍遠(yuǎn)的取水規(guī)模較大的有杭州紅山熱電有限公司(取水規(guī)模1 364萬(wàn)t/a)、杭州蕭山紅山染整有限公司(取水規(guī)模140萬(wàn)t/a)、杭州紅寶染化有限公司(取水規(guī)模166萬(wàn)t/a)等，其取水口距離本項(xiàng)目取水口在10 km左右.

通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算不利取水條件下，熱電公司取水規(guī)模增加前后，附近的杭州景福印染、杭州紅山熱電、杭州紅山染整、杭州紅寶染化等取水口附近斷面水位變化過程(見圖3)(截取第10～20 h的過程線以清晰地顯示其水位差異)，水利計(jì)算特征點(diǎn)位置(見圖4).結(jié)果表明，熱電公司增加取水規(guī)模對(duì)附近區(qū)域其他取水口處河道水位的影響不大：對(duì)最靠近的杭州景福印染取水口影響最大，水位下降0.002 m，對(duì)較遠(yuǎn)的其余取水口的水位影響都在0.001 m以內(nèi).因此，可認(rèn)為熱電公司增加取水規(guī)模對(duì)其他用水戶用水影響不大.

圖3　熱電公司增加取水規(guī)模前后上述四個(gè)取水口處河道斷面水位變化過程線

圖4　河網(wǎng)水利計(jì)算特征斷面位置圖

4結(jié)論

(1)通過對(duì)錢塘江灌區(qū)代表性水文站方千婁站歷年最低水位和干旱代表年、內(nèi)河水位較低代表年特征年份水位進(jìn)行分析可知，由于錢塘江、浦陽(yáng)江水位較高，內(nèi)外江水位差較大，通過引水閘、提水泵發(fā)揮引提水作用，能保證灌區(qū)內(nèi)河網(wǎng)工農(nóng)業(yè)用戶用水需求.

(2)運(yùn)用河網(wǎng)水動(dòng)力模型詳細(xì)分析了河網(wǎng)增加取水規(guī)模后取水的可靠性，結(jié)果表明：現(xiàn)狀和規(guī)劃不利取水條件下，河網(wǎng)的過水能力均能使取水口處河道保持足夠的取水水深，熱電公司增加取水規(guī)模的取水要求可以得到保證，且取水保證率在90%以上；熱電公司取水對(duì)附近區(qū)域其他取水口處河道水位的影響不大.

(3)本文采用河網(wǎng)代表站水位綜合分析和一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型相結(jié)合的方法，分別從宏觀和微觀角度對(duì)河網(wǎng)增加取水規(guī)模取水水源可靠性進(jìn)行分析，對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)特別是封閉灌區(qū)、圩區(qū)用戶取水水源可靠性分析具有很好的指導(dǎo)意義，也可為平原河網(wǎng)區(qū)域和灌區(qū)取水水源論證研究提供借鑒.

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