桐乡市西部平原河网数值模拟水源取水可行性研究

张 骏，姬战生，孙映宏

(1.建德市水文水资源监测站，浙江 杭州 310016；2.杭州市水文水资源监测总站，浙江 杭州 310016)



桐乡市西部平原河网数值模拟水源取水可行性研究

张 骏1，姬战生2，孙映宏2

(1.建德市水文水资源监测站，浙江 杭州 310016；2.杭州市水文水资源监测总站，浙江 杭州 310016)

利用MIKE11软件对桐乡西部平原河网的水流进行模拟分析，并利用流域内河网实测水位资料进行验证.结果表明，计算值与实测值吻合较好，具有较好的精度.运用建立的河网模型，对河网内部拟设置取水口处的来水情况进行了计算与分析，结果表明，4种不同的工况条件下，取水口处水量、水位均能满足工程取水的要求.

平原河网；水动力学模型；取水口；可靠性研究

桐乡市位于杭嘉湖平原，境内地势平坦，河道纵横，水网密布，属太湖水系.近年来，随着经济社会的发展和城乡供水一体化的实施，全市公共水厂的供水量逐年增加，目前全市承担集中供水的果园桥水厂和运河水厂总供水能力为30万t/日，2010年供水总量为8 012万t，比上年增长10.6%，日最高供水量突破28万t，基本处于满负荷运行状态，2011年日最大供水量达到30.3万t，已经启用崇福应急水厂，水量供需矛盾日益凸显.并且，桐乡市地表水污染不断加剧，大部分河湖塘漾的水质均处于Ⅴ类和劣Ⅴ类，已很难找到符合饮用水原水标准的水源.为此，桐乡市积极寻求境内新的取水水源地，拟在市区西部河网中设置取水口，开展集中供水水厂水源从运河向西部水域转移的可行性研究.

本文针对桐乡西部水域内河道复杂，流向顺逆不定的特点，利用丹麦DHI公司的Mike11数值模拟软件[1]建立了桐乡西部水域的河网水动力模型，在各种不同工况条件下，通过模型计算，对区域内取水口附近的水位、流量以及来水方向进行了研究.

1 区域概况

桐乡市属太湖流域运河水系，河道稠密，是典型的江南水乡.河道总长2 398.3 km，河道面积46.3 km2，河道密度3.3 km/km2，河网率6.4%.主要河道长440 km有余.京杭古运河斜贯全境，是全市水利、水运的大动脉，东部主要河道以南北向为主，西部河道以东西向为主.

桐乡西部水域位于洲泉镇众安村与德清交界附近的野凌滩漾至桑柴湖漾、白荡漾一线水域.分析区域内主要河流有六纵八横，六纵分别为龙溪港(亦称老龙溪)、十字港、京杭运河、大东港、三洞环桥港、京杭古运河(桐乡段)；八横为漾溪港、含山塘、西圣埭港、横塘港、大羔羊港、祝香桥港、大红桥港、京杭古运河(余杭段)，主要湖漾有百亩漾、野凌滩漾、桑柴湖漾.分析区域周边水文站有新市水位站、临平下水位站、塘栖水位站和崇德水位站.区域主要河道及水文测站分布(见图1).

图1 桐乡西部水域主要河道及水文测站分布图

2 一维水动力模型

Mike11河流模型软件是一个结果清晰、界面友好的模拟系统，广泛应用于模拟河口、河流、河网、灌溉系统的水流、水质、泥沙输运等一维问题的专业软件包，适合于包括复杂平原河网在内的一维非恒定流计算[2-3].

2.1 水动力方程

河网水动力模型控制方程为Saint-Venant方程组：

(1)

(2)

式中：x和t—分别为空间坐标和时间坐标；

B—河宽；

Z—水位；

A—过水断面面积；

Q—断面流量；

q—旁侧入流、出流流量；

R—水力半径；

g—重力加速度；

A—动量校正系数；

C—谢才系数.

Mike11在求解上述方程时，利用Abbott六点隐式格式离散上述控制方程组，该离散格式在每一个网格点并不同时计算水位和流量，而是按顺序交替计算水位或流量.该格式无条件稳定，可以在相当大的Courant数下保持计算稳定，可以取较长的时间步长以节省计算时间[4-5].

2.2 河网概化

桐乡西部水域一维河网数学模型的计算范围：北以漾溪港和无量桥港为界；西以老龙溪和东大河为界；东、南以京杭古运河为界.

由于区域内河网河道纵横交织，水系呈网状，流向复杂，因此必须对河网进行概化.河网概化的原则是：概化所得的河网必须满足与天然河网输水能力和调蓄能力相似、水面率相近.本次模拟概化过程中侧重考虑对水流输送占主导作用的骨干河道，也考虑了少数输水能力较小但沟通水系的河道.模拟的主要河道有：老龙溪、东大河、十字港、京杭运河、大东港、白米塘港、高桥港、漾溪港、长洛河、德新线、德博港、横塘港、三洞环桥港、大有桥港、无量桥港、西圣埭港、大羔羊港、小羔羊港、祝香桥港、大红桥港、京杭古运河等.概化后的河网(见图2)

图2 桐乡西部水域河网概化示意图

2.3 边界条件

桐乡西部水域一维河网数学模型共选用了14个边界，利用2011年1月1日至8月31日新市、塘栖、临平下、崇福4个测站实测水位来控制河网边界水位，以模拟研究范围内河网水体流动情况.

2.4 模型率定

模型对计算断面对应的河段糙率系数进行了率定，水动力模型河道糙率取值基本上在0.015～0.03之间.

由于桐乡西部水域研究范围内部没有水文测站，为满足数学模型验证要求，在河网内部德博港上设置刘皇桥临时水位站(见图1)，该站于2011年5月16日开始观测，同年8月31日结束观测.选择该时间段内刘皇桥逐日平均水位与模型计算结果进行对比，结果见图3.从逐日平均水位的率定结果可以看出，刘皇桥临时水位站点模型计算的逐日水位变化曲线与实测逐日水位变化曲线拟合良好，表明模型可以满足计算要求.

图3 刘皇桥逐日平均水位率定结果

3 计算结果与分析

3.1 计算工况

根据桐乡西部水域2011年1月1日至8月31日的水文资料，选择高水、中水、低水三种工况对拟取水点处来水进行模拟计算.同时为充分考虑枯水年份对取水点的影响，选择2003年作为典型年，计算各边界水位处于最低状况时的取水点来水情况.

方案1 高水位工况，以2011年6月份为计算时段，选取6月19日作为该方案的代表时段，各边界站点的水位取同一日的日平均水位，其中新市站2.37m，崇福站2.42m，塘栖站2.64m，临平下2.59m.

方案2 中水位工况，以2011年8月份为计算时段，选取8月20日作为该方案的代表时段，各边界站点的水位取同一日的日平均水位，其中新市站1.56m，崇福站1.49m，塘栖站1.68m，临平下1.62m.

方案3 低水位工况，以2011年4月份为计算时段，选取4月30日作为该方案的代表时段，各边界站点的水位取同一日的日平均水位，其中新市站0.78m，崇福站0.75m，塘栖站0.90m，临平下0.90m.

方案4 2003年典型年工况，分析2003年各边界站最低逐日平均水位，选取2003年6月25日作为该方案的代表时段，各边界站点的水位取同一日的日平均水位，其中新市站0.76m，崇福站0.77m，塘栖站0.78m，临平下0.72m.

3.2 四种工况计算成果与分析

根据四种计算方案和已建立的河网模型，对桐乡西片水源拟取水点处按取水规模0万t/d、15万t/d、30万t/d、45万t/d分别进行模拟计算，分析不同情况下取水口周边河道水流的流向及流量，结果(见表1).

表1 桐乡西部水域不同工况下补给水源计算成果

(1)高水位工况

方案1在4种不同取水规模下取水点处水位基本不变，均处在2.46m左右，河网内部东西向河道水流流向自西向东，南北向河道水流流向由南向北.由表1可知，高水位工况下取水点附近水量主要来自两条河道，分别是德博港和大东港，其中德博港自西向东流，大东港由南向北而来.从水量分析，不同取水规模下取水点附近总的流量在73.4m3/s～74.1m3/s之间，其中来自大东港水量的比例在83.8%～84.0%之间，德博港水量的比例在16.0%～16.2%.

(2)中水位工况

方案2在4种不同取水规模下取水点处水位基本不变，均处在1.56m左右，河网内部东西向河道水流流向自西向东，南北向河道水流流向由南向北.由表1可知，中水位工况与高水为工况类似，取水点附近水量主要也来德博港和大东港，其中德博港自西向东流，大东港由南向北而来.从水量分析，不同取水规模下取水点附近总的流量在27.3m3/s～27.8m3/s之间，其中来自大东港水量的比例在76.6%～76.9%之间，德博港水量的比例在23.1%～23.4%之间.

(3)低水位工况

方案3在4种不同取水规模下取水点处水位基本不变，均处在0.80m左右，河网内部东西向河道水流流向自西向东，南北向河道水流流向由南向北.由表1可知，低水工况也前面两种工况类似，取水点附近水量主要也来德博港和大东港，其中德博港自西向东流，大东港由南向北而来.从水量分析，不同取水规模下取水点附近总的流量在19.0m3/s～19.5m3/s之间，其中来自大东港水量的比例在82.1%～82.4%之间，德博港水量的比例在17.6%～17.9%之间.

(4)2003年典型年工况

方案4在4种不同取水规模下取水点处水位基本不变，均处在0.75m左右，与前3种工况相比，典型年工况下河网水流流向相对复杂，南北向河道水流流向基本自北向南，东西向河道的水流均汇入于南北向河道.由表1可知，典型年工况下，当不取水和取水规模为15万t/d时，取水点附近水量来自大有桥港和大红桥港；当取水规模为30万吨/日和45万t/d时，取水点附近水量来自大有桥港、大红桥港和三环洞桥港.从流向分析，大有桥港和三环洞桥港均从北向南流，大红桥港自东向西流.从水量分析，不同取水规模下取水点附近总的流量在1.0m3/s～5.2m3/s之间，当取水规模为30 万t/d和45 万t/d时，大有桥港水量的比例在10%～45%之间，大红桥港水量的比例在55%～90.%之间；当取水规模为30 万t/d和45 万t/d时，三环洞桥港水量的比例在17.1%～26.9%之间，大有桥港水量的比例在44.2%～45.7%之间，大红桥港水量的比例在28.9%～37.2%之间.

综上所述，在四种不同方案条件下，模型计算的结果表明在不同取水规模下，取水口处的水位变化不大，均可以满足水厂取水头埠高程的要求.前三种方案取水口附近水量主要来自南部余杭方向来水，由南向北经由大东港到达取水口.2003年典型年工况下，取水口附近水量主要来自北部“引江济太”太湖来水，由北向南经由三环洞桥港、大有桥港和大红桥港达到取水口.

4 结 语

桐乡西部水域河道密布，纵横交错，十分复杂，利用Mike11模型软件，建立了适合该区域的河网模型，率定结果表明，计算值和实测值吻合良好，计算精度可以满足实际应用要求.运用建立的河网模型，对河网内部拟设置取水口处的来水情况进行了计算与分析，结果表明，4种不同的工况条件下，取水口处水量、水位均能满足工程取水的要求，其中前3种方案在不同取水规模下，取水口处的水位变化不大，取水口附近水量主要来自南部余杭方向来水，由南向北经由大东港到达取水口处；2003年典型年工况下，取水口附近水量主要来自北部“引江济太”太湖来水，由北向南经由三环洞桥港和大红桥港汇集至取水口处.

[1]DanishHydraulicInstitute(DHI).MIKE11:AModellingSystemforRiversandChannelsReferenceManual[R].Compenhagen:DHI.2007.

[2] 徐祖信,李雨芯,廖振良,等.苏州河综合整治决策系统的模型系统开发[J].中国给水排水,2008,24(9):72-74.

[3] 徐海波,苏 飞,王士武.余姚市河网平枯水期水质模拟研究[J].浙江水利科技,2008(1):27-29,34.

[4] 吴挺峰,周 锷,崔广柏,等.河网概化密度对河网水量水质模型的影响研究[J].人民黄河,2006,28(3):46-48.

[5] 杨 洵,梁国华,周惠成.基于MIKE11的太子河观葠河段水文水动力模型研究[J].水电能源科学,2010,28(11):84-87,171.

Reliability Study on Water Intake in Plain River
Networks Based on Numerical Simulation

ZHANG Jun1, JI Zhan-sheng2, SUN Ying-hong2

(1.Jiande Hydrology and Water Resources Monitoring Station, Hangzhou 310016, China;2.Hangzhou Hydrology and Water Resources Monitoring Central Station, Hangzhou 310016, China)

In this paper, the software named MIKE11 is used to simulate unsteady flow of western plain river networks in Tongxiang, which is verified by the measured water-level data. The results show that the calculated results agree well with the measured values. Using the established model, the inflow of river water intake is calculated and analyzed. The results show that under four different working conditions, the water flow as well as the water level in water intake can meet the requirements of the project.

plain river network; hydrodynamic model; water intake; reliability research

2015-05-10

国家自然科学基金资助项目(51109054)

张 骏(1962-)，男，浙江建德人，工程师，从事水文水资源保护管理工作.

TV131.1

A

1008-536X(2015)09-0028-05