劉樹鋒，黃健東，張從聯(lián)

(1.中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心，廣東 廣州 510275； 2.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610； 3.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610)

隨著我國水資源供需矛盾形勢日益嚴(yán)峻，自2003年實(shí)施水資源論證制度以來，建設(shè)項(xiàng)目取水水源可靠性研究也逐步得到重視，各類建設(shè)項(xiàng)目有關(guān)取水水源可靠性的文獻(xiàn)越來越多[1-8]，這對提高水資源利用效率和保護(hù)水資源起到了積極的指導(dǎo)作用。珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)水流同時受徑流量和潮流量的影響而呈往復(fù)運(yùn)動，使得水量計算復(fù)雜，且近年來河口地區(qū)取水受咸潮影響越來越嚴(yán)重。

銀洲湖紙業(yè)基地位于廣東省江門市新會區(qū)雙水鎮(zhèn)，是廣東省規(guī)劃建設(shè)的三大造紙工業(yè)基地之一。紙業(yè)基地用水量大(擬建設(shè)A、B、C、E 4座集中水處理廠，本次論證A廠設(shè)計規(guī)模14萬m3/d，約0.81m3/s)，用水保證率非常高，設(shè)計供水保證率為97%，取水水源水量水質(zhì)的可靠性關(guān)系到基地的運(yùn)行安全。基地水廠擬從潭江牛灣段取水，潭江來水豐枯季節(jié)變化很大，且潭江屬咸潮河段，同時受上游徑流和下游潮流雙重影響，枯水期河道水質(zhì)受咸潮影響的威脅，因此，從水量、水質(zhì)兩方面分析水源的可靠性對項(xiàng)目取水點(diǎn)的設(shè)置非常關(guān)鍵。

筆者采用一維河網(wǎng)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計算和實(shí)測資料分析相結(jié)合的方法，結(jié)合銀洲湖紙業(yè)基地潭江取水工程水資源論證工作，對取水水源可靠性分析方法進(jìn)行了較好的應(yīng)用和拓展，對珠江三角洲河網(wǎng)河口特別是水文資料缺乏地區(qū)建設(shè)項(xiàng)目水資源論證中取水水源可靠性分析有一定的參考意義。

1 取水水源與資料概況

1.1 取水河道水文特征

潭江是珠江三角洲水系的一級支流，主流發(fā)源于陽江市牛圍嶺山，自西向東流經(jīng)恩平、開平、臺山、鶴山、新會等市，在新會環(huán)城鎮(zhèn)附近折向南流，從崖門口出海。銀洲湖紙業(yè)基地A水廠取水口位于潭江中下游的牛灣河段，下游是銀洲湖。銀洲湖處于珠江三角洲河口區(qū)，上承西江下游支流江門水道、虎坑水道以及潭江徑流，下納黃茅海上溯潮流，是一條不正規(guī)半日潮型的往復(fù)流河道，潮汐動力強(qiáng)勁。潭江年均徑流量為76.18億m3，其中江門市境內(nèi)徑流量為72.39億m3。

1.2 水文資料概況

潭江流域水文(水位)站點(diǎn)主要有潢步頭水文站、雙橋水文站、恩平水位站、長沙水位站、石咀潮(水)位站、三江口潮(水)位站和官沖站潮(水)位站，各站點(diǎn)位置見圖1。

圖1 潭江水文(水位)站點(diǎn)分布示意圖

潢步頭水文站位于潭江上游恩平市境內(nèi)，距離取水口約41.2km，有1957—1973年共16年的流量資料；雙橋水文站位于潭江支流泗合水，該站有1958—1988年的實(shí)測流量資料。

潭江下游石咀潮(水)位站(取水口下游約7.5km)、三江口潮(水)位站和官沖站潮(水)位站為國家基本潮位站，有長系列的潮位實(shí)測資料。

為建立一維河網(wǎng)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，筆者收集了2005年珠江三角洲調(diào)水壓咸中潭江石咀等站點(diǎn)和斷面的同步測流和氯離子資料，和取水點(diǎn)對岸司前雅山自來水廠2004—2005年水質(zhì)監(jiān)測資料。為了更好地掌握取水口斷面氯離子質(zhì)量濃度變化情況，增強(qiáng)取水水質(zhì)保證的分析可靠性，于2009年1月10日—3月10日對取水口斷面的氯離子質(zhì)量濃度等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測分每日4次進(jìn)行。為了增強(qiáng)對比性，在潭江下游雙水電廠位置進(jìn)行同步監(jiān)測。

2 一維河網(wǎng)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型

2.1 基本方程

控制方程為

式中：Q為流量；Z為水位；R為水力半徑；u為流速；ql為旁側(cè)入流；n為糙率系數(shù)，可用謝才公式計算；BT為包括主河道泄流寬度和僅起調(diào)蓄作用的附加寬度；B為過流河寬；A為過水面積；g為重力加速度；x、t分別為空間和時間坐標(biāo)。

河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)還應(yīng)滿足下列流量連接條件和動力連接條件：

流量連接條件即進(jìn)出每一節(jié)點(diǎn)的流量與該節(jié)點(diǎn)內(nèi)的實(shí)際水量的增減率相平衡：

(2)

式中：Qi為節(jié)點(diǎn)過流量；i為表示匯集于同一節(jié)點(diǎn)的各河道斷面的編號；w為節(jié)點(diǎn)蓄水量。

若節(jié)點(diǎn)為無蓄水量的幾何點(diǎn)，則w=0。因此

(3)

動力連接條件取為

Zk=Zk+1k=1，2，3，…，k-1

(4)

式中：k為節(jié)點(diǎn)分支；Zk，Zk+1為各分支斷面處的水位。

方程(1)～(4)構(gòu)成一維河網(wǎng)數(shù)值計算的數(shù)學(xué)模型。

模型采用較為成熟、工程應(yīng)用較多的一維河網(wǎng)三級解法求解。用Preissmann 4點(diǎn)加權(quán)差分格式離散圣維南方程組，該求解方法穩(wěn)定性好，求解速度快，能適應(yīng)單一河道及復(fù)雜河網(wǎng)的水流計算。

根據(jù)評價區(qū)域鹽淡混合特征，采用一維河道鹽水對流擴(kuò)散方程

(5)

式中：A′為河道斷面面積，m2；Q′為斷面平均流量，m3/s；D為縱向擴(kuò)散系數(shù)；S為氯化物含量。

在河網(wǎng)區(qū)，用數(shù)學(xué)模型方法計算咸淡水的交互情況時，除了式(5)，尚有汊點(diǎn)處的鹽量平衡條件和方程

∑(QS)=0

(6)

邊界條件為計算區(qū)域出入口斷面的氯化物過程。河網(wǎng)鹽水對流擴(kuò)散方程采用有限控制體積法顯式算法。

2.2 計算范圍與河道概化

模型計算范圍以潭江中游以下至崖門水道為主。由于取水點(diǎn)附近無水文站點(diǎn)，僅上游潢步頭站有部分流量資料，同時為模擬上游的淡水邊界條件，模型上邊界取潭江石咀以上41.2km處潢步頭站(基本不受咸潮影響)，其余邊界為虎坑水道虎坑斷面、江門水道三江口站和崖門水道官沖站，見圖2。計算范圍的河網(wǎng)概化為6個汊點(diǎn)、11個河段，共計186個計算斷面。地形資料采用1998年汛后實(shí)測的河道地形，其中，公益站以上35km河段因缺乏河道地形資料以公益斷面地形為基礎(chǔ)，通過分析潭江河道平均河道坡降(約0.005～0.03)按0.01、0.025和0.05的坡降進(jìn)行分段概化。

圖2 一維河網(wǎng)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計算范圍示意圖

2.3 模型率定

2.3.1 率定資料

2002—2005年，由于降雨持續(xù)偏少，廣東省發(fā)生了嚴(yán)重干旱，旱情從2002年開始，一直持續(xù)到2005年春季時已達(dá)50年一遇旱情，在2005年的2月份珠江三角洲地區(qū)普遍出現(xiàn)了咸潮上溯情況。為盡可能模擬咸潮影響情況，本次采用2005年1月18日至2月5日的珠江流域調(diào)水壓咸期間同步實(shí)測水文、水質(zhì)資料對模型進(jìn)行率定。

由于潭江石咀以上缺乏同步實(shí)測資料，模型潭江上游邊界取至石咀以上41.2km處潢步頭站，基本不受潮流影響，因此氯離子質(zhì)量濃度取0；上游來流量根據(jù)2005年1—2月同步測流期間潭江干旱情況的頻率分析，其中潢步頭站按相應(yīng)的排頻流量確定，潢步頭站至取水點(diǎn)區(qū)間來流根據(jù)潢步頭流量按水文比擬法以集水面積折算至取水點(diǎn)進(jìn)行折減估算，最后結(jié)合模型反復(fù)試算進(jìn)行修正。2005年1—2月枯季珠江三角洲地區(qū)遭遇約50年一遇大旱年，則上游枯水條件下設(shè)計頻率約相當(dāng)于P來=98%。在此情況下1—2月潢步頭站流量約0.31m3/s，潢步頭站集水面積約1341km2，取水點(diǎn)處集水面積約5074km2，按水文比擬法估算得P來=98%情況下1—2月取水點(diǎn)平均流量約1.17m3/s，區(qū)間來流量0.86m3/s。在模型計算中，區(qū)間來流量按平均匯流處理。

2.3.2 率定結(jié)果

經(jīng)2005年1—2月同步實(shí)測資料率定，得出本模型糙率分布大致為0.015～0.03，上游河段糙率較大，口門段較小，糙率分布基本合理。主要測站驗(yàn)證成果見表1和圖3～6。從表1和圖3～6可見，驗(yàn)證期流量及水位計算值與實(shí)測值基本吻合，潮(水)位誤差大部分在10cm以內(nèi)，流量平均誤差在15%以內(nèi)。

表1 枯水主要測站特征潮位驗(yàn)證成果(2005-01-18/2005-02-05)

圖3 石咀站潮(水)位率定

圖4 雙水站潮(水)位率定

一維河網(wǎng)區(qū)氯化物模型中的主要參數(shù)為縱向擴(kuò)散系數(shù)D，多受流速、坡降、水深等因素的影響。經(jīng)同步實(shí)測資料率定，縱向擴(kuò)散系數(shù)大致為10～50m2/s，模型計算結(jié)果與實(shí)測比較結(jié)果見圖7和圖8。

圖5 石咀站潮流量率定

圖6 官沖站潮流量率定

圖7 石咀站氯度離子質(zhì)量濃度率定

圖8 雙水站氯離子質(zhì)量濃度率定

2.4 計算邊界條件

潭江取水河段的水量由兩部分組成，一部分是潭江上游來水，另一部分是由潮汐作用產(chǎn)生潮水量。由于取水河段附近缺乏水文水質(zhì)資料，按上游設(shè)計枯水流量和下游實(shí)測潮位的水文組合邊界，采用數(shù)學(xué)模型計算枯水條件下取水河段的水量和水質(zhì)(氯離子濃度)情況。

2.4.1 水量可靠性計算

采用已建立的一維河網(wǎng)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，按上游設(shè)計枯水流量組合下游同頻潮位的水文邊界推算取水口處水量。

根據(jù)潢步頭站流量資料計算，取水點(diǎn)P來=90%和P來=97%最枯月設(shè)計流量分別為6.06m3/s和2.33m3/s。2005年1—2月枯季珠江三角洲地區(qū)遭遇約50年一遇大旱年(P來=98%)有一定的代表性，下游潮位采用2005年1—2月調(diào)水壓咸同步測量官沖潮位站資料，按“接近多年平均高潮位和低潮位”原則選取大、小潮兩個潮位過程，大潮過程為2005-01-27T18：00/2005-01-28T18：00，小潮過程為2005-01-31T21：00/2005-02-01T21：00。

2.4.2 水質(zhì)可靠性計算

a. 上游潭江流量邊界。潭江取水河道為咸潮上溯區(qū)，每年冬春季節(jié)，因上游徑流量銳減，海水倒灌，河水含鹽量顯著上升。為反映冬春枯水季節(jié)取水河段河水氯離子濃度變化情況，以及了解咸潮可能影響的時段分布，根據(jù)取水保證率(P用=97%)，采用典型特枯年枯季來水情況模擬計算取水河段水質(zhì)安全性。以潢步頭站P來≈97%典型年枯季(1959年10—1960年4月)實(shí)測日均流量過程按水文比擬法推算出上邊界日均流量過程，再均化為逐時流量過程作為上游枯水流量邊界。

b. 其余邊界。由于缺乏1959年10—1960年4月下游官沖、三江口等站點(diǎn)同步實(shí)測氯離子資料，且2005年1—2月枯季珠江三角洲地區(qū)遭遇約50年一遇大旱(P來=98%)，珠江三角洲地區(qū)普遍出現(xiàn)了咸潮上溯情況。為配合數(shù)模計算的需要，下游潮位采用官沖站2005年1—2月同步實(shí)測潮位過程，循環(huán)重復(fù)使用。江門水道和虎坑水道邊界流量采用2005年同步實(shí)測逐時流量過程，重復(fù)循環(huán)使用。

c. 水質(zhì)(氯離子濃度)邊界。潭江上游邊界ρ(Cl-)取0，其余邊界ρ(Cl-)按2005年1月18日—2月5日的實(shí)測值代入。

3 取水水源可靠性分析

3.1 水量可靠性分析評價

通過計算取水河段漲、落潮流量和設(shè)計水深分析水源水量的可靠性。

a. 取水口處設(shè)計枯水頻率下水量。根據(jù)一維河網(wǎng)水流數(shù)學(xué)模型計算，上游設(shè)計枯水條件下取水河段漲、落潮量和漲、落潮平均流量結(jié)果見表2和表3。

表2 上游設(shè)計枯水條件下取水河段漲、落潮量 萬m3

注：*代表小潮過程出現(xiàn)漲潮量大于落潮量的情況，可能與取水口位于潮汐河道且屬潮控區(qū)有關(guān)，對下游官沖、石咀站實(shí)測資料作分析，也存在類似現(xiàn)象。取水時段為最小月均值。

表3 上游設(shè)計枯水條件下取水河段漲、落潮平均流量 m3/s

注：取水時段為最小月均值。

根據(jù)表2、表3可知，在設(shè)計頻率P來=97%條件下，取水河段1d的漲潮量為5286.54萬～5764.23萬m3，漲潮流量平均值為1430.34～1636.64m3/s；落潮量為5142.53萬～5982.94萬m3，落潮流量平均值為1038.89～1167.63m3/s。

取水口河段現(xiàn)狀其他取水戶包括司前雅山自來水廠等總共約19.00m3/s，扣除現(xiàn)狀取水流量后，項(xiàng)目取水流量占漲潮流量比例約0.05%～0.06%，占落潮流量比例約0.07%～0.08%，項(xiàng)目取水流量是可靠的。

b. 取水口處設(shè)計低潮位水深。根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果統(tǒng)計，在設(shè)計頻率P來=97%條件下，取水口斷面大潮過程水深平均值約8.55m，小潮過程水深平均值約8.60m，最大水深分別為13.71m和13.78m。

石咀站、官沖站位于取水口下游7.5km和48.8km處，按水面線銜接方法，根據(jù)兩個潮(水)位站設(shè)計潮位成果推算出取水口河段P用=1%的設(shè)計最低潮(水)位為-2.06m。在此潮位下，主河槽水深約有12.9m，如取水口高程設(shè)置在-10m，取水口以上淹沒水深約8.0m。

從取水水深結(jié)果看，項(xiàng)目取水是可靠的。

3.2 水質(zhì)可靠性分析評價

a. 取水口河段實(shí)測氯離子質(zhì)量濃度分析。取水口對面為新會司前雅山自來水廠，根據(jù)調(diào)查，司前雅山自來水廠取水口位置2004—2005年潭江枯水期沒有受到咸潮影響。2005年2月，在珠江三角洲地區(qū)普遍出現(xiàn)了咸潮上溯情況下，司前雅山自來水廠檢測到的氯離子質(zhì)量濃度最大為88.5mg/L。

為了更好地掌握取水口斷面氯離子變化情況，增強(qiáng)取水水質(zhì)保證的分析可靠性，于2009年1月10日—3月10日枯水期對取水口斷面的氯離子質(zhì)量濃度等指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測，為了增強(qiáng)對比性，在下游雙水電廠位置進(jìn)行同步監(jiān)測。圖9為兩個斷面逐日監(jiān)測氯離子平均質(zhì)量濃度變化過程。

圖9 取水河段與雙水電廠位置逐日氯離子質(zhì)量濃度過程對比(2009-01-10—03-10)

由圖9可知，雙水電廠位置河段受下游咸潮影響較嚴(yán)重，氯離子質(zhì)量濃度變化幅度較大，在2009年2月6日測得的ρ(Cl-)高達(dá)700mg/L，但取水河段ρ(Cl-)一直較低(平均為43mg/L)，且變化不大，在2月6日雙水電廠位置氯離子質(zhì)量濃度最高時，取水河段ρ(Cl-)=43mg/L，水質(zhì)受到下游咸潮影響不大。

b. 取水河段氯離子質(zhì)量濃度模型計算結(jié)果分析。根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算，上游P來=97%設(shè)計枯水條件下，對應(yīng)典型年枯季(1959年10月—1960年4月)取水口斷面氯離子質(zhì)量濃度有3d(18h)超標(biāo)，ρ(Cl-)max=330.51mg/L。超過ρ=250mg/L的3d分別為：1960年3月15日超標(biāo)4h，最大超標(biāo)值ρ=262.51mg/L，超標(biāo)均值ρ=258.85mg/L，當(dāng)天ρ(Cl-)均=138.15mg/L；1960年3月18日超標(biāo)6h，最大超標(biāo)值ρ=294.06mg/L，超標(biāo)均值ρ=276.93mg/L，當(dāng)天ρ(Cl-)均=143.76mg/L；1960年3月20日超標(biāo)8h，最大超標(biāo)值ρ=330.51mg/L，超標(biāo)均值ρ=305.14mg/L，當(dāng)天ρ(Cl-)均=176.96mg/L。

c.水質(zhì)可靠性分析建議。紙業(yè)基地造紙工業(yè)用水要求水體中ρ(Cl-)max<250mg/L。根據(jù)近年取水口對岸司前雅山自來水廠實(shí)測氯離子資料以及2009年1月10日—3月10日取水口斷面實(shí)測的氯離子資料，未發(fā)現(xiàn)取水口斷面有氯離子超標(biāo)的現(xiàn)象；根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算成果，在設(shè)計頻率P來=97%典型年枯季情況下，僅3d(18h)超標(biāo)，ρ(Cl-)max=330.51mg/L。建議在上游來水流量有所減少的情況下對取水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，必要時對取水口附近氯離子1d內(nèi)分多時段進(jìn)行監(jiān)測，及時掌握取水水質(zhì)(ρ(Cl-1))的變化動態(tài)，合理調(diào)整取水時段，同時在集中處理水廠內(nèi)設(shè)置足夠的貯水設(shè)備，以滿足氯離子超標(biāo)時段紙業(yè)基地的用水需求。

4 結(jié) 語

a. 根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算，在P來=97%設(shè)計枯水條件下，工程取水河段來水量及取水水深均滿足取水要求。

b. 取水河段僅在上游P來=97%設(shè)計枯水遭遇下游典型大潮的情況下會出現(xiàn)短時段氯離子超標(biāo)現(xiàn)象，在采取加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測和調(diào)整取水時段等措施情況下，取水水質(zhì)也可以滿足取水要求。

c. 采用數(shù)學(xué)模型計算方法，可以在一定程度上解決取水河段流量、水位和水質(zhì)資料缺乏的問題，為取水水源可靠性分析提供計算數(shù)據(jù)。

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