特枯水情下青草沙水庫取水保證程度研究

關許為, 吳彩娥, 代 斌, 劉曉敏

(上海勘測設計研究院,上海 200434)

青草沙水庫屬于河口江心蓄淡避咸水庫,是目前上海市最大的供水水源地。水庫位于長興島北側,利用中央沙、青草沙水域圈圍形成(圖1),青草沙水庫供水規模約占上海市原水供應總規模的50%,與現有的黃浦江上游水源地、陳行水庫聯合形成了以青草沙為主導的“兩江并舉、多源互補”的上海市供水格局,保證了上海市優質水源的供給。

圖1 水庫地理位置

青草沙水庫面積66.26 km2,總庫容5.27億m3,有效庫容4.38億m3,設計供水規模719萬m3/d,受益人口超過1 000萬[1]。

長江河口潮汐特性為非正規半日淺潮,屬于中等強度潮汐河口,在枯水季節易受到咸潮入侵的影響,局部水體枯水季含氯度超標,因此通過水庫調蓄來滿足咸潮入侵期間原水供應的需求。青草沙水庫取水口設置在水庫西北端的新橋通道中南部,特枯水情下水庫取水保證率是關系到青草沙水源工程供水目標能否實現的關鍵因素之一,也是合理確定水庫取、輸水泵閘規模及運行調度方式的重要基礎條件[2-3]。筆者在綜合考慮三峽工程、南水北調工程及沿江引排水等長江徑流影響的基礎上,研究長江來水與青草沙水域鹽度的定量關系,預測特枯水情下青草沙水庫逐月可取淡水幾率。

1 枯季不同來水情況下取水保證程度

南支是長江入海的主流通道,約93%的長江徑流量經南支下泄。一般情況下,青草沙水域上游年來水量可達3 640億～4 731億m3,水源地水量豐沛。

GB 3838—2002《地表水環境質量標準》規定飲用水水源地氯化物質量濃度不能超過250 mg/L,研究取ρ=250 mg/L作為青草沙水域可從長江口取到的淡水鹽度上限值,即水體鹽度超過250 mg/L時認為取不到淡水。青草沙水域的咸潮入侵既受北支咸潮倒灌南支的影響,也受北港口外咸潮直接上溯的影響,但北支咸潮倒灌南支通常是造成青草沙水域含氯度超標的主要原因[4-7]。根據多年觀測資料,枯季不同年份青草沙水域的取水保證程度見表1。

表1 枯季不同來水情況下青草沙水域取水保證程度

2 長江徑流分析及沿江引排水變化

2.1 長江徑流分析及來水變化趨勢

青草沙水庫取水口來水水量主要受大通站下游沿江引水、南水北調東線工程取水、三峽工程調度的影響,分析大通站下游長江徑流變化是預測青草沙水庫取水保證率的基礎。

大通水文站位于安徽省池州市梅龍鎮,距離長江河口640 km,是長江下游干流的一個重要水文站,也是長江口的潮區界。據大通站1950—2006年資料統計,長江大通站多年平均徑流量9 036億m3,最大年徑流量(1954年13 590億m3)約為最小年徑流量(1978年6 760億m3)的2倍,多年平均年徑流量為9 004億m3,因此長江徑流量的年際變化不大,即長江上游每年保證一定的來水。但徑流量在年內分配不均,存在明顯季節性變化,大通站多年平均月徑流量占年徑流量比例見圖2。汛期5—10月,徑流量占全年的70.9%,其中主汛期(7—9月)占全年的39.4%;枯水季11月至次年4月徑流量占全年的29.1%,其中12月至次年3月徑流量僅占全年的15.6%,徑流量的年內季節性變化使得青草沙水庫在年內可取到淡水的幾率存在差異,大通站多年平均月徑流量占年徑流量的比例見圖2。

圖2 大通站多年平均月徑流量占年徑流量的比例

青草沙水域咸潮入侵發生在枯水季,其中當年11月至次年3月咸潮入侵最嚴重,因此重點分析11月至次年3月的來水情況。根據大通站長系列枯水季11月至次年月徑流量資料,采用P-Ⅲ型曲線進行頻率分析(圖3)。1978年11月至1979年3月枯水期平均徑流量為10 500 m3/s,是系列中最枯時段,來水保證率約為97.9%,選取1978—1979年枯水期作為典型特枯年份。

圖3 大通站11月至次年3月平均流量頻率曲線

2.2 沿江引排水分析

長江大通站以下沿江引水區域包括蘇南片、蘇北片、安徽片和江都抽水站4個區域。大通站以下各支流河道下泄徑流量很小,不予考慮。凈引江水量的大小取決于長江大通站以下沿江兩岸(尤其蘇北地區)降雨量的大小,最大年引水量和凈引水量分別為193.92億m3和185.27億m3,出現在1978年;最小年引水量為42.98億m3,出現在1987年,當年凈排水51.87億m3。多年平均引水量為95.43億m3,凈引水量為33.29億m3,圖4為1973—1987年長江大通站以下沿江的引排水和凈引排水量統計情況。

圖4 長江大通站以下沿江年引排水量統計(1973—1987年)

20世紀90年代以來,長江大通站以下又新建了不少引水工程,使得引江水量處于增長過程中。根據南匯嘴控制工程和沒冒沙水庫建設條件綜述等相關研究成果[8],即使遭遇1978—1979年型的特枯年,沿江的年凈引江量約為80年代的150%,即為277.91億m3,年平均引江流量為881 m3/s。筆者根據沿江自來水原水引江量情況,設定未來一定時期自來水原水引江量為63 m3/s。

三峽水庫建成后,枯水年(1978—1979年)10月和11月大通站流量分別減少32.4%和18.2%,大通站流量降至11 349 m3/s和13 332 m3/s,將對長江口咸潮入侵產生不利影響;1—3月大通站流量有所增加,對減輕長江口咸潮入侵有益處;12月和4月流量變化不大,對長江口咸潮入侵的影響可不予考慮。

南水北調東線工程在長江下游江都抽水站取水,按規劃三期工程的取水量為800 m3/s。但東線工程調水后特別是枯水季調水將直接引起長江口入海水量變化。

3 取水保證率分析及預測

3.1 淡水百分比最小值

根據青草沙水域2002年12月—2005年10月實測資料分析,青草沙水域實測鹽度與長江大通流量存在良好的相關關系。青草沙水域月平均鹽度與大通站流量關系見圖5。考慮到潮汐影響以及南支和南北港水域對上游徑流的容蓄作用,在計算大通站月平均流量時,扣除當月最后10天的流量,加上前1個月最后10天的流量,然后求其平均值,作為修正后的月平均流量。

圖5 青草沙水域月平均鹽度與大通站流量關系

大通站月均流量大于3萬m3/s時,青草沙水域月均鹽度接近或等于0;當月均流量小于2萬m3/s時,平均鹽度增加較快。

2003年為平水年(大通站年平均流量29 397 m3/s),青草沙水域3—12月出現淡水幾率為98.8%,洪水季5—10月達到100%;2004年為偏枯年(大通站年平均流量24 998 m3/s),青草沙水域全年淡水出現幾率為81.6%,洪水季5—10月為99.2%。

青草沙水域月出現淡水的幾率或者月出現淡水百分比,與大通月平均流量之間呈對數關系(圖6)。基于安全考慮,筆者分析每月出現淡水的最小百分比。

圖6 青草沙水域淡水百分比與大通站流量關系

青草沙水域每月出現淡水百分比的最小值公式為

Q大通<7 200 m3/s時

R最小=0

(1)

Q大通>7 200 m3/s時

R最小=0.720 1 ln(Q大通)-6.398 6

(2)

式中:Q大通為大通站流量;R最小為出現淡水的最小百分比。

根據實測資料,僅有4個月出現淡水的百分比等于最小值公式的推算值,根據最小值公式推算的月出現淡水百分比是安全的。

3.2 特枯年青草沙水域取水保證率預測

以1978—1979年為特枯典型年,特枯年淡水百分比計算條件為:南水北調東線工程的調水流量特枯年枯水季為400 m3/s,其他月份為800 m3/s;特枯年沿江凈引水流量944 m3/s,三峽水庫建成后大通站流量變化見表2。

表2 三峽水庫建成后長江大通站流量變化(特枯年) %

根據式(1)和式(2)計算得到未來出現特枯年時青草沙水域取水口各月淡水百分比，見圖7。

圖7 未來特枯年青草沙水域取水保證率

計算結果表明,未來即使重現1978—1979年的特枯年,青草沙水域在洪水季5—10月也有充足的淡水,各月淡水出現幾率分布在44.4%～100%之間。

4 結 論

a. 青草沙水域鹽度與大通站流量有較好的定量關系。當大通站月平均流量大于3萬m3/s時,取水口鹽度一般低于250 mg/L,此時青草沙水庫月取水保證率為100%;當大通站月平均流量小于7 200 m3/s時,取水口鹽度一般高于250 mg/L,屆時青草沙水庫不宜取水。

b. 青草沙水域鹽度月變化較為明顯, 當年11月至次年4月的鹽度含量相對較高,淡水出現幾率相對較低;其他月份鹽度含量相對較低,淡水出現幾率相對較高,特別是在進入洪季5—10月時,月平均鹽度含量等于或接近0,淡水出現幾率接近1。

c. 未來特枯水情下，青草沙水域能夠保證在洪季(5—10月)有充足的淡水資源可取。

[1] 上海勘測設計研究院,上海市水利工程設計研究院.青草沙水庫及去輸水泵閘工程初步設計說明書[R].上海:上海勘測設計研究院,上海市水利工程設計研究院，2007.

[2] 關許為,林順財.青草沙水庫堤線布置論證研究[C]//顧金山.上海長江口青草沙水源地原水工程論文集.上海:上?？茖W技術出版社,2011.

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[7] 朱建榮,吳輝,李路,等.極端干旱水文年(2006)中長江河口的鹽水入侵[J].華東師范大學學報:自然科學版,2010(4):1-6.(ZHU Jianrong,WU Hui,LI Lu,et al.Saltwater intrusion in the Changjiang Estuary in the extremely drought hydrological year 2006[J].Journal of East China Normal University:Natural Science,2010(4):1-6.(in Chinese))

[8] 上海實業(集團)有限公司.南匯嘴控制工程和沒冒沙水庫建設條件綜述[R].上海:上海實業(集團)有限公司,2005.