涂新軍,吳海鷗,陳曉宏,林凱榮,賴榮標(biāo)

(1:中山大學(xué)土木工程學(xué)院水資源與環(huán)境研究中心， 廣州 510275)

(2:廣東省華南地區(qū)水安全調(diào)控工程技術(shù)研究中心，廣州 510275)

(3:南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室，珠海 519000)

感潮河流淡水資源開發(fā)利用最大制約因素是咸潮入侵[1]. 咸潮入侵是指入海口高鹽度水體上溯，造成河道水體含氯度超標(biāo)現(xiàn)象，其受到河口潮流漲落作用、入海徑流沖淡作用和風(fēng)力擾動等多方面影響[2]. 河口三角洲咸潮入侵研究受到普遍關(guān)注[3]，如發(fā)生在我國的閩江口[4]、長江口[5-6]和珠江口[7-8]等. 隨著當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟快速發(fā)展，區(qū)域用水持續(xù)增長，咸潮影響下供水安全問題日益突顯[9]，如珠江口珠海市咸潮影響區(qū)的水資源優(yōu)化配置研究[10]和長江口上海市多個取水口供水安全問題[11]. 當(dāng)枯水期上游來水量偏少時，感潮河段取水口含氯度在咸潮影響下部分時段超標(biāo)，不能達到取水標(biāo)準，從而威脅城市供水安全. 通過流域水量調(diào)度增加枯水期下泄流量，成為保障感潮河段取水安全的措施之一. 但枯水期可利用水資源有限，如何確定合理的上游來水壓咸臨界流量，成為咸潮影響下感潮河段供水安全關(guān)鍵問題之一.

在長江河口，有人提出了保障長江口供水安全的月控制臨界流量含義和標(biāo)準，并結(jié)合水動力模型分析了長江口咸潮入侵期的臨界流量過程[1]；基于徑流和潮汐的共同影響，提出了南渡河口臨界水位線和淡水保證率概念[12]；運用水動力和咸水入侵模型，定量分析上游來水對咸度入侵邊界線影響并確定壓咸流量[5]；綜合多種鹽度預(yù)測經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，確定了長江口南支上段壓咸臨界流量[13]. 在珠江河口，有人基于徑流-咸潮響應(yīng)模式，分析磨刀門水道供水的壓咸流量和壓咸時機[14]；通過探討磨刀門地區(qū)鹽水入侵距離與潮差的響應(yīng)關(guān)系，得到增大壓咸流量的最佳時期[7]. 前人對于壓咸臨界流量的研究中，主要采用已有短期咸度觀測資料，與上游來水流量進行統(tǒng)計分析，較少考慮當(dāng)?shù)厮畮旃┬钅芰εR界流量的影響. 在分析長江口臨界流量時，有研究認為水庫由于其多目標(biāo)性對壓咸調(diào)控有限[6]. 如何基于上游來水進行感潮河段咸度預(yù)測，定量構(gòu)建上游來水與超標(biāo)過程之間的聯(lián)系，以及避咸取水如何與當(dāng)?shù)厮畮煺{(diào)度結(jié)合，是保障當(dāng)?shù)毓┧踩芾淼钠惹行枨?

珠江三角洲是我國粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)域，磨刀門水道是珠海及澳門的重要水源地，枯水期咸潮入侵已經(jīng)威脅到了當(dāng)?shù)毓┧踩玔15]. 自2005年以來，通過西江上游骨干水庫群水量調(diào)度，加大了枯水期西江下游來水量，對于抑制珠江河口磨刀門水道的咸潮上溯效果顯著[16-17]. 隨著大藤峽水利樞紐工程投入運行及與骨干群水庫的壓咸調(diào)度，提出了當(dāng)枯水期咸潮上溯影響嚴重時，梧州斷面下泄流量調(diào)度目標(biāo)為2100 m3/s，能有效地保障珠江三角洲河口區(qū)域供水安全[18]. 但是一方面，近十年來磨刀門水道主要取水口，短時間尺度(時均值或日均值)咸度超標(biāo)問題依然存在. 另一方面，隨著粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃的實施，區(qū)域經(jīng)濟高速增長及城市群發(fā)展模式對區(qū)域供水安全提出了更高要求[19]. 近些年來，當(dāng)?shù)厮Y源規(guī)劃提出了“江水為主、庫水為輔、江庫聯(lián)動、江水補庫、庫水調(diào)咸”的供水模式. 上游來水流量及對應(yīng)的避咸取水時段，也成為了當(dāng)?shù)睾訋炻?lián)合調(diào)度供水關(guān)鍵問題.

因此，本文研究擬構(gòu)建避咸蓄淡供水模型，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的咸潮預(yù)測模塊，模擬不同來水過程下咸潮超標(biāo)情況；通過河庫聯(lián)合供水調(diào)度模塊，分析不同需水情景下長系列上游來水日過程的供需平衡狀況；通過供水安全分析模塊，識別上游來水的風(fēng)險流量及臨界流量，為依賴感潮河段為水源地的區(qū)域供水安全管理提供科學(xué)依據(jù). 以面向粵港澳大灣區(qū)珠海及澳門的珠江三角洲磨刀門水道取供水為例，結(jié)合當(dāng)?shù)厮Y源規(guī)劃，分析不同需水情景下當(dāng)?shù)睾訋炻?lián)合供蓄的上游臨界流量.

1 研究方法

1.1 避咸蓄淡供水模型

當(dāng)感潮河流取水口的咸度超標(biāo)成為常態(tài)，且又無法尋找到替代水源時，如何充分利用感潮河流適宜的取水時機(咸度小于水質(zhì)標(biāo)準限值的取水時間)和水庫等蓄水工程，通過避咸蓄淡及河庫聯(lián)合供水，成為了沿海城市(如珠江三角洲的珠海市)保障供水安全的重要措施[20]. 其中，在城市供水過程中，取水口超標(biāo)時間和水庫可調(diào)蓄能力，成為當(dāng)?shù)毓┧踩Ｕ系年P(guān)鍵參數(shù). 為此，避咸蓄淡供水模型(withdrawal avoiding saltwater model，簡稱WASM)，耦合了咸度預(yù)測模塊、河庫聯(lián)合供水調(diào)度模塊和供水安全分析模塊，如圖1.

圖1 感潮河流避咸蓄淡供水模型

通過咸度預(yù)測模塊，建立上游來水量與取水口超標(biāo)時間的聯(lián)系，并根據(jù)上游來水日過程，預(yù)測取水口日超標(biāo)時間. 通過河庫聯(lián)合供水調(diào)度模塊，基于特定需水量，分析某一枯水期上游來水下的取水、供水、蓄水及缺水等日過程. 通過供水安全分析模塊，基于是否缺水以及設(shè)定閾值下水庫剩余水量判斷，識別上游來水是否屬于風(fēng)險流量，再結(jié)合設(shè)定閾值下總?cè)彼颗袛?，從風(fēng)險流量中識別供水安全的臨界流量.

1.2 咸度預(yù)測和超標(biāo)時間

感潮河流咸度變化過程受多重因素影響，主要包括河口潮流漲落作用海水入侵、上游徑流沖淡作用和風(fēng)力對河口縱向凈環(huán)流的擾動作用等[21]. 因此，可建立咸度因子S與其主要影響因子(潮汐因子H、徑流因子Q和風(fēng)力因子W)的映射關(guān)系，即:

S=f(H,Q,W)

(1)

由于鹽度與主要因子之間的關(guān)系十分復(fù)雜，咸度因子與其影響因子之間很難得出顯示函數(shù)表達式. 目前，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network，ANN)能夠很好地處理這一類預(yù)測問題，并已應(yīng)用于咸潮預(yù)測研究[22]. 本文擬采用反向傳遞人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(back propagation artificial neural networks，BP-ANN)，模擬取水口咸度與河口潮汐因子、上游徑流因子和當(dāng)?shù)仫L(fēng)力因子的關(guān)系，并通過上游來水過程預(yù)測取水口咸度.

在感潮河流供水安全保障規(guī)劃中，當(dāng)?shù)厮Y源管理更加關(guān)注上游來水條件下取水時機問題. 根據(jù)國家飲用水源地水質(zhì)標(biāo)準要求，當(dāng)含氯度超過250 mg/L被認為咸度超標(biāo)，該階段累積時間為超標(biāo)時間. 因此，基于日尺度的咸度及其主要影響因子觀測樣本，通過BP-ANN模擬訓(xùn)練與驗證，確定咸度預(yù)測模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)后，假定潮汐和風(fēng)力因子維持原有定常條件，根據(jù)時尺度咸度觀測樣本和供水水質(zhì)咸度標(biāo)準限值要求，建立日均含氯度與日超標(biāo)時間的映射關(guān)系，實現(xiàn)日超標(biāo)時間與上游來水日均流量的連結(jié)，即:

Th=f(S)=f[f(Q|H,W)]

(2)

式中，Th為咸度日超標(biāo)時間，S為日均含氯度，Q為日均流量.

通常情況下，日均含氯度值越高，每日咸度超標(biāo)時間越長，屬于正相關(guān)關(guān)系. 因此研究過程中，可采用了多種能夠呈現(xiàn)正相關(guān)的曲線函數(shù)，擬合含氯度與超標(biāo)時間之間的關(guān)系.

1.3 河庫聯(lián)合供水調(diào)度和供需平衡分析

受到咸度超標(biāo)影響，感潮河流取水時機并不穩(wěn)定. 取水口在咸潮影響時從河流避咸取水，每日避咸取水量首先供給水廠，若能滿足區(qū)域需水，則多余取水量結(jié)合水庫蓄水能力存儲，若取水無法滿足需水要求，則通過水庫補充供給. 由于當(dāng)?shù)厮畮旒娣e較小，枯水期供需平衡過程中不考慮水庫集水區(qū)域的來水和蒸發(fā)損失等.

若河流取水口的日取水能力為Vc(m3),當(dāng)?shù)厝招杷繛閂d(m3),水庫前一日蓄水量為W0(m3),水庫總蓄水能力為Wc(m3),則取水口每日取水量Vw(m3)為:

Vw=Vc(1-Th/24)

(3)

若取水量不小于需水量，即Vw≥Vd,則實際日供水量Vs(m3)、水庫日蓄水量VI(m3)和總蓄水量WT(m3)為:

Vs=Vd

(4)

VI=Vw-Vs

(5)

WT=W0+VI

(6)

式中，WT≤Wc. 若WT>Wc,則令WT=Wc.

若取水量小于需水量，即Vw

VO=Vd-Vw

(7)

WT=W0-VO

(8)

Vs=Vw+VO

(9)

式中，WT≥0. 若WT<0,則令WT=0,且有:

VO=W0

(10)

Vs=Vw+VO

(11)

式中，Vs

Ws=Vd-Vs

(12)

1.4 供水安全分析和臨界流量

基于咸度預(yù)測和河庫聯(lián)合供水調(diào)度模塊，可獲悉某一頻率或典型年上游來水條件下，避咸蓄淡過程的供需平衡狀況. 從水資源規(guī)劃和管理角度來說，探究滿足未來發(fā)展需水要求的上游來水量即臨界流量，成為了依賴感潮河段取水的城市供水安全關(guān)鍵問題之一. 一般來說，在水資源調(diào)配過程通常是基于供水保障率(包括供水水量保障率和供水天數(shù)保障率)分析供水安全[23]. 本文根據(jù)長系列上游來水過程，擬通過設(shè)定風(fēng)險閾值和臨界閾值，通過避咸蓄淡供水模型調(diào)度及供需平衡結(jié)果，分析上游來水的風(fēng)險流量和臨界流量.

有某年枯水期上游來水{Q0|Q0(i),i=1,2,…,N},N為總天數(shù). 總需水為WD,通過咸度預(yù)測和河庫聯(lián)合供水調(diào)度之后，水庫剩余蓄水量為WR(不含死庫容)，總?cè)彼繛閃a.設(shè)定風(fēng)險閾值TR和臨界閾值TC,有:

Wa≥0

(13)

WR/WD≤TR

(14)

Wa/WD≤TC

(15)

式(13)～(15)定量分析目的是，若存在缺水，則表明現(xiàn)有的河庫聯(lián)合供水系統(tǒng)對于該典型年上游來水而言存在供水風(fēng)險；若不缺水，但聯(lián)合供水調(diào)度期末的水庫蓄水量較小時，考慮到咸度預(yù)測和來水過程等不確定性的影響，認為該典型年上游來水存在潛在的供水風(fēng)險；若蓄水量和缺水量相對于需水而言在一個較小的范圍之內(nèi)，從供需平衡角度而言是可接受的供水風(fēng)險，則該典型年上游來水被認為是期望上游來水的臨界流量.

2 案例分析

2.1 區(qū)域概況和數(shù)據(jù)處理

如圖2所示，粵港澳大灣區(qū)珠海及澳門位于珠江三角洲南部，其供水水源主要依賴于磨刀門水道取水. 作為珠江三角洲八大口門之一的入海通道，磨刀門水道屬于典型感潮河流. 珠海市在磨刀門水道設(shè)有3個取水口，分別為廣昌泵站、平崗泵站和竹洲頭泵站，設(shè)計取水能力分別為100萬、124萬和80萬m3/d. 3個泵站的取水不僅要保障珠海東城片區(qū)供水，而且還承擔(dān)著對澳門供水的任務(wù). 珠海市主要調(diào)咸水庫為竹銀水庫，興利庫容為3811萬m3；另在珠海市北部有若干個小型水庫或塘壩構(gòu)成了北部水庫群，參與珠海東城片區(qū)和澳門的供水，合計興利庫容為2945萬m3；總興利庫容為6756萬m3.

圖2 研究區(qū)地理位置及氣象水文站、取水泵站、水庫和供水對象

由于受到上游來水減少、河床下切和咸潮上溯等綜合因素影響，磨刀門水道枯水期的咸度超標(biāo)問題日益突出[24]. 盡管西江上游骨干水庫群的壓咸調(diào)度，能有效緩解河口地區(qū)咸潮上溯影響. 但是根據(jù)磨刀門水道主要取水口2010-2015年枯水期逐時咸度變化，廣昌、平崗和竹洲頭泵站取水口含氯度超標(biāo)占比分別為70%、20%和11%，短時間尺度的咸度超標(biāo)問題依然顯著，如圖3. 為此，珠海市加強了區(qū)域水庫聯(lián)合調(diào)蓄功能，基于磨刀門河流取水時機避咸供水，并充分挖掘當(dāng)?shù)厮畮煺{(diào)蓄能力取水蓄淡，形成了河庫避咸蓄淡聯(lián)合供水模式. 2018年，珠海市東部及澳門供水量約為3.61億m3，枯水期需水量為1.81億m3；參考當(dāng)?shù)貐^(qū)域發(fā)展及水資源規(guī)劃，預(yù)測2035年需水量約為8.45億m3，枯水期需水量為4.23億m3.

圖3 磨刀門水道主要取水口2010-2015年枯水期逐時咸度變化

磨刀門水道咸度觀測開展較晚，考慮數(shù)據(jù)分析匹配，主要選用了2003年1月1日-3月31日、2003年10月1日-2004年3月31日、2004年12月1日-2005年3月31日和2005年10月1日-12月31日廣昌泵站和平崗泵站的含氯度日均值，以及廣昌泵站、平崗泵站和竹洲頭泵站2011年10月1日-2012年3月31日的含氯度日均值和日超標(biāo)時間. 上游徑流因子以西江流域控制站高要和北江流域控制站石角的合計流量為輸入，獲取到1957-2008年(水文年)逐日流量過程. 潮汐因子以磨刀門水道入海口燈籠山潮位站的潮位過程為參照，風(fēng)因子以最鄰近研究區(qū)域中山氣象站逐日風(fēng)速風(fēng)向為參照.

考慮到竹洲頭泵站咸度數(shù)據(jù)較少，以廣昌泵站和平崗泵站的逐日咸度因子含氯度日均值數(shù)據(jù)為樣本，進行咸度預(yù)測模型訓(xùn)練和驗證. 選取燈籠山日最低潮位、日平均潮位、日最大潮差、中山站風(fēng)速風(fēng)向、高要與石角的合計日流量，作為備選預(yù)測因子. 根據(jù)風(fēng)對咸潮入侵影響的物理機制，以磨刀門水道流出河口方向為正建立直角坐標(biāo)系，沿坐標(biāo)系對風(fēng)進行徑向和切向分解，認為切向方向分量對咸潮有影響[21]. 潮位因子、流量因子和風(fēng)速因子變化過程見圖4.

圖4 磨刀門水道咸度預(yù)測潮汐因子、徑流因子和風(fēng)因子變化過程

廣昌泵站和平崗泵站備選預(yù)測因子與咸度之間相關(guān)性與互相關(guān)性見表1. 對比互相關(guān)程度，結(jié)合物理機制成因分析，流量、日平均潮位、日最大潮差、日最低潮位和切向風(fēng)速對咸度影響滯后時間分別為+2、+1、+3、-2和+2 d. 除日平均潮位外，各預(yù)測因子與咸度的相關(guān)性均通過檢驗，且為負相關(guān). 因此，確定磨刀門水道咸度預(yù)測模型的主要輸入因子為流量、日最大潮差、日最低潮位和切向風(fēng)速.

表1 磨刀門水道咸度和預(yù)測因子的相關(guān)性與互相關(guān)性

為了更好地了解當(dāng)?shù)匦杷鲩L過程中供需平衡以及上游來水過程差異對供水安全的影響，擬設(shè)定多需水情景下，分析不同來水系列的避咸蓄淡供水平衡狀況. 基于現(xiàn)狀用水(1.81億m3)和未來規(guī)劃需水(4.23億m3)之間的差異水量，以其5%的水量等距增長，連續(xù)設(shè)定需水情景. 基于高要站和石角站1956-2008年枯水期(10月1日-3月31日)逐日合計流量，共獲取52個來水系列過程. 根據(jù)枯水期平均流量系列進行統(tǒng)計模擬，獲得每個來水系列過程流量均值特征及相應(yīng)的設(shè)計頻率，以此作為上游來水的特征流量. 在日供需平衡分析過程中，缺水情況下枯水期可供水量為需水量與缺水量之差的累積值，滿足供需平衡情況下可供水量為枯水期累積供水量與末期水庫結(jié)余量之和. 在風(fēng)險流量和臨界流量分析過程中，風(fēng)險閾值和缺水閾值均設(shè)定5%. 若枯水期避咸蓄淡調(diào)度過程存在缺水或枯水期結(jié)束時水庫蓄水量與總需水之比小于5%，則認為該來水過程流量均值為風(fēng)險流量，其中枯水期總?cè)彼颗c總需水量之比小于5%及枯水期結(jié)束時水庫蓄水量與總需水之比小于5%的來水過程流量均值為臨界流量.

2.2 咸度模擬與預(yù)測

構(gòu)建3層BP-ANN，將460組實測數(shù)據(jù)按照時間順序分為模型訓(xùn)練期和驗證期，分別有數(shù)據(jù)樣本400和60組，模型擬合建立過程如下：

1)數(shù)據(jù)預(yù)處理. 考慮各因子數(shù)據(jù)類型差異，用Premnmx函數(shù)對輸入輸出數(shù)據(jù)歸一化至[-1,1]后進行模擬，輸出數(shù)據(jù)再進行反歸一化處理.

2)模型構(gòu)建及訓(xùn)練. 非線性傳輸函數(shù)為tansig，輸出層采用線性函數(shù)purelin，選用traingdm算法，訓(xùn)練精度RMSE的閾值設(shè)定為[0.008,0.05][25]，優(yōu)選出廣昌泵站和平崗泵站模型結(jié)構(gòu)分別為4-10-1和4-12-1. 訓(xùn)練后的模擬值與實際值相關(guān)程度較高，廣昌泵站和平崗泵站的決定系數(shù)R2分別為0.95和0.84，構(gòu)建的BP-ANN 模型收斂有效，如圖5.

圖5 磨刀門水道咸度預(yù)測的BP-ANN訓(xùn)練與驗證

3)模型驗證. 基于訓(xùn)練后模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)集，廣昌泵站和平崗泵站在驗證階段的RMSE分別為0.46和0.11，決定系數(shù)R2分別能達到0.72和0.71，認為構(gòu)建的BP-ANN是可接受的[26].

2.3 含氯度與超標(biāo)實數(shù)關(guān)系擬合

由于超標(biāo)時間是有上下邊界的，其取值期間為0～24 h，擬合時基于邊界約束對函數(shù)分段. 另外，磨刀門水道含氯度實測值變化范圍跨多個數(shù)量級，擬合時對含氯度進行了對數(shù)變換. 廣昌泵站和平崗泵站擬合結(jié)果如圖6所示，中間曲線部分擬合的決定系數(shù)R2分別達到了0.88和0.90. 因此，可以用擬合曲線進行日均含氯度exp(x)與日超標(biāo)時間y的轉(zhuǎn)換. 擬合函數(shù)如下：

圖6 廣昌泵站(a)和平崗泵站(b)日均含氯度與超標(biāo)時間的擬合曲線

廣昌泵站為：

(16)

平崗泵站為：

(17)

由于竹洲頭泵站缺少足夠的咸度樣本數(shù)據(jù)，無法采用BP-ANN進行模擬. 竹洲頭站泵站與平崗泵站距離較近，為此建立竹洲頭泵站與平崗泵站日均含氯度關(guān)系，如圖7a所示，函數(shù)擬合的決定系數(shù)R2達到了0.96. 平崗泵站含氯度x轉(zhuǎn)換為竹洲頭泵站含氯度y的擬合函數(shù)為：

y=0.0001383x2+0.3267x+0.08153

(18)

基于竹洲頭泵站咸度觀測數(shù)據(jù)，擬合含氯度exp(x)與超標(biāo)時間y的關(guān)系，結(jié)果如圖7b，中間曲線部分擬合的決定系數(shù)R2達到了0.92. 擬合函數(shù)為：

圖7 平崗泵站與竹洲頭泵站日均含氯度關(guān)系(a)及竹洲頭泵站日均含氯度與超標(biāo)時間(b)的擬合曲線

(19)

2.4 不同需水情景下及典型年的供需平衡

基于避咸蓄淡供水模型，不同需水情景下所有年份枯水期來水過程的可供水量如圖8a. 在需水量為1.81億～2.54億m3時，所有來水系列可供水量基本一致，不需要水庫參與調(diào)蓄供水，3個取水口避咸取水直接供水就能滿足此階段需水要求. 之后的需水增長，對于部分年份來水過程來說需要水庫參與調(diào)蓄供水. 當(dāng)需水增長到情景3.75億m3時，1964和1998年來水過程的可供水量小于需水量，開始出現(xiàn)了缺水. 之后隨著需水繼續(xù)增長，出現(xiàn)缺水的來水年份數(shù)也不斷增加. 到2035年需水4.23億m3時，共有21 a的來水過程會出現(xiàn)缺水. 因此，需水量3.22億m3為當(dāng)?shù)睾恿魅∷苯庸┧疂M足需水要求的臨界需水，可視為枯水期資源性缺水的臨界需水量；需水量為3.75億m3為當(dāng)?shù)乇芟绦畹?lián)合供水滿足需水要求的臨界需水，可視為枯水期工程性缺水的臨界需水量. 在水庫參與調(diào)蓄供水過程中，隨著需水量增加，可供水量也逐漸增加. 但可供水量增長速率是有差異，且部分年份的增長速率相繼變緩，即表明對于該來水過程而言存在最大可供水量的臨界需水. 實際上，由于受到當(dāng)?shù)睾訋炻?lián)合調(diào)蓄能力的限制，如果未來需水持續(xù)增加，對于任何來水過程都存在最大可供水量的臨界需水.

不同需水情景下長系列來水過程的供需平衡結(jié)果如圖8b所示. 在需水量小于3.75億m3時，所有年份來水過程均能滿足需水要求. 當(dāng)需水量由3.75億m3增加到4.23億m3時，出現(xiàn)缺水的時間由2 a增加到21 a. 到2035年枯水期需水達到4.23億m3，即使采取避咸蓄淡聯(lián)合供水模式，依然有近40%的來水過程無法保障當(dāng)?shù)氐男杷?

圖8 不同需水情景下供需平衡：供水與需水(a)；供水與缺水(b)

選擇上游來水枯水期平均流量頻率接近為P=90%的典型年，包括1962年(P=88.7%)和2004年(P=90.6%)，分析2035年枯水期需水下供需平衡過程，超標(biāo)時間和供需平衡情況見圖9和圖10. 1962年，10-11月及3月中下旬的流量較大，12月中旬至3月上旬持續(xù)維持較小流量. 2004年，除了3月下旬流量較大外，其他時間段流量比較均勻. 1962和2004年，枯水期缺水量分別為2681萬和1297萬m3，缺水時間分別為42和27 d. 盡管2個典型年的枯水期平均流量差別較小，但是缺水量和缺水時間差別顯著，表明來水過程特征對避咸蓄淡供水結(jié)果影響較大. 由于預(yù)設(shè)枯水期之前水庫處于蓄滿狀態(tài)，即使枯水期前期上游來水流量較小，咸潮影響下日取水時數(shù)較短，通過水庫供水能滿足一定時段內(nèi)的供水要求. 但是較小流量在中后期維持時間較長時，水庫水量耗竭且取水供水后的剩余量補庫不足，則容易出現(xiàn)缺水現(xiàn)象.

圖9 典型年枯水期流量及超標(biāo)時間：1962年(a)；2004年(b)

圖10 典型年枯水期供需平衡結(jié)果：1962年(a)；2004年(b)

2.5 風(fēng)險流量和臨界流量分析

不同需水情景下風(fēng)險流量及臨界流量見圖11a. 由于從安全的角度考慮了枯水期末水庫最小剩余蓄水量的要求，需水量在3.50億～4.23億m3時，供水存在風(fēng)險的時間分別有2、4、5、13、18、21和26 a，相比于缺水時間分別增加了2、4、3、9、11、5和5 a. 需水量為3.50億m3和3.63億m3時，盡管不存在缺水年份，但有2 a由于枯水期末水庫剩余蓄水量較小，認為存在供水風(fēng)險. 基于風(fēng)險閾值和缺水閾值識別出臨界流量年數(shù)，分別占供水風(fēng)險年數(shù)的3.8%、7.6%、9.6%、25.0%、34.6%、40.4%和50%. 在2035年需水量為4.23億m3時，枯水期平均流量最大的年份也存在供水風(fēng)險，進一步說明不是枯水期平均流量越大供水越安全，還與枯水期流量分布有關(guān).

不同需水情景下臨界流量統(tǒng)計特征如圖11b和表2所示. 整體上來說，隨著需水增長，對上游來水期望的臨界流量越大. 大約分為3個階段：枯水期需水量為3.50億～3.62億m3時，臨界流量均值在2373～2411 m3/s之間，對應(yīng)設(shè)計頻率為96.8%～98.1%，相對變幅為-12.9%～12.9%；當(dāng)需水量增至3.74億～3.98億m3時，臨界流量均值在2723～2828 m3/s之間，對應(yīng)的設(shè)計頻率范圍為76.7%～82.3%，相對變幅為-11.6%～15.7%；當(dāng)需水量增至4.10億～4.23億m3)時，臨界流量均值為3322～3372 m3/s，對應(yīng)設(shè)計頻率為50.0%～52.2%，相對變幅為-13.4%～13.6%.

圖11 不同需水情景下風(fēng)險流量(a)與臨界流量(b)

表2 不同需水情景下臨界流量統(tǒng)計特征

3 結(jié)論

1)BP-ANN能夠較好地模擬感潮河流的咸度與上游徑流因子、河口潮因子和當(dāng)?shù)仫L(fēng)因子的映射關(guān)系，并結(jié)合取水口含氯度與超標(biāo)時間的曲線函數(shù)模擬，能夠建立上游來水-咸度-超標(biāo)時間之間的聯(lián)系. 結(jié)合當(dāng)?shù)厮畮煺{(diào)蓄能力和需水要求，可得到枯水期上游來水過程下的當(dāng)?shù)厝∷谌∷畷r數(shù)、取水量以及水庫調(diào)蓄和區(qū)域供需平衡狀況. 通過設(shè)定供水風(fēng)險閾值和臨界閾值，基于長系列枯水期來水過程識別出了不同需水規(guī)模的風(fēng)險流量和臨界流量. 因此，通過構(gòu)建耦合了咸度預(yù)測、河庫聯(lián)合供水調(diào)度和供水安全分析模塊的避咸蓄淡模型，為依賴感潮河流為水源地的區(qū)域供水安全分析提供了一種整體思路和決策方法.

2)對于依賴珠江三角洲磨刀門水道取水的粵港澳大灣區(qū)珠海東部及澳門供水來說，資源性需水臨界點和工程性需水臨界點分別為3.22億和3.75億m3. 當(dāng)2035年規(guī)劃需水量4.23億m3時，上游枯水期平均流量頻率約為90%的典型年(1962年)實際來水過程下的缺水量為2681萬m3. 當(dāng)枯水期需水量由3.50億m3增至2035年4.23億m3時，上游臨界流量均值由2373 m3/s上升到3372 m3/s，對應(yīng)設(shè)計頻率由98.1%變化為50.0%.

3)整體上來說，需水規(guī)模越大，對上游來水期望的臨界流量越大. 西江上游枯水期調(diào)度對于保障珠江河口地區(qū)供水安全的作用是顯著的，但短時間尺度咸潮超標(biāo)問題依然存在，需要充分挖掘河口地區(qū)水庫供水潛力，通過避咸蓄淡河庫聯(lián)合供水才能更好地保證2035年需水要求. 某一需水情景下的臨界流量也不是唯一的，還與枯水期流量分布有關(guān). 如何分解來水過程的流量分布特征以及河流取水能力及水庫調(diào)蓄能力變化，對感潮河流區(qū)域供水安全的影響，有待于進一步深入研究.