榕江關埠引水工程取水口設置方案分析

劉同成

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司,廣東 廣州 510635）

粵東地區韓江、榕江、練江水資源分配不均,開發不平衡,特別是練江流域水資源緊缺,生態流量嚴重透支,入河污染負荷遠超河流自凈能力,全流域呈現重污染態勢,水質整體劣于V 類,已經嚴重影響群眾生活質量和經濟社會持續健康發展。

由于練江流域的水環境問題,建設榕江關埠引水工程,其主要任務是針對練江、榕江水生態環境現狀,在優先實施控源截污工程和保護好榕江水資源水環境安全的前提下,實現榕江～練江水系連通,改善練江流域水環境污染、水生態破壞等問題,為修復和改善潮汕平原水生態環境提供有力支撐。

項目的取水可靠性直接涉及到項目投入運行后的穩定產出效率,在提高項目經濟效益方面發揮著至關重要的作用[1]。劉樹峰針對咸潮河段展開研究,通過實測水質資料計算驗證了取水口的取水可靠性[2]。本文擬通過取水口設計河段標準,采取MIKE21 模型,結合咸潮監測標定物從水量銜接、水質可靠、河床穩定性及咸潮影響方面提出關埠引水工程取水口設置方案,規避取水風險,推薦取水口最優方案。

1 研究區概況

榕江干流全長175 km,河床平均坡降0.49‰,流域面積4408 km2,多年平均徑流量61.4 億m3。榕江關埠補水工程取水水源為榕江,設計取水流量20 m3/s,取水口擬定于榕江關埠段附近,采用埋管輸水+隧洞,交水至練江上游流沙新河匯合口處河段。工程輸水線路布置見圖1。

圖1 關埠引水工程總體布置

2 模型建立及方案設置

2.1 控制方程

MIKE21 水動力模型的控制方程為基于Boussinesq 假定和流體靜壓假定的二維不可壓雷諾平均N-S 方程,即淺水方程。控制方程組采用平面二維非恒定流方程組,見式（1）～式（3）。

式中：x、y 和t 分別為空間、時間坐標；h 為水深；U、V 分別為x、y 方向流速；z 為水位；g 為重力加速；u、v 分別為垂線平均流速在x、y 方向的分量；c 為謝才系數；vt為紊動粘性系數；n 為曼寧糙率系數。

2.2 方案設置

本工程取水口可選擇的范圍主要有三個河段,北河河段、南河河段及榕江干流河段,三個河段分布見圖2。

圖2 取水口所在河段分布

2.2.1 方案1

取水口位于南河河段,距離南北河交匯口上游約4.9 km處,引水管線自北向南從取水口引出,以盡量避開現狀房屋為原則布置,沿線穿過溝頭村、大聯村等村落后進入南側的加壓泵站前池,來流經泵站加壓至位于山腰的高位水池,輸水隧洞自高位水池引出,沿山脊自東向西延伸至馬湖村附近山脈后折向西南,從北山村山腳的北坑水庫附近進入出水池,經過出水池分水至兩條輸水明渠,最終匯入練江。其中,引水管道長約2.83 km,輸水隧洞全長約27.86 km。經水力計算,加壓泵站揚程為42 m,裝機容量10800 kW。

2.2.2 方案2

取水口位于榕江干流河段,距離南北河交匯口下游約1.1 km 處,引水管線從取水口沿西南向引出,以盡量避開現狀房屋為原則布置,沿線穿過下港村、埔上村、東湖村、竹橋村等村落后進入南側的加壓泵站前池,來流經泵站加壓至位于山腰的高位水池,輸水隧洞自高位水池引出,沿山脊自東向西延伸約5.6 km 后與方案1 輸水線路布置相同。其中引水管道長約7.23 km,輸水隧洞全長約29.59 km。經水力計算,加壓泵站揚程為45 m,裝機容量11540 kW。

2.2.3 方案3

取水口位于南河河段距離南北河交匯口上游約3.8 km處,距離京浦碼頭下游約170 m,引水盾構管道從取水口引出自北向南輸水,引水線路基本沿現有道路底部布置,沿線穿過新榮村、灶市村、東倉村、波頭村等村落后自流進入南側山腳的加壓泵站前池,然后通過加壓泵站加壓至位于南側山坡上的高位水池,輸水隧洞從高位水池引出,沿山脊自東向西延伸至馬湖村附近山脈后折向西南,從普寧市北山村山腳的北坑水庫附近進入出水池,之后經出水池溢流堰分水至北山村輸水明渠和北山東輸水渠,最終匯入練江。其中,引水管道長約3.85 km,輸水隧洞全長約27.71 km。經水力計算,加壓泵站揚程為42 m,裝機容量10800 kW。

2.3 設置方案分析

（1）取水條件比較

由于取水口區域均為趕潮河段,取水口均垂直岸線布置,進水條件相當；從水下河床地形分布來看,取水口1 部位為常年沖刷段,河床基本穩定,方案2 取水口部位分布有小范圍灘地,有輕微淤積現象,方案3 位于河道相對順直部位,河床基本穩定。因此取水條件來看方案1 略優。

（2）可取水量比較

榕江下游段由于河口并未設閘,受外海潮汐頂托閘下河段呈往復流,水位變化較大,大量余水直接排入外海,并未得到充分利用。由于此處受外海潮位的頂托作用,猶如形成天然湖庫,通過MIKE21 建立水動力模型,分析兩處位置可取水量的情況。

模型范圍為榕江南河三洲閘至牛田洋出海口長度約為70 km。榕江共設置180 個斷面,間距約為500 m～1000 m。

邊界條件：上邊界為流量,下邊界為潮位。上邊界位于榕江南河三洲閘,下邊界位于榕江河口。榕江北河在南北河交匯點以點源方式匯入。榕江南河及北河流量分別是扣除上游近遠期用水后的下泄水量,榕江河口采用媽嶼站逐日潮位系列。

建立牛田洋-榕江三洲閘的一維水動力模型,以上游榕江南北河的下泄余水、韓江鹿湖隧洞引水工程引水量和媽嶼站的潮汐變化作為模型邊界條件,以此計算在潮動力作用下工程的可取水量。

以設計取水規模為20 m3/s 的前提下進行可引水量對比分析,模型長系列計算結果見表1。結果表明,由于下游潮汐的頂托作用,三個取水口處的可引水量基本保持一致。

表1 不同取水口工程平均可取水量成果表

（3）取水口處流場影響

選取平水時段作工程后取水口處二維漲落潮流場圖。方案1 取水口處流場：方案1 取水口處河道地形見圖3,漲落潮流場圖見圖4 和圖5。從流場圖可以看出,工程取水對河道主流流向基本沒有影響,流向基本平行于河道中心線,取水口處取水不影響通航安全。

圖3 方案1 取水口處河道地形圖

圖4 方案1 取水口處落急流場圖

圖5 方案1 取水口處漲急流場圖

方案2 取水口處流場：方案2 取水口處河道地形見圖6,漲落潮流場圖見圖7 和圖8。從流場圖可以看出,工程取水對河道主流流向基本沒有影響,流向基本平行于河道中心線,取水口處取水不影響通航安全。

圖6 方案2 取水口處河道地形圖

圖7 方案2 取水口處落急流場圖

圖8 方案2 取水口處漲急流場圖

方案3 取水口處流場：方案3 取水口處河道地形見圖9,漲落潮流場圖見圖10 和圖11。從流場圖可以看出,工程取水對河道主流流向基本沒有影響,流向基本平行于河道中心線,取水口處取水不影響通航安全。

圖9 方案3 取水口處河道地形圖

圖10 方案3 取水口處落急流場圖

圖11 方案3 取水口處漲急流場圖

（4）咸潮因素影響

為了解榕江下游的咸潮上溯情況,選擇平水期大潮期開展榕江鹽度監測,監測點位見圖12。監測方法為定點布設YSI6600 和YSI6920 自動水質儀器,監測項目包括水溫、電導率、鹽度（Salinity,psu),監測頻率為1 h/次。研究采用式（4）將所測鹽度轉換為氯化物濃度進行分析：

圖12 榕江流域監測點位分布圖

各斷面氯化物濃度變化特征見表2。由表可知關埠引水工程取水點位于榕江南河下游,監測期間氯化物濃度變化范圍為66.4 mg/L～188.2 mg/L,呈現與潮汐漲落相同的變化規律,即漲潮時受咸潮頂托作用氯化物濃度略有上升、落潮時受上游沖淡水影響氯化物濃度迅速下降；監測期間均達到農田灌溉水質標準（氯化物≤250 mg/L）,表明咸潮基本不會影響到關埠引水點；監測期間位于上游的東湖、潮水溪引水點、龍石等斷面的氯化物濃度基本不變,可認為均為淡水；地都斷面距離榕江出海口約35 km,監測期間氯化物濃度變化范圍為215.9 mg/L～4494.8 mg/L,均超過農田灌溉水質標準（氯化物≤250 mg/L）,表明咸潮對地都斷面影響明顯。取水點越往上游受咸潮的影響越小,因此,方案1 取水點受咸潮影響較小,有利于引水。

表2 榕江下游氯化物濃度變化特征

3 結論

本研究建立了榕江南河三洲閘至牛田洋出海口MIKE21模型,模擬了設計取水規模為20 m3/s 下的可引水量及取水口流場分布,同時將監測鹽度轉換為氯化物濃度進行咸潮影響分析。分析結果能夠為工程合理設計,部門決策提供依據。得出如下主要結論：

（1）幾個方案取水條件相當,但方案1 和方案3 具有水質相對較好、不受咸潮影響、輸水線路較短、泵站裝機容量小、工程地質條件較好、征地條件、施工條件較好以及工程投資省的優點。

（2）方案1 雖然投資較小,但引水盾構管道和地方規劃有所沖突。方案3 雖然投資較方案1 略有增加,但線路外部征地條件簡單,更容易實施,因此推薦方案3。