咸潮影響河段取水水源可靠性的分析

劉樹鋒，黃健東，張從聯

(1.中山大學水資源與環境研究中心，廣東 廣州 510275； 2.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510610； 3.廣東省水動力學應用重點實驗室，廣東 廣州 510610)

隨著我國水資源供需矛盾形勢日益嚴峻，自2003年實施水資源論證制度以來，建設項目取水水源可靠性研究也逐步得到重視，各類建設項目有關取水水源可靠性的文獻越來越多[1-8]，這對提高水資源利用效率和保護水資源起到了積極的指導作用。珠江三角洲河網區水流同時受徑流量和潮流量的影響而呈往復運動，使得水量計算復雜，且近年來河口地區取水受咸潮影響越來越嚴重。

銀洲湖紙業基地位于廣東省江門市新會區雙水鎮，是廣東省規劃建設的三大造紙工業基地之一。紙業基地用水量大(擬建設A、B、C、E 4座集中水處理廠，本次論證A廠設計規模14萬m3/d，約0.81m3/s)，用水保證率非常高，設計供水保證率為97%，取水水源水量水質的可靠性關系到基地的運行安全。基地水廠擬從潭江牛灣段取水，潭江來水豐枯季節變化很大，且潭江屬咸潮河段，同時受上游徑流和下游潮流雙重影響，枯水期河道水質受咸潮影響的威脅，因此，從水量、水質兩方面分析水源的可靠性對項目取水點的設置非常關鍵。

筆者采用一維河網水質數學模型計算和實測資料分析相結合的方法，結合銀洲湖紙業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行了較好的應用和拓展，對珠江三角洲河網河口特別是水文資料缺乏地區建設項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，主流發源于陽江市牛圍嶺山，自西向東流經恩平、開平、臺山、鶴山、新會等市，在新會環城鎮附近折向南流，從崖門口出海。銀洲湖紙業基地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，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，是一條不正規半日潮型的往復流河道，潮汐動力強勁。潭江年均徑流量為76.18億m3，其中江門市境內徑流量為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，各站點位置見圖1。

圖1 潭江水文(水位)站點分布示意圖

潢步頭水文站位于潭江上游恩平市境內，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，有長系列的潮位實測資料。

為建立一維河網水質數學模型，筆者收集了2005年珠江三角洲調水壓咸中潭江石咀等站點和斷面的同步測流和氯離子資料，和取水點對岸司前雅山自來水廠2004—2005年水質監測資料。為了更好地掌握取水口斷面氯離子質量濃度變化情況，增強取水水質保證的分析可靠性，于2009年1月10日—3月10日對取水口斷面的氯離子質量濃度等水質指標進行了監測，監測分每日4次進行。為了增強對比性，在潭江下游雙水電廠位置進行同步監測。

2 一維河網水質數學模型

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為旁側入流；n為糙率系數，可用謝才公式計算；BT為包括主河道泄流寬度和僅起調蓄作用的附加寬度；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。

河網節點還應滿足下列流量連接條件和動力連接條件：

流量連接條件即進出每一節點的流量與該節點內的實際水量的增減率相平衡：

(2)

式中：Qi為節點過流量；i為表示匯集于同一節點的各河道斷面的編號；w為節點蓄水量。

若節點為無蓄水量的幾何點，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為節點分支；Zk，Zk+1為各分支斷面處的水位。

方程(1)～(4)構成一維河網數值計算的數學模型。

模型采用較為成熟、工程應用較多的一維河網三級解法求解。用Preissmann 4點加權差分格式離散圣維南方程組，該求解方法穩定性好，求解速度快，能適應單一河道及復雜河網的水流計算。

根據評價區域鹽淡混合特征，采用一維河道鹽水對流擴散方程

(5)

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

在河網區，用數學模型方法計算咸淡水的交互情況時，除了式(5)，尚有汊點處的鹽量平衡條件和方程

∑(QS)=0

(6)

邊界條件為計算區域出入口斷面的氯化物過程。河網鹽水對流擴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。由于取水點附近無水文站點，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。計算范圍的河網概化為6個汊點、11個河段，共計186個計算斷面。地形資料采用1998年汛后實測的河道地形，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，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的坡降進行分段概化。

圖2 一維河網水質數學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，由于降雨持續偏少，廣東省發生了嚴重干旱，旱情從2002年開始，一直持續到2005年春季時已達50年一遇旱情，在2005年的2月份珠江三角洲地區普遍出現了咸潮上溯情況。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日的珠江流域調水壓咸期間同步實測水文、水質資料對模型進行率定。

由于潭江石咀以上缺乏同步實測資料，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，因此氯離子質量濃度取0；上游來流量根據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的排頻流量確定，潢步頭站至取水點區間來流根據潢步頭流量按水文比擬法以集水面積折算至取水點進行折減估算，最后結合模型反復試算進行修正。2005年1—2月枯季珠江三角洲地區遭遇約50年一遇大旱年，則上游枯水條件下設計頻率約相當于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月取水點平均流量約1.17m3/s，區間來流量0.86m3/s。在模型計算中，區間來流量按平均匯流處理。

2.3.2 率定結果

經2005年1—2月同步實測資料率定，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。主要測站驗證成果見表1和圖3～6。從表1和圖3～6可見，驗證期流量及水位計算值與實測值基本吻合，潮(水)位誤差大部分在10cm以內，流量平均誤差在15%以內。

表1 枯水主要測站特征潮位驗證成果(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

一維河網區氯化物模型中的主要參數為縱向擴散系數D，多受流速、坡降、水深等因素的影響。經同步實測資料率定，縱向擴散系數大致為10～50m2/s，模型計算結果與實測比較結果見圖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 石咀站氯度離子質量濃度率定

圖8 雙水站氯離子質量濃度率定

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生潮水量。由于取水河段附近缺乏水文水質資料，按上游設計枯水流量和下游實測潮位的水文組合邊界，采用數學模型計算枯水條件下取水河段的水量和水質(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水質數學模型，按上游設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。

根據潢步頭站流量資料計算，取水點P來=90%和P來=97%最枯月設計流量分別為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，每年冬春季節，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安全性。以潢步頭站P來≈97%典型年枯季(1959年10—1960年4月)實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、三江口等站點同步實測氯離子資料，且2005年1—2月枯季珠江三角洲地區遭遇約50年一遇大旱(P來=98%)，珠江三角洲地區普遍出現了咸潮上溯情況。為配合數模計算的需要，下游潮位采用官沖站2005年1—2月同步實測潮位過程，循環重復使用。江門水道和虎坑水道邊界流量采用2005年同步實測逐時流量過程，重復循環使用。

c. 水質(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、落潮流量和設計水深分析水源水量的可靠性。

a. 取水口處設計枯水頻率下水量。根據一維河網水流數學模型計算，上游設計枯水條件下取水河段漲、落潮量和漲、落潮平均流量結果見表2和表3。

表2 上游設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有關，對下游官沖、石咀站實測資料作分析，也存在類似現象。取水時段為最小月均值。

表3 上游設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。

根據表2、表3可知，在設計頻率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，扣除現狀取水流量后，項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%，項目取水流量是可靠的。

b. 取水口處設計低潮位水深。根據數學模型計算結果統計，在設計頻率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，根據兩個潮(水)位站設計潮位成果推算出取水口河段P用=1%的設計最低潮(水)位為-2.06m。在此潮位下，主河槽水深約有12.9m，如取水口高程設置在-10m，取水口以上淹沒水深約8.0m。

從取水水深結果看，項目取水是可靠的。

3.2 水質可靠性分析評價

a. 取水口河段實測氯離子質量濃度分析。取水口對面為新會司前雅山自來水廠，根據調查，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，在珠江三角洲地區普遍出現了咸潮上溯情況下，司前雅山自來水廠檢測到的氯離子質量濃度最大為88.5mg/L。

為了更好地掌握取水口斷面氯離子變化情況，增強取水水質保證的分析可靠性，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量濃度等指標進行了監測，為了增強對比性，在下游雙水電廠位置進行同步監測。圖9為兩個斷面逐日監測氯離子平均質量濃度變化過程。

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重，氯離子質量濃度變化幅度較大，在2009年2月6日測得的ρ(Cl-)高達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量濃度最高時，取水河段ρ(Cl-)=43mg/L，水質受到下游咸潮影響不大。

b. 取水河段氯離子質量濃度模型計算結果分析。根據數學模型計算，上游P來=97%設計枯水條件下，對應典型年枯季(1959年10月—1960年4月)取水口斷面氯離子質量濃度有3d(18h)超標，ρ(Cl-)max=330.51mg/L。超過ρ=250mg/L的3d分別為：1960年3月15日超標4h，最大超標值ρ=262.51mg/L，超標均值ρ=258.85mg/L，當天ρ(Cl-)均=138.15mg/L；1960年3月18日超標6h，最大超標值ρ=294.06mg/L，超標均值ρ=276.93mg/L，當天ρ(Cl-)均=143.76mg/L；1960年3月20日超標8h，最大超標值ρ=330.51mg/L，超標均值ρ=305.14mg/L，當天ρ(Cl-)均=176.96mg/L。

c.水質可靠性分析建議。紙業基地造紙工業用水要求水體中ρ(Cl-)max<250mg/L。根據近年取水口對岸司前雅山自來水廠實測氯離子資料以及2009年1月10日—3月10日取水口斷面實測的氯離子資料，未發現取水口斷面有氯離子超標的現象；根據數學模型計算成果，在設計頻率P來=97%典型年枯季情況下，僅3d(18h)超標，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進行監測，必要時對取水口附近氯離子1d內分多時段進行監測，及時掌握取水水質(ρ(Cl-1))的變化動態，合理調整取水時段，同時在集中處理水廠內設置足夠的貯水設備，以滿足氯離子超標時段紙業基地的用水需求。

4 結 語

a. 根據數學模型計算，在P來=97%設計枯水條件下，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%設計枯水遭遇下游典型大潮的情況下會出現短時段氯離子超標現象，在采取加強水質監測和調整取水時段等措施情況下，取水水質也可以滿足取水要求。

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

[1] 姬戰生，孫映宏，何曉洪.杭州南沙平原河網新增取水口取水可靠性研究[J].水電能源科學，2008，26(3)：113-115.

[2] 李金燕，唐蓮.電廠項目取水水源可靠性分析研究：以寧夏水洞溝電廠二期擴建工程為例[J].中國農村水利水電，2010(3)：48-50.

[3] 鞠貴權，趙廣忠，何宇.松北熱電廠建設項目取水水源分析[J].黑龍江水利科技，2007(1)：101-102.

[4] 余鋼捷，侯俊平.某電廠水庫取水的可靠性分析[J].給水排水，2005，31(12)：51-53；

[5] 楊柳俊.南通狼山水廠擴建工程取水水源地水質分析[J].水資源保護，2005，21(1)：36-38.

[6] 關佳南，殷麗萍.鶴崗發電廠二期工程取水水源論證[J].黑龍江水專學報，2005，32(1)：51-53.

[7] 王宏.江鑫鐵礦新建項目取水水源地論證[J].地下水，2009，31(2)：63-65.

[8] 崔鳳友.前進熱電廠混合取水水源論證[J].黑龍江水專學報，2009，36(4)：113-115.