基于浙東引水的蕭紹寧平原引配水研究

周　芬,李紅仙,盛海峰

(浙江省水利水電勘測設計院,浙江 杭州　310002)

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基于浙東引水的蕭紹寧平原引配水研究

周芬,李紅仙,盛海峰

(浙江省水利水電勘測設計院,浙江 杭州310002)

摘要：針對蕭紹寧平原河網水源補給不足、水體流動性較差特點,以浙東引水工程和區域內引排工程為基礎,擬定了蕭紹寧平原引配水格局,分析了浙東引水工程改善蕭紹寧平原河網水環境的效果,為蕭紹寧平原實施“五水共治”之治污水提供了技術支撐。

關鍵詞：蕭紹寧平原;浙東引水工程;引配水;五水共治；水環境改善

蕭紹寧平原位于錢塘江和杭州灣以南、會稽山和四明山以北,域內有曹娥江、甬江等水系,并有杭甬運河貫穿其間,由主要江河水系劃分為蕭紹平原、姚江平原、鄞奉平原3大片,總面積8 300 km2。蕭紹寧平原地理位置優越,經濟社會發達,大量人口和生產力要素聚集于此。由于污染物排放強度和總量大、河湖水系復雜、水源補給不足、自凈能力差等河網水環境問題突出,水環境治理與水資源保護任務十分艱巨[1]。

浙東引水工程是確保浙東蕭紹寧舟地區經濟社會可持續發展的重大水資源配置工程,工程任務是引錢塘江水為蕭紹寧平原及舟山市提供生活、工業和農灌用水,并兼顧改善水環境。浙東引水工程通過蕭山樞紐、曹娥江大閘樞紐、曹娥江至慈溪引水,曹娥江至寧波引水(擬建),舟山大陸引水等工程溝通浙東蕭紹寧舟地區,蕭山樞紐引錢塘江水經蕭紹平原河網進入曹娥江大閘閘上江道,再由曹娥江右岸引水閘三興閘、大厙閘(擬建)分別向姚江平原和鄞奉平原引水;舟山大陸引水工程通過輸水管道從寧波姚江引水至黃金灣調蓄水庫,經黃金灣水庫向舟山諸島配水(圖1)。經過多年的前期論證和建設實施,浙東引水工程已基本建成,并于2013年12月—2014年3月進行了試通水,現已步入常態化運行。

針對區域自然地理和水生態環境特征,在控外源、減內源的基礎上,以貫穿區域的浙東引水工程為主線,實施域內引配水工程、促進河網水體有序流動、加快水體置換速度是提高區域水環境承載能力、改善河網水質的有效措施[2-6]。

圖1　浙東引水工程總體布置

1　基于浙東引水的河網引配水格局

1.1蕭紹平原

圖2　蕭紹平原引配水格局

區域概況:蕭紹平原位于錢塘江河口以南,西南為浦陽江,西北為錢塘江,東臨曹娥江,南部為低山丘陵,總面積為2 434 km2。錢塘江自西向東經區域北部蜿蜒而過,會稽山則位于平原區南部,形成背山面江的地勢環境。蕭紹平原按其地勢、河流水系和行政區劃可分為南沙平原、蜀山平原和紹虞平原3個分區,域內河流縱橫交錯,湖泊眾多,水流依其地勢整體呈西南向東北方向流動。

引配水總體布局:根據蕭紹平原水系格局及已有引配水設施,蕭紹平原引配水采用“西水東引、南水北調”的總體規劃格局,充分利用錢塘江和曹娥江過境水資源,采用工程措施和調度措施,自西南和東南引入錢塘江和曹娥江相對清潔的江水,通過區域內骨干河道輸送和閘泵等配水設施的統一調配,自西向東、自南往北經錢塘江和曹娥江沿岸口門排入外江,從而形成一個完整的配水系統(圖2)。

蜀山及南沙平原區:配水水源為錢塘江,利用小礫山樞紐引錢塘江水,經蜀山平原骨干河網自西向東北流動,后經西水東引二級泵站(濟民泵站、長山河泵站、大治河泵站)提水入南沙平原,形成“錢塘江—蜀山河網—二級提水泵站—南沙河網—錢塘江”河網水體循環系統。

紹虞平原區:配水水源以浙東引水和曹娥江上游來水為主,利用浙東引水工程、紹興市城區曹娥江引水工程引水入平原,經骨干河網自西向東、自南向北輸水后,經曹娥江右岸排水閘站入曹娥江大閘閘上江道后繼續向曹娥江以東地區輸水,在紹虞平原形成“浙東引水/曹娥江—紹虞河網—曹娥江大閘閘上江道”的河網水體循環系統。

1.2姚江平原

圖3　姚江平原引配水格局

區域概況:姚江平原位于杭州灣南岸,西沿曹娥江,東臨甬江,總面積約3 488 km2。姚江自西向東南經區域中南部蜿蜒而過,天臺山支脈四明山位于平原區南部。姚江平原按其地勢、河流水系和行政區劃可分為虞北平原、豐惠平原、余姚平原、寧波江北鎮海平原、慈溪平原5個分區,域內河流均屬姚江水系,水流依其地勢整體自西向東、自南向北流動。

引配水總體布局:依托浙東引水工程 “西水東引”的總體規劃格局,采用工程措施和調度措施,自西向東引水入浙東,通過區域內骨干河道(已建的引曹北線和規劃的引曹南線)輸送和閘泵等設施向虞北等平原區配水,最后經沿杭州灣和甬江沿岸口門排入外江,從而形成一個完整的配水系統(圖3)。

虞北及豐惠平原區:配水水源以浙東引水和曹娥江上游來水為主,利用三興閘、任排泵站(規劃)、上浦閘引水工程引水入平原,經骨干河網自西向東、自南向北輸水后,部分經浦前閘、牟山閘等入余姚,部分經由沿杭州灣水閘外排,在虞北及豐惠平原形成“浙東引水/曹娥江—虞北及豐惠河網—余姚河網/杭州灣”的河網水體循環系統。

余姚平原區:配水水源以浙東引水為主,利用浦前閘、閘頭堰閘—牟山閘、通明閘經七塘橫江、四塘橫江、姚江干流等骨干河道輸水,通過沿杭州灣北排水閘和余慈邊界水閘、蜀山大閘等入杭州灣、慈溪及下姚江,在余姚平原形成“浙東引水—余姚河網—杭州灣/慈溪河網/下姚江”的河網水體循環系統。

慈溪平原區:配水水源以浙東引水為主、姚江為輔,利用七塘閘、四塘閘、蜀山泵站引水入平原,遵循平原地勢“西高東低、南高北低”的實際情況,經各河區節制閘和骨干河道自西向東、自南向北輸水,最后經由沿杭州灣水閘外排,在慈溪平原形成“西部引入、輸水至南、流經全境、向北出水”的河網水體循環系統。

江北鎮海平原區:配水水源以姚江(包括規劃進入姚江的浙東引水)為主,利用已建的慈江大閘、慈江—沿山大河自西向東引水,經慈江—沿山大河沿岸節制閘向兩岸平原配水,最后經由沿姚江、甬江或東海的碶閘外排,在江北鎮海平原形成“姚江—江北鎮海河網—姚江/甬江/東海”的河網水體循環系統。

1.3鄞奉平原

區域概況:鄞奉平原位于甬江(姚江)以南,西南部為四明山脈,東南部為低山丘陵,東臨東海,總面積約2 378 km2。鄞奉平原按其地勢、河流水系和行政區劃可分為鄞西平原、鄞東南平原和奉北平原3個分區,平原東、南、西三面環山,上游剡江、縣江、東江匯合后,由奉化江自南向北迂回曲折,穿平原而過,北流入甬江后自西向東經平原北部入東海。

引配水總體布局:采用“北水南引、山水入城”的總體規劃格局,通過工程措施和調度措施,自北向南引入姚江水(包括規劃進入姚江的浙東引水),自西向東引優質的山區徑流和水庫余水,經區域內骨干河道輸送和閘泵等配水設施的統一調配,自北向南、自西向東經沿奉化江和甬江碶閘排入外江,從而形成一個完整的配水系統(圖4)。

圖4　鄞奉平原引配水格局

鄞西平原區:配水水源以姚江(包括規劃進入姚江的浙東引水)為主、鄞江為輔,利用已建的高橋翻水站、屠家堰泵站、洪水灣節制閘引水入平原,經骨干河網輸水后,經由沿奉化江的碶閘排入奉化江或經建莊泵站、風棚碶閘站(規劃)翻水入鄞東南平原,在鄞西平原形成“姚江/鄞江—鄞西河網—奉化江/鄞東南”的河網水體循環系統。

鄞東南平原區:配水水源以姚江(包括規劃進入姚江的浙東引水)為主、剡江和東江為輔,利用建莊泵站、風棚碶閘站(規劃)、亭下水庫灌區渠首閘、高樓張堰閘(規劃)引水入平原,經骨干河網輸水后,經由沿奉化江、甬江的碶閘排入外江,在鄞東南平原形成“姚江—鄞西河網—鄞東南河網—奉化江/甬江、剡江—亭下水庫灌區引水干渠—鄞東南河網—奉化江/甬江、東江—鄞東南河網—奉化江/甬江”的河網水體循環系統。

奉北平原區:配水水源以剡江、縣江、東江為主,依據“三江四圩片”防洪排澇格局,采用各圩片分別引水的方式,利用各圩片區上游閘站引水入平原,經圩內河網輸水后,再經由下游閘站排入外江,在各圩片區內部形成河網水體循環小系統。

2　浙東引水改善蕭紹寧平原河網水環境效果分析

2.1計算原理

一維河網水動力模型控制方程為Saint-Venant方程組:

(1)

(2)

式中:x為空間坐標,m;t為時間坐標,s;A為斷面面積,m2;Q為河道內任意斷面的流量,m3/s;q為旁側入流單寬流量,m2/s;R為水力半徑,m;g為重力加速度,m/s2;α為動量校正系數;C為謝才系數。

一維河網水質模型控制方程為一維對流擴散方程：

(3)

式中:ρ為質量濃度,mg/L;D為縱向擴散系數,m2/s;ρ2為源/匯質量濃度,mg/L;K為衰減系數, d-1。

對流擴散模型可以模擬在水流和濃度梯度影響下,傳輸擴散過程中的溶解或是懸浮物質(如鹽分、熱量、沙土、溶解氧、無機物、有機物及其他水質組分) 在時間和空間上的分布。

2.2引水前水質計算結果

分片建立蕭紹寧平原河網一維非恒定水動力水質模型,采用1961—2013年長系列水文資料,對蕭紹寧平原各區片的水質情況進行逐日模擬計算。污染源資料采用水資源保護規劃調查的現狀入河污染物量,計算分析指標選用CODMn和NH3-N,綜合衰減系數根據浙東引水工程試通水階段的實測資料分析取用0.1～0.3。引水前水質狀況見表1。引水工程實施前,各片區的水質情況主要取決于水文條件,豐水年水質明顯優于枯水年。由于水質初始值較差,且污染源為現狀入河污染物量,遠超河網納污容量,因此,無引水條件下各片區水質均為劣Ⅴ類,不甚理想。

2.3引水后水質計算結果

根據《錢塘江河口水資源配置規劃》和浙東引水水量分配,杭州江南片(南沙、蜀山)河網配水量多年平均為6.45億m3;紹虞河網主要考慮蕭山樞紐引水,蕭山樞紐多年平均引水8.9億m3;虞北和豐惠河網引水量主要考慮引曹北線入上虞水量,90%保證率年引水水量1.1億m3;余姚河網引水量主要考慮引曹北線入余姚水量,90%保證率年引水水量0.7億m3;慈溪河網引水量主要考慮引曹北線入慈溪水量,90%保證率年引水水量2.4億m3;寧波河網(江北、鄞西、鄞東南平原)引水量主要考慮引曹南線入寧波水量,90%保證率年引水水量2.26億m3(扣除舟山引水量)。

根據蕭紹寧平原各片引配水量,進行各片區引水后長系列水質模擬計算。引水工程實施后,1961—2013年蕭紹寧平原各片區CODMn和NH3-N多年平均值見表1。由計算成果可見:

a. 多年平均水文條件下,引水工程實施后各平原區CODMn質量濃度降低11%～63%,NH3-N質量濃度降低14%～67%。

b. 水質改善程度主要受引水量大小影響,引水量大,則水質改善程度明顯;反之,則改善程度有限。

c. 引水工程雖然可以大幅度降低水污染濃度,但由于現狀入河污染物量較大,因此,引水后蕭紹寧平原河網CODMn基本能達到IV～Ⅴ類,但大部分片區河網NH3-N仍為劣Ⅴ類。

d. 蕭紹平原的濱江區、南沙平原區、蜀山平原片的水質改善效果好于紹虞平原片;上虞虞北平原水質改善效果好于余姚平原區,這與試通水時期實測資料分析成果[7-8]基本是一致的。

表1　蕭紹寧平原河網引水前后水質改善程度分析

3　結　語

a. 蕭紹寧平原河網水源補給不足、水體流動性較差,實施提高水環境容量(納污能力)的域內引配水工程、促進河網水體有序流動、加快水體置換速度是提高區域水環境承載能力、改善河網水質的有效措施。

b. 建立了蕭紹寧平原河網一維非恒定水動力水質模型,分析了浙東引水工程改善蕭紹寧平原河網水環境的效果。結果表明,多年平均水文條件下,引水工程實施后各平原區CODMn質量濃度降低11%～63%,NH3-N質量濃度降低14%～67%;水質改善程度主要受引水量大小影響,引水量大,則水質改善程度明顯;反之,則改善程度有限。

c. 針對蕭紹寧平原自然條件和河網水系特點,以浙東引水工程和區域內引排工程為基礎,分析擬定了蕭紹寧平原河網水系有序流動的引配水格局,為蕭紹寧平原實施“五水共治”之治污水提供了技術支撐。

d. 引配水工程雖然可以大幅度降低水污染濃度,但由于入河污染物量較大,引水后蕭紹寧平原河網水質仍不能達到Ⅲ～Ⅳ類的目標水質。因此,仍然必須實施蕭紹寧平原水環境改善的治本之策:加強污染源治理,控制外源污染;開展河湖水系綜合治理,減少內源污染;實施污染物總量控制,強化水功能區目標管理等。

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DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.04.005

作者簡介:周芬(1978—),女,高級工程師,主要從事水利規劃與設計研究。E-mail:zhouf@zjwater.gov.cn

中圖分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)04-0034-05

(收稿日期：2015-05-16編輯：徐娟)

Research of water diversion and allocation in Xiaoshaoning Plain based on Eastern Zhejiang Water Diversion Project

ZHOU Fen, LI Hongxian, SHENG Haifeng

(Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydro-Electric Power, Hangzhou 310002, China)

Abstract：The river networks of the Xiaoshaoning Plain have an insufficient water supply and poor water fluidity. To solve these problems, a pattern for water diversion and allocation in the Xiaoshaoning Plain was developed, and the effect of the Eastern Zhejiang Water Diversion Project on the improvement of the water environment in the plain river network was analyzed, based on the Eastern Zhejiang Water Diversion Project and the diversion and drainage projects of the region. This research provides technical support for the treatment of wastewater, according to the co-governance mode for five water categories for the plain.

Key words：Xiaoshaoning Plain; Eastern Zhejiang Water Diversion Project; water diversion and allocation; co-governance mode for five water categories; improvement of water environment