王衛(wèi)標(biāo)，尤愛(ài)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(kāi)挖)位于杭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)新區(qū)核心，湖區(qū)面積45萬(wàn)m2，周邊建設(shè)用地40萬(wàn)m2，規(guī)劃打造成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)都市中心湖區(qū)。整個(gè)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)新區(qū)依傍金沙湖而建，湖區(qū)水質(zhì)是保障開(kāi)發(fā)區(qū)品質(zhì)的關(guān)鍵。

城市湖泊受人類活動(dòng)干預(yù)強(qiáng)，既有城市面源污染，又有內(nèi)源底泥釋放，同時(shí)存在市政管網(wǎng)錯(cuò)接及污水管網(wǎng)滲漏等問(wèn)題，水體遭受污染與富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)較高[1-3]。為保障金沙湖水質(zhì)，規(guī)劃通過(guò)錢(qián)塘江已建的四格排灌站(見(jiàn)圖1)，取錢(qián)塘江水經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)行湖泊環(huán)境補(bǔ)水。

受徑流、潮汐影響，錢(qián)塘江四格河段水位、泥沙和含氯度變化均較復(fù)雜，局部時(shí)段無(wú)法達(dá)到取水要求。因此，為明確可引水時(shí)間與供水保障程度，需對(duì)水位、含氯度與含沙量隨潮變化的特點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)歷時(shí)分析，進(jìn)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(yùn)行口門(mén)，裝有6臺(tái)1400ZLB6.3-4.0型軸流泵，其中2臺(tái)灌排兩用，4臺(tái)用來(lái)排澇，每臺(tái)裝機(jī)能力為6 m3/s。從圖2可見(jiàn)，四格排灌站引水自聚首河頭部，因此只有在錢(qián)塘江水位高于下游閘閘底高程時(shí)，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(shí)段內(nèi)，因此從錢(qián)塘江河口引水的水位、含氯度和含沙量綜合保證率計(jì)算見(jiàn)式(1)。

圖1 金沙湖及錢(qián)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(qián)塘江河口受上游新安江建庫(kù)和下游圍墾等人類活動(dòng)影響[4,5]較大，由此帶來(lái)的一些水環(huán)境變化是不可逆的，因此在進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的保證率分析時(shí)，均采用錢(qián)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(jìn)水池設(shè)計(jì)最低進(jìn)水水位為2.87 m(85國(guó)家黃海高程，下同)，但因淤積等原因，錢(qián)塘江實(shí)際水位低于3.12 m時(shí)已不能有效配水。因此，四格能否引水受錢(qián)塘江外江水位制約，需要統(tǒng)計(jì)分析長(zhǎng)歷時(shí)條件下外江不能有效進(jìn)水的時(shí)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(cè)高潮位、低潮位、漲潮歷時(shí)、落潮歷時(shí)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(kāi)展了潮水位的同步觀測(cè)，取得數(shù)據(jù)216個(gè)，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(cè)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(jiàn)式(2)，低潮位的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)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(qián)塘江各級(jí)水位的運(yùn)行時(shí)間與潮水的強(qiáng)度和低潮位有密切關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，低潮位高時(shí)，較高的水位級(jí)運(yùn)行歷時(shí)長(zhǎng)，低潮位低時(shí)，較低的水位級(jí)運(yùn)行歷時(shí)長(zhǎng)。分析四格排灌站各月平均低潮位與各級(jí)水位運(yùn)行歷時(shí)，具有較好的相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)達(dá)0.94)，見(jiàn)式(4)。

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

(4)

式中：y為高于3.12 m的月時(shí)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(jìn)口處的長(zhǎng)系列高低潮位；再由推求的逐潮低潮位計(jì)算月平均低潮位，最后由關(guān)系式(4)可推求各級(jí)水位的保障程度，其中水位>3.12 m的歷年逐月保證率見(jiàn)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(shuō)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(jìn)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(qián)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(kuò)散，導(dǎo)致河流隨漲潮含氯度升高。當(dāng)含氯度超過(guò)某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)如大于0.25×10-3時(shí)，則需停止向錢(qián)塘江取水。

(1)資料情況。錢(qián)塘江杭州段含氯度監(jiān)測(cè)站點(diǎn)主要有倉(cāng)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(jìn)行了含氯度的同步監(jiān)測(cè)，可用于建立四格站與七堡站含氯度的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而推算長(zhǎng)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(shí)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(gè)時(shí)段的四格排灌站與七堡站同步含氯度觀測(cè)資料，兩站氯度相關(guān)系數(shù)為0.96，見(jiàn)圖3。采用七堡站的含氯度長(zhǎng)系列資料對(duì)四格排灌站處的含氯度進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)。

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(shí)關(guān)系。挑選含氯度較大的年份資料，如1994、1999、2003年，統(tǒng)計(jì)月平均最大含氯度與含氯度小于0.25×10-3的歷時(shí)保證率，關(guān)系線見(jiàn)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(jiàn)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(qián)塘江泥沙受潮汐影響，呈周期性變化。漲潮時(shí)，河床受潮水沖刷及下游帶來(lái)的泥沙影響，河水含沙量急劇上升；漲潮過(guò)后，水勢(shì)平穩(wěn)后，泥沙慢慢沉淀，含沙量下降。含沙量過(guò)程與水位漲落過(guò)程基本同步，在涌潮到達(dá)后0.5 h達(dá)到過(guò)程最大，涌潮過(guò)后4.5 h左右出現(xiàn)過(guò)程低值[7]。

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

表3 實(shí)測(cè)大、中、小潮汛含沙量歷時(shí)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(qián)塘江河口無(wú)長(zhǎng)系列的含沙量觀測(cè)資料，因此亦無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)歷時(shí)的含沙量保證率分析，為此進(jìn)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(duì)應(yīng)的逐級(jí)含沙量超標(biāo)率。根據(jù)水預(yù)處理工藝的要求，錢(qián)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(jiàn)表4。

由表4可知，由于錢(qián)塘江河口圍墾治理的推進(jìn)，四格附近進(jìn)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(yán)格條件進(jìn)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(jiàn)，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(wú)法進(jìn)行人為調(diào)控，但水位保證率可以通過(guò)進(jìn)水口的清淤得到提高。如對(duì)四格翻水站進(jìn)口處的淤積進(jìn)行清理，則進(jìn)水水位可按2.87 m控制，通過(guò)計(jì)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(yǔ)

從感潮河段取水時(shí)，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(shí)，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(guò)與固定水文站建立相關(guān)關(guān)系，本文進(jìn)行了錢(qián)塘江四格引水點(diǎn)水位、含氯度和含沙量的長(zhǎng)系列分析，得到杭州下沙金沙湖從錢(qián)塘江四格取水的綜合保證率為72%；通過(guò)對(duì)進(jìn)水口清淤，綜合保證率可以提高至76%。通過(guò)研究，提出了從感潮河段引水的綜合保證率計(jì)算方法以及分項(xiàng)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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