钱塘江涌潮对杭州河段水资源的影响

周鹏飞

（中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

0 引言

钱塘江河口两岸是浙江省经济最发达地区。位于钱塘江下游的杭州市，是国际国内著名的风景旅游城市，是浙江省会和全省政治经济文化中心。杭州市供水水源主要取自钱塘江杭州河段，但钱塘江涌潮对杭州供水影响较大［1］。长久以来，对钱塘江潮汐、泥沙冲淤、河床演变和围垦等研究较多，但钱塘江涌潮对水资源影响的研究较少，而水资源在经济、社会和生活中的重要性越来越显著，为此本文探讨了钱塘江涌潮对杭州河段水资源的影响。

1 分析方法

1.1 杭州河段江水咸度超标的影响因素

钱塘江潮汐状况与杭州河段江水咸度指标有良好的对应关系，钱塘江涌潮1d中出现2次；在半月中有1次大潮和1次小潮，杭州河段咸度超标历时在半月中也相应有1次高值和1次低值；钱塘江涌潮愈强，则咸度超标历时愈长，反之咸度超标历时愈短。对杭州河段来说，钱塘江涌潮在向上游推进过程中强度逐渐减弱［2］，咸度达标的可取水量向上游沿程渐增。

钱塘江在下自乍浦上至闻家堰之间长达130km的河段内存在一个河口拦门沙性质的巨大沙坎，其坎顶位于仓前附近并随潮汐的作用和上游洪水的冲刷而变动，大体上每年春汛及梅汛期随洪水的冲刷而降低和下移，而梅汛之后直至翌年春汛之前的枯水期间则逐渐升高并上移［3］。年中洪水愈大则沙坎愈低，相应地在秋旱大潮时期进潮量也愈多，咸潮对杭州河段水资源影响愈为严重，反之亦然，情况逐年而异。也即，汛期洪水的大小决定着秋旱季节杭州河段的河道特性，也关系着该河段各取水口的取水指标。因此，影响钱塘江杭州河段水资源的主要因素有：（1）钱塘江涌潮的消涨及强度；（2）钱塘江上游径流量；（3）钱塘江河道条件。

本文选取了钱塘江杭州河段3个较具代表性的取水口进行研究，分别是七堡、南星桥和珊瑚沙，其位置见图1。

图1 钱塘江杭州河段七堡、南星桥和珊瑚沙取水口位置示意图Fig.1 Water intake diagram of Qibao，Nanxingqiao，Sanhusha along the Hangzhou reaches of Qiantangjiang River

1.2 多元相关方程的建立

钱塘江涌潮对杭州河段水资源的影响分析采用在一定河道条件下，建立多元相关方程［4］，在方程建立过程中对上述诸有关影响因素做了如下考虑和处理。

我国生活饮用水和工业用水取水的咸度标准均为小于等于250mg／L（据GB5749－2006）［5］，故设定取水口处江水咸度超过250mg／L的历时，为超标历时；当江水咸度符合规定标准的历时，为达标历时。为便于分析计算，不直接采用咸度（单位水体中氯离子含量）作为咸度指标，而是采用在1次单潮涨、落全过程中取水口处的超标历时来表示。

钱塘江的潮汐采用仓前站的观测记录，以体现钱塘江杭州河段潮汐自身的特性。

钱塘江河道条件在一定程度上取决于江滩围垦范围的大小和围堤走向，自上世纪80年代末期以来，钱塘江两岸围垦范围已趋稳定，因此钱塘江河道特性也基本稳定。

由于潮汐自钱塘江口向杭州河段传播和钱塘江上游径流进入杭州河段均需经历一定时间，且这两者在其所经河道范围内还有各自的河槽调蓄过程，因而杭州河段一定取水口处在1次单潮过程中的江水咸度超标历时并不只取决于该次潮汐和当时的钱塘江上游径流量。经分析，该超标历时与面临单潮的潮差和高潮位和前3次单潮的高潮位，钱塘江上游径流当日的平均径流量和前2d各自的日均径流量等因素都存在不同程度上的关联，杭州河段咸度超标历时与这些因素之间都可以建立较好的相关关系式，其通式为：

式中：Tj为超标历时；a0，a1，a2和α，β分别为系数和指数。

Hj为综合潮汐因子，它概括了面临单潮的潮差和高潮位以及前3次高潮位的作用，其表达式为：

式中：Z为潮位；ΔZ为潮差；j表示面临单潮的序号；b0，b1，……b5为各项系数。另外，由于潮汐的“日不等”现象，Hj还与面临单潮所处的时间（日潮和夜潮）有关，对于日潮和夜潮各有1组系数，并且在不同断面和不同年份，其系数亦相区别，体现着河道条件的不同。

Qj为综合流量因子，即面临单潮出现当天和前2 d中钱塘江上游日均径流量q的加权平均值，其表达式为：

式中：c1，c2和c3为各日流量的权重系数，亦随日潮和夜潮分为2组。

在Tj，Hj和Qj三式中的各项系数和指数均根据1994—1996年的潮汐、钱塘江上游富春江水电站的下泄实测流量和断面水流咸度实测数据，按多元回归计算经反复优选确定。

1.3 基本资料

1.3.1 咸潮值班记录

根据杭州市自来水公司生产调度中心咸潮值班记录，收集了1994—1996年九溪水厂（珊瑚沙）、南星桥水厂和七堡取水口断面处的含氯度及出现时间。

1.3.2 潮位资料

采用仓前潮位站1994—1996年逐日高、低潮位资料。

1.3.3 径流量资料

径流量是指钱塘江上游流入杭州河段的水量，采用富春江水电站1994—1996年和2009—2011年逐日下泄流量（其中1994—1996年的径流量资料用于推求相关方程中的系数，2009—2011年的径流量资料则用于推算该时间段的可取水量）。关于钱塘江上游的来水以富春江水电站的下泄流量表示，经调查了解，认为富春江水电站至杭州之间沿江地区取用的江水与由其间支流入汇的水量大体接近，即使有差异，其值与富春江流量相比也可忽略不计。

1.3.4 相关要素的统计

根据1994—1996年含氯度记录及出现时间，将含氯度≥250mg／L的历时都计入超标历时，并按潮汐特性分朔、望期，涨、落潮，日潮和夜潮，经分析后只分日潮和夜潮进行分类统计。表1和表2为南星桥断面1996年7—11月超标历时相关要素的统计表（日潮和夜潮）。

表1 1996年7—11月南星桥江水咸度超标历时与相关因素统计表（日潮）Tab.1 Statistics of the duration of water salinity with exceeded standard and related factors of Nanxingqiao during July to November，1996（day tide）

表2 1996年7—11月南星桥江水咸度超标历时与相关因素统计表（夜潮）Tab.2 Statistics of the duration of water salinity with exceeded standard and related factors of Nanxingqiao during July to November，1996（night tide）

1.4 相关方程中各系数与指数的推算

分别推算日潮和夜潮的相关方程。

（1）作多元相关计算，推求回归方程系数

以超标历时T 作为Y，以潮汐参数Zj－3、Zj－2、Zj－1、Zj和 ΔZj和上游径流量参数qj－2、qj－1和qj作为X，应用多元回归计算程序初步计算出回归方程分项系数d0、d1、d2……d8。

（2）初步计算加权平均流量

①求权重系数

令

则权重

②加权平均流量值：

（3）初步计算综合潮汐因子

令

则：

计算综合潮汐因子：

（4）初步推求超标历时计算公式参数

根据实际系列的T和试算出的同系列H′和Q′，以步长加速法初选指数α，β和系数a0，a1，a2。

（5）第1次优化参数计算

①对偏离较大的突出点分析其原因，然后按情况作适当处理。

②将调整后的T系列和第（2）步中试求出的Q′系列以及第（4）步中求得的α，β和系数a0，a1，a2代入超标历时公式，反求Hy值系列，即作试求潮汐因子的第2次迭代计算。

③以 Hy作为Y 系列，以Zj－3，Zj－2，Zj－1，Zj和

ΔZj为X系列，试求H值系列的第3次迭代计算，作多元回归计算求得系数：b0，b1，……b5，则：

④将上述调整过的T系列和H 值代入超标历时公式，反求Qy值，即作试求Q值系列的第2次迭代计算。

⑤以Qy作为Y 系列，以qj－2，qj－1和qj为X 系列，作多元回归计算求得系数：c″1，c″2和c″3，再由 A＝c″1＋c″2＋c″3，求加权系数：

试求Q值系列的第3次迭代计算，加权平均流量：

⑥再算超标历时计算公式参数

经第1次优化参数计算的T和H、Q系列，以步长加速法进行第2次优选指数α，β和系数a0、a1、a2。

（6）继续优化参数计算

按第（5）步再进行循环计算（一般2～3次），以超标历时T的实测值与试算值的相关系数R≥0.95为满足要求。

表3～表5为南星桥取水口断面氯离子超标历时的多元相关方程中的各项系数和指数。珊瑚沙和七堡取水口断面氯离子超标历时的多元相关方程中的各项系数和指数按相同方法计算确定，可分别得到1组数据。

表3 Tj式中的系数和指数（南星桥断面）Tab.3 Coefficients and indices of Tjformula（Nanxingqiao section）

表4 Hj式中的系数（南星桥断面）Tab.4 Coefficients of Hjformula（Nanxingqiao section）

表5 Qj式中的系数（南星桥断面）Tab.5 Coefficients of Qjformula（Nanxingqiao section）

对于为杭州河段咸度超标历时而建立的上述多元相关方程组，其相关系数达0.95，相关性良好。以计算结果与相同条件下的实测数据进行对比检验可见，南星桥取水口断面1996年7月30日—8月5日整个潮汛实测值和计算值拟合较好，用多元相关公式计算的结果较合理，与实际情况基本相符（图2）。

在建立并验证了上述相关方程组后，就可据此分别推算在不同情况下杭州河段江水咸度超标历时、连续超标历时、咸度标准小于等于250mg／L的达标历时和可取水量等取水指标，从而判断钱塘江涌潮对杭州河段水资源的影响。

图2 南星桥实测超标历时与多元相关方程计算的超标历时结果对比Fig.2 Measured and calculated results for the duration of water with exceeded standard salinity in Nanxingqiao

2 钱塘江涌潮对杭州河段水资源的影响分析

钱塘江涌潮在澉浦附近开始形成，在盐官附近达到最大，尔后在向上游推进过程中强度逐渐减弱。钱塘江涌潮的强弱与潮汐的大小直接相关，在年内以8—10月杭州湾潮差较大，这时钱塘江沿程涌潮也相应较强；在月内，朔、望日后2～3d杭州湾潮差为最大，钱塘江沿程涌潮强度也较大［6］。

本文着重分析1a中钱塘江涌潮较强、杭州河段用水量最大的7—10月钱塘江涌潮对杭州河段水资源的影响。每年的春分时节（3月）钱塘江涌潮也很强，但用水量不大，水资源问题不是很突出，因此本文未考虑。杭州河段从下游至上游选取七堡、南星桥和珊瑚沙3个断面作为代表断面。

在建立并验证了七堡、南星桥和珊瑚沙3个断面的相关方程组后，就可据以分别推算这3个断面处江水咸度超标历时、达标历时和可取水量等指标，从而判断钱塘江涌潮对杭州河段水资源的影响。可取水量即为咸度达标的水量，其计算系根据七堡、南星桥和珊瑚沙3个断面咸度达标的达标历时分别乘以相应时段富春江水电站的下泄流量即可得。

采用1996年河道条件（仓前潮位站最高水位8.88m），2009、2010和2011年7—10月期间杭州河段3个断面咸度达标的可取水量计算结果见表6。

由表6可知，对杭州河段来说，从七堡、南星桥至珊瑚沙断面，2009年7—10月期间咸度达标可取水量分别为30.94，51.02和56.83亿 m3，占钱塘江上游同期天然径流量比重分别为50.5%，83.2%和92.7%，钱塘江涌潮在向上游推进过程中强度逐渐减弱，咸度达标的可取水量向上游沿程渐增，珊瑚沙断面的咸度达标水量比其以下任何断面都多，说明钱塘江涌潮对杭州河段水资源的影响在下游河段比在上游河段大［7］。2010年和2011年的情况与2009年相似。

表6 2009—2011年7—10月杭州河段可取水量计算结果Tab.6 Calculation results of desirable water in Hangzhou reaches during July to November，2009－2011

从钱塘江涌潮对七堡断面的影响来看，根据1994年、1995年和1996年这3年潮位资料，1994年7—10月期间仓前站最高水位达9.39m，1995年为8.09m，1996年为8.88m，相应七堡断面7—10月咸度达标可取水量分别为25.65，54.68和45.4亿 m3，占钱塘江上游同期天然径流量比重分别为50.1%，64.6%和57.6%，说明钱塘江涌潮强度越强，对杭州河段水资源的影响越大。

3 结论

（1）影响钱塘江杭州河段江水咸度的因素主要有3个：钱塘江涌潮的消涨及强度，钱塘江上游径流量和钱塘江河道条件。

（2）钱塘江涌潮对杭州河段水资源影响分析方法采用一定河道条件下，钱塘江潮汐、上游径流与杭州河段江水咸度指标的多元相关方程，相关性良好。用多元相关公式计算的结果较合理，与实际状况基本相符。

（3）对杭州河段来说，从七堡、南星桥至珊瑚沙断面，钱塘江涌潮在向上游推进过程中强度逐渐减弱，咸度达标的可取水量向上游沿程渐增，珊瑚沙断面的咸度达标水量比其以下任何断面都多，说明钱塘江涌潮对杭州河段水资源的影响在下游河段比在上游河段大。

（4）从钱塘江涌潮对七堡断面的影响来看，钱塘江涌潮强度越强，对杭州河段水资源的影响越大。

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