九圩港提水泵站工程水文計算分析

王 偉，吳建偉，印卓偉，盧慧敏

(1.南通市九圩港水利工程管理所，江蘇 南通 226000；2.南通市通呂運河水利工程管理所，江蘇 南通 226000)

南通市通南地區濱江臨海，經多年治理已形成以骨干河道自流引江供水的調水工程體系，近年來大規模灘涂開發和經濟社會發展對淡水資源的需求明顯增加，加之受長江潮位影響，僅靠自流引江已不能滿足水資源供給需求，位于引江供水末梢的如東、海安缺水尤為明顯。為此，實施《江蘇沿海地區水利建設三年實施方案》，建設九圩港泵站向沿海南部灘涂集中開發區輸送淡水資源，對緩解通南地區農業灌溉高峰期用水緊張現狀具有重要意義。

1 流域概況

1.1 自然概況

南通地區處于長江、黃海交匯處，由長江北岸古沙嘴不斷發育、合并若干沙洲而成，屬長江三角洲沖積平原區，地勢低平，地表起伏甚微，土地總面積8001km2。老通揚運河接如泰運河到沿海出口以南為長江流域，流域面積5748.68km2；以北為淮河流域，流域面積2251.97km2。斗南地區自南向北緩慢傾斜，地面高程在2～5m；通南地區自西北向東南傾斜，其中以粉砂、極細砂為主的高沙土區地面高程在4～6m，局部高亢地帶6m以上，以粉質壤土為主的沿江圩區地面高程在2.5～4m。

南通地區位于北亞熱帶季風氣候區，四季分明，雨熱同季，災害性天氣頻發，海洋性氣候明顯。區域年際降水量不平衡，年內季節分配不均勻，多年平均降水量1060mm，年均雨日120d，全年65.5%的降水集中在汛期。多年平均氣溫15.1℃，多年平均日照時間2100h，年相對濕度80%，年均蒸發量1400mm，年均無霜期203d；常年多偏東風，多年平均風速3.4m/s。

1.2 水資源概況

南通地區地表徑流少，攔蓄能力低，水資源利用主要依靠引江補充，水量受長江來水量和潮位限制。長江來水量年際變化差異很大，年內分配不均，汛期非汛期水量差異明顯；長江如遇長歷時少雨干旱，潮位長時間較低無法引水，易發生時段性嚴重缺水。

長江南通段自靖江與如皋交界起至入海口全長167.3km，共布設15個監測斷面，除啟東港、南通港近岸水質較差，常檢測為Ⅳ類外，其余斷面均為Ⅱ-Ⅲ類水，沿線水質總體較好。南通地區內河地表水共布設46個監測斷面，水質以Ⅲ-Ⅳ類水質為主，局部河段水質較差為Ⅴ至劣Ⅴ類。

2 需水量預測分析

規劃供水范圍為南通市通南、斗南及沿海港區、港城和灘涂圍墾開發區域。根據南通市沿海地區需水量分析成果及分旬需水量過程，按照規劃供水范圍內的工業產值、農田面積、居民人口等與全市的比例，拆算規劃供水范圍內的需水量。

2.1 需水量預測方法與定額

2.1.1農業需水量

農業需水量采用定額法計算。根據沿海灘涂圍墾開發規劃，區域現有耕地533.67萬畝，其中水田430.03萬畝、旱地103.64萬畝；灘涂圍墾耕地59.76萬畝，其中水田47.81萬畝、旱地11.95萬畝；總面積593.43萬畝。灌溉水利用系數按灌溉期內灌溉面積上不包括深層滲漏與田間流失的實際有效利用水量與渠首進水總量之比，計算取為0.65。根據不同類型農田灌溉凈定額及灌溉水利用系數，計算農田灌溉毛定額，P=50%情況下水田625m3/畝、旱地62m3/畝；P=75%情況下水田744m3/畝、旱地86m3/畝；P=95%情況下水田960m3/畝、旱地97m3/畝；沿海地區林果灌溉取水定額80m3/畝、漁塘補水定額666m3/畝、大小牲畜取水定額50m3/畝、2m3/畝。[4]

2.1.2工業需水量

一般工業需水量采用取水定額法預測，根據省工業取水定額標準，為16m3/萬元；火(核)電工業需水量，采用單位kW裝機取水量法預測，根據國家經貿委及省電力工業取水定額綜合確定，為15m3/kW。

2.1.3生活需水量

生活需水按城鎮和農村分別計算，其中城鎮生活需水包括城鎮居民家庭生活需水、建筑業、第三產業和城鎮生態環境等城鎮公共生活需水；農村生活需水僅指農村居民家庭生活需水，根據人口發展指標和對應的用水定額進行推算，并依據近30年生活用水基礎資料及其變化采用增長趨勢法分析。根據省城鎮生活取水定額標準，城鎮生活取水定額256L/人·日、城鎮居民生活取水定額163L/人·日；農村居民生活取水定額125L/人·日。

2.1.4生態需水量

河道外生態環境用水分為城鎮生態環境美化和其他生態環境建設用水等，沿海地區僅考慮城鎮生態環境需水及河湖濕地生態環境補水，城鎮綠化用水采用定額預測方法；濕地、城鎮河湖補水以規劃水面蒸發量與降水量差額確定。

2.2 需水量預測成果

規劃供水區總需水量包括農業需水量、工業需水量、生活需水量、生態環境需水量等，增加的需水量主要是灘涂圍墾開發新增用水，根據供水區需水量預測分析成果及分旬需水量，拆算規劃供水區灌溉高峰期需水流量。計算成果見表1—2。

表1 規劃供水區5月下旬—6月中旬總需水量表

表2 規劃供水區5月下旬—6月中旬需水流量表

3 工程水文計算

工程水位主要考慮長江潮位對工程區影響，特別是是5—6月農業用水最高峰期間潮位高低而影響自流引江能力和7—8月高潮位頂托對自排入江入海泄量影響，主要采用焦港閘、碾砣港閘、九圩港閘、南通閘等站逐日水位資料；潮位主要采用天生港逐日潮位資料，采用焦港、江陰站潮位資料插補，資料系列為1970—2018年。

3.1 基本特征值

南通地區內河正常水位一般在1.8～2.5m，局部地區在1.1～1.6m。長江潮汐據天生港潮位站，多年平均高潮位2.12m，平均低潮位0.23m；最高潮位5.34m，最低潮位-1.32m；最大潮差4.01m，最小潮差0m，平均潮差1.93m，平均漲潮歷時3h56min，平均落潮歷時8h30min。

長江干流徑流以大通水文站為代表站，歷年最大洪峰流量92600m3/s，歷年最小枯水流量4620m3/s，多年平均流量28630m3/s，多年平均徑流量8940億m3，多年平均輸沙率14410kg/s，多年平均含沙量0.52kg/m3，多年平均年輸沙量4.3億t。

3.2 水文分析

長江潮位按灌溉高峰期平均高潮位和日最低潮位分析。采用天生港潮位站1970—2018年逐日實測潮位，統計5月下旬、6月上旬、6月中旬平均潮位，分別進行頻率分析；對日最低潮位按非汛期(10—6月)、冬春期(1—4月)和灌溉高峰期(5—6)分別進行頻率分析，成果見表3。

表3 長江平均高潮位、日最低潮位頻率分析成果表

3.3 泵站特征水位

由于天生港潮位站位于九圩港下游2km處，兩處潮位可近似認為一致，因此九圩港站長江側設計水位直接采用天生港逐日潮位資料分析，泵站抽水期考慮潮位較低的10月至次年6月，泵站運行特征水位分析如下。

根據GB 50265—2022《泵站設計規范》，從感潮河口取水時，進水池設計運行水位應按灌溉期多年平均最高潮位和最低潮位的平均值確定。長江口潮水屬不規則半日潮，一般情況下每天有兩高兩低4個特征潮位，當長江高潮位滿足自流引水條件時，開閘自流引水；當長江潮位降低不能自流引水時，關閘并開啟泵站抽水，因此泵站運行時的長江高潮位往往低于日最高潮位。最低運行水位應取灌溉期水源保證率95%～97%的日最低潮位，九圩港泵站運行時段主要集中在冬春期和灌溉高峰期，冬春期雖然需水量較小，但長江潮位處全年最低時段，此時泵站運行機率較大，一般不需全部開機；灌溉高峰期長江潮位相對冬春期略有抬高，但需水量大，泵站運行機率較大，全部開機的機率也大。考慮到上游規劃工情變化可能引起長江潮位的降低，為泵站運行留有一定余地，最低運行水位采用歷年冬春期水源保證率為95%的日最低潮位。

3.3.1長江側(進水側)

九圩港閘關閘時潮位未進行監測記錄，據分析，關閘時潮位略高于開閘時潮位，并低于日最高潮位，出于泵站功率冗余考慮，關閘開啟泵站時平均潮位采用開閘時平均潮位。九圩港閘開閘時多年平均潮位2.12m，抽水期歷年最低潮位平均值-0.69m，平均值0.72m。歷年冬春期水源保證率為95%的日最低潮位-1.01m，灌溉高峰期水源保證率為95%的日最低潮位-0.51m。歷史最低潮位-1.32m，歷史最高潮位5.34m；100年一遇高潮位5.46m，300年一遇高潮位5.87m。

3.3.2內河側(出水側)

正常水位1.8～2.5m，歷史最高水位3.83m，歷史最低水位0.23m；最高出水水位2.80m，同汛期警戒水位；規劃通航水位九圩港閘上最高3.81m、最低1.16m，閘下最高4.84m、最低-0.70m。

3.3.3施工期水位

采用天生港實測潮位資料，按歷年最高洪水頻率分析，10年一遇洪(潮)水位4.65m，20年一遇洪(潮)水位4.90m(全年施工采用)；按歷年10月至次年6月最高潮位并進行頻率分析，10年一遇洪(潮)水位3.69m，20年一遇洪(潮)水位3.75m。

4 模型驗證

為分析通南河網向東臺灘涂地區供水可行性，建立區域水動力模型，并對九圩港閘、站計算成果與實測值進行比對。

4.1 河網概化

南通市通南、斗南和東臺市川東港以南地區河網縱橫，為便于計算，將區域內河道進行概化構建水動力模型，將對水動力計算成果影響微小的河道簡化處理，將簡化河道斷面面積合并到與其臨近的同向輸水骨干河道，骨干河道斷面相應擴大，確保概化后的河道輸水能力與河網實際輸水能力基本一致。河網概化如圖1所示，共34條主要河道參與水動力演算。

圖1 河網模型河道、建筑物概化簡圖

4.2 邊界條件

根據《江蘇省水文手冊》，采用長江天生港代表站灌溉潮型過程線，作為沿江口門設計潮型過程線，見表4。

表4 天生港代表站灌溉潮型過程線(P=95%低潮位)

沿江焦港閘、如皋港閘、碾砣港閘、九圩港閘和南通閘5處引水口門位于長江江陰、天生港兩個潮位站之間，根據江陰站、天生港站逐日兩高、兩低潮位，內插得出5處引水口門逐日兩高、兩低潮位；根據天生港代表站灌溉潮型過程線，概化出5處引水口門設計潮位過程線。當長江潮位高于內河水位時，開閘自流引水；當長江潮位低于內河水位時，關閉閘門同時開機抽水。

區域內南通、東臺兩片間現狀僅由丁堡河連通、丁堡閘控制，引水流量不大于10m3/s，規劃兩片由丁堡河和新開挖河道連通。對于向沿海灘涂、里下河、東臺斗南地區供水的口門，根據規劃的用水水位要求進行控制，當閘上水位高于規劃的用水水位時開閘供水，反之則關閘停止供水。具體為焦港北閘閘上水位高于1.4m，向里下河地區補水；大洋港閘、團結港閘、遙望港閘上水位高于1.2m、東安閘、掘苴閘上水位高于1.3m，小洋口閘、北凌(新)閘上水位高于1.4m時，開閘向沿海灘涂供水。

4.3 模型率定與驗證

南通市骨干河道以河槽為主，邊灘較小，河網引輸水時以河槽引輸水為主，水深大多在2.5～4.5m，分析擬定河槽綜合糙率為0.0225。6月上、中旬為用水高峰期，且長江潮位相對偏低，易發生用水緊張，因此模型計算時段確定為設計典型年5月下旬—6月中旬。以6月上旬為例，分別對沿江口門引江水量、流量和主要站點水位計算與實測值進行比對，成果見表5。

表5 九圩港閘、站引江水量、流量和水位計算與實測值對比表

可知，九圩港閘引江水量、平均流量模型計算與實測結果在旬平均值方面非常接近，但逐日成果差距較大，其原因為，根據實際運行情況和實測資料，當日兩個高潮期均可以開閘引水情況下，該閘僅有一個高潮期開閘引水，便可滿足水量要求，因此較長時間段內引水總量、平均流量誤差很小，但短時段內誤差較大。水位計算與實測值相差很小。對評價供水規模可行性而言，短時段誤差意義不大，長時段數據擬合程度更為重要，可以認為通南河網向東臺灘涂地區供水可行。

5 結語

通過采用受水區需水量、潮位頻率、泵站特征水位等計算成果分析對比，得出了九圩港提水泵站工程規模合理、供水量可行的結論。建立區域河網水動力模型對引水量、流量和水位成果進行驗證，對供水規模的合理性驗證具有很強的支撐意義。

該研究尚有一定不足，在需水量主要采用定額法計算，考慮其數量基數預測準確性和參數指導性均有一定缺陷，由此得到的需水量預測成果可能存在較大誤差，可將其與近年來實際用水量統計成果進行規律分析驗證；在水動力模型率定和驗證方面，模型概化程度較高，后續可將模型由骨干河道下放，并分段、分河選取計算參數。通過這些方法，能夠得到更加準確的預測結果。