杭州钱塘江灌区河网增加取水规模取水可靠性分析

杭州钱塘江灌区河网增加取水规模取水可靠性分析

姬战生，孙映宏

(杭州市水文水资源监测总站，浙江 杭州310016)

摘要：通过对河网代表站方千娄水文站水位进行综合分析可知，河网内外水位差较大，通过闸泵引提水能保证灌区用户用水需求；利用MIKE11建立了杭州钱塘江灌区河网水动力学模型，结果表明：现状和规划偏不利取水条件下，河网内河道的过水能力均能使取水口处河道保持足够的取水水深，热电公司取水口的取水保证率在90%以上，且对附近其他取水口处河道水位的影响不大.

关键词：钱塘江灌区；取水可靠性；水位分析；水动力模型

中图分类号：TV213.2文献标志码：A

收稿日期：2014-12-20

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51109054)

作者简介：姬战生(1980-)，男，河南洛阳人，硕士研究生，工程师，主要从事水文水资源、数值模拟研究.

Reliability Research on Increasing Water Scale in River

Network of Qiantang River Irrigated Area

JIi Zhan-sheng, SUN Ying-hong

(Hangzhou Hydrology and Water Resources Monitoring Station, Hangzhou 310016, China)

Abstract:The comprehensive analysis of water level illustrates that, due to relatively large water level difference of river network inside and outside, drawing water through the sluice gate and pump is expected to meet the needs of water users in the irrigation area. The water level of Fangqianlou, the representative hydrological station of Qiantang River, is comprehensively analyzed and the hydrodynamic model for the river network of Qiantang River irrigated area in Hangzhou is established based on MIKE11. The simulation results of hydrodynamic model show that, under adverse conditions of weak water intake, both in present or in plan, channels transport water capability in river network makes all channels keep enough water depth to meet the guarantee rate of water intake over percent 90, with little influence on water level of near channels where other water intakes are.

Key words:Qiantang River irrigated area; reliability of water intake; analysis of water level; hydrodynamic model

杭州萧山经济技术开发区热电有限公司是为国家级萧山经济技术开发区、城市新区及周边地区集中供热的以供热为主、热电联产企业，目前公司总装机容量为1台130 t/h和3台75 t/h循环流化床锅炉，2台12 MW抽凝式、1台6 MW背压式发电机组；机组总抽(排)汽能力为270 t/h左右，扣除自用汽后对外供热能力可达210 t/h；发电装机容量31.5 MW1).公司现有两个生产用水取水水源：北塘河水和自来水.2011年、2012年公司实际取用自来水约150万t，北塘河水约35万t.为加强流域水资源的统一调度，2012年8月，杭州计划完善分类水价制度，实行工业和服务业超计划超定额用水累进加价制度，大大增加了公司的生产成本.因此，热电公司拟全部从北塘河原取水口取水，年取水量250万t，并通过建造一个产水能力为2×100 m3/h的脱盐水站，对原水进行水质处理，以满足生产用水需求.钱塘江灌区河网取水口众多，几乎呈片状分布，热电公司增加取水规模，河网水位变化是否明显，取水水源是否可靠，是否会对附近取水户造成较大影响，这都是需要研究的问题.

1) 杭州萧山经济技术开发区热电有限公司二期扩建工程可行性研究报告[R].中国联合工程公司，2003.

目前，对平原河网地区取水口取水可靠性分析论证大多都是利用河网代表性水文站实测水文资料对河网水位进行分析，从整体上分析河网水位均值的变化，无法精确地确定取水口河道和周边河道水位、水深变化情况，很难确定是否能满足取水需求和对附近其他用水户的影响；部分采用一维水动力模型模型进行分析[1-2]，但又缺乏对河网整体水位变化的系列分析，水行政主管部门很难从宏观层面掌握区域水资源利用情况.本文采用河网水位分析和一维河网水动力模型相结合的方法，以萧山经济技术开发区热电有限公司增加取水规模取水水源可靠性分析为例，对取水水源可靠性分析方法进行了较好的应用和拓展，对平原河网地区特别是封闭灌区、圩区取水水源可靠性分析有一定的参考意义.

1钱塘江灌区概况

钱塘江灌区属钱塘江下游滨海平原,由南沙平原和围垦地区组成(见图1),西起闻堰,东至围垦二十二工段,北依钱塘江,南连蜀山平原,灌区面积为735 km2,耕地面积42 000余hm2,包括13个镇、街道和临江工业园区，区内常驻人口70余万.

图1　钱塘江灌区水系图

钱塘江灌区为独立河网水系，河道多为人工开挖形成，纵横交错，呈规则的网状分布.根据最新的水域调查统计，河网内共有172条河流，河道总长度898 km，河流水域面积29 km2，现状水面率约5%.主要河道有北塘河、前解放河、后解放河、义南横河、三工段横河、二十二段河、长山直河、大治河、永丰直河、六工段直河、八工段直河、十工段直河等.

钱塘江灌区过境水量丰富，生活饮用水引自富春江、钱塘江闻堰及以上河段，一般工业用水和农业用水主要靠江边、七甲、浦沿、小砾山等涵闸、排灌站通过引水闸引潮、提水泵站提水，从钱塘江调入境外水量解决.目前江边、七甲、浦沿、小砾山排灌站引水流量分别为77.28 m3/s、5.6 m3/s、16.8 m3/s、16.8 m3/s，提水流量分别为52 m3/s、33.4 m3/s、4.44 m3/s、20 m3/s，正在重建的钱江水利枢纽规划提水流量为20 m3/s；规划将钱江、七甲取水功能上移至小砾山排灌站，扩大小砾山排灌站提水规模为50 m3/s，分别在济民河、长山直河、大治河河尾各建造一座二级泵站，设计流量分别为25 m3/s、20 m3/s、5 m3/s，通过三座二级泵站引提水工程的联合调度来解决灌区河网的供排水问题.

河网排涝和抗旱调度控制原则：梅汛期和台汛期的河网正常水位分别为4.0 m和3.9 m，超过正常水位，周边各闸应开闸排涝，如遇天气预报有暴雨发生，要适时进行预排.当梅汛末，河网水位允许短期抬高到4.2 m和4.0 m.在伏旱期间，要加强引排水闸的管理，防止河网水量外流并尽可能多引入水量.当河网水位在3.8 m以下，各提引水工程尽可能多提引入水量.

2) 王卫平，姬战生，朱江等.杭州萧山经济技术开发区热电有限公司增加取水规模水资源论证报告[R].河海大学，2013.

2水位分析

杭州萧山经济技术开发区热电有限公司拟定在原取水口增加取水规模，取水口位置位于通惠北路桥东、北塘河南岸，附近没有实测的水位、雨量资料，但在钱塘江灌区方千娄闸设有方千娄水文站，常年观测内河水位和雨量.本文选取方千娄站1969-2011年期间的同步实测水位、雨量资料对钱塘江灌区河网进行分析2).该系列包含了丰、平、枯三种水情年份，有较好的一致性和代表性，分析结果能合理反映该区的水位变化规律.

2.1特征水位

根据历年实测资料统计，钱塘江灌区方千娄水文站多年平均水位3.90 m，实测最高水位5.12 m(2001年6月26日)，实测最低水位2.63 m(1969年8月18日)，多年平均年最低水位3.48 m，历年年最低水位在2.63～3.83 m之间.

2.2年最低水位

分析方千娄站1969-2011年期间实测水位资料可知：

(1)历年年最低水位多数出现在用水高峰期(7～9月份)，43年中出现了27次，占总次数的69.2%，其中尤其是8月份，占总次数的38.4%.

(2)随着浦阳江、钱塘江各提引水工程的改造与完善，增强了向河网的引提水能力，使河网多年平均年最低水位比1995年以前提高了近0.32 m，确保了用水高峰期间，河网水位保持在3.80 m以上，年最低水位保持在3.40 m以上，为抗旱和工农业生产的发展起到了很好的保障作用.

2.3特征年份水位

根据水文资料，重点分析两种特殊情况下内河河网取水的可靠性：降水量偏少的干旱年份1978年；内河水位较低的1991年.

1978年，方千娄站年降水量为920.0 mm，比多年平均降水量偏少29.1%，属枯水年份；1978年内河水位偏低，方千娄站年平均水位3.74 m，比多年平均水位低0.16 m；钱塘江水位较高，闻家堰站年平均低潮位较内河平均水位高0.05 m，年平均高潮位较内河平均水位高0.46 m，内外江水位差较大，有利于引钱塘江水入内河水网，调节河网水位，满足工农业取水要求.

1991年，内河水位较低，方千娄站年平均水位3.81 m，比多年平均水位低0.09 m，河道输水能力有所下降.方千娄站年降水量1 192.9 mm，比多年平均降水量偏少8.2%，属正常年份.1991年，外江水位较高，浦阳江临浦站年平均低潮位较内河平均水位高0.08 m，年平均高潮位较内河平均水位高0.61 m；钱塘江闻家堰站年平均低潮位较内河平均水位高0.01 m，年平均高潮位较内河平均水位高0.65 m.通过引、提水，沿河网用户用水可以得到保证.

因此，干旱年份和内河水位较低年份，由于钱塘江、浦阳江水位较高，内外江水位差较大，通过引水闸、提水泵发挥引提水作用，能保证灌区河网工农业用户用水需求.

3取水可靠性分析

本文采用MIKE11一维数学模型水动力模块(HD)进行河网水流计算[4].

3.1河网概化

整个钱塘江灌区大小河道纵横交错，河道断面变化复杂，要对河网进行模拟就必须对其进行概化.河网概化是在天然河网的基础上，以骨干河道为基础，以概化后的河网基本与实际河网的水力特性等效为原则，并适当增加取水口附近河道密度，达到概化后的河网的输水能力和调蓄能力与实际河网基本一致的效果[3-4].模型选用实测断面资料近150个，考虑了河网35处闸、泵、堰等.河网概化(见图2).

图2　河网概化图

3.2现状和规划不利取水条件

(1)河网初始水位取3.80 m.

(2)当且仅当河网水位低于3.80 m，启用排灌站引提水.河网水位超过正常水位3.90 m(按对取水不利，选择台汛控制水位)或各排灌站引水渠渠首高程大于5.00 m，即停止引提水.

(3)钱塘江灌区农灌面积约34 666.67 hm2，取水流量较大(30～50 m3/s)，偏不利设计，以江边排灌站52 m3/s全部作为农业用水补充，确保农灌高峰期用水平衡.

(4)2011年，钱塘江灌区的工农业年用水量约4.9亿m3, 其中农业约2.3亿m3，工业用水为2.6亿m3.根据萧山区农机水利局地表水取水口调查报告，在模型边界文件中设置重要工业取水点源52个，合计用水1.1亿m3，其余约1.5亿m3的取水按线源消耗平均到每条河道.

(5)现状条件下，边界仅考虑七甲排灌站、小砾山排灌站长山直河二级泵站进行补水，其余排灌站取水规模相对较小，不考虑其补水能力，此条件对补水更为不利；规划条件下，边界重点考虑钱江水利枢纽20 m3/s和小砾山排灌站通过济民河、长山直河、大治河河尾三个二级泵站50 m3/s的取水规模进行补水.在此前提下，增加取水规模能否取到水，是否会对周边企业取水产生影响，主要取决于河道的过水能力能否使取水口周边河道保持足够的取水水深.

3.3取水口取水可靠性分析

现状和规划不利取水计算条件下数模计算成果表明：

(1)钱塘江灌区面积较大，补水覆盖影响整个河网需要一定时间.在补水尚未影响到的河道，由于工农业生产持续用水会导致河网水位在初始水位3.80 m的基础上有一定幅度的下降：现状不利取水条件下，水位可能下降幅度在0.02 m左右，即河网最低水位不会低于3.38 m；规划不利取水条件下，水位可能下降幅度在0.007 m以内，即河网最低水位不会低于3.39 m.

(2)在现状和规划不利取水条件下，在江边排灌站52 m3/s取水规模全部作为农业用水补充以保证用水高峰期农灌用水基本平衡的前提下(包括热电公司250万t/a取水量在内)，沿江排灌站的取水规模和河网的输水能力可使各输水河道均能保持一定的水深，不会出现无法过水的情况；热电公司取水口河段平均水深可保持在2.00 m以上，能满足企业的取水需求.

表1　现状和规划不利取水计算条件下取水口周边河道水深分析　单位：m

按照钱塘江灌区河网调度规则，当河网水位在3.80 m以下，各引提水工程尽可能多引提入水量；用水高峰期间，河网水位保持在4.00 m左右.因此，模型河网计算初始水位控制为3.80 m，高于90%保证率河网日均水位(3.68 m)，加上现状和规划取水条件均为不利取水条件，使设计计算条件比以90%保证率日水位为控制条件更为不利，因此，热电公司取水口取水的保证率在90%以上.

同时，萧山区为提高钱塘江灌区的排涝灌溉能力，进行了主干河道和次干河道的河道规划，上游地区河道规划河底高程在1.0～1.5 m，下游地区河道规划河底高程在0.5～1.0 m，并对河道进行相应的拓宽.规划实施后，河道水深将增加1.0 m左右，将增强河道输水能力，增加河网槽蓄水量，有利于满足河网沿线工农业、景观用水需求.

3.4对其他用水户的影响分析

热电公司取水口附近只有杭州萧山景福印染有限公司取水口(取水规模60万t/a)，距离约1.9 km，周边另无其他大的取水口.距离稍远的取水规模较大的有杭州红山热电有限公司(取水规模1 364万t/a)、杭州萧山红山染整有限公司(取水规模140万t/a)、杭州红宝染化有限公司(取水规模166万t/a)等，其取水口距离本项目取水口在10 km左右.

通过数学模型计算不利取水条件下，热电公司取水规模增加前后，附近的杭州景福印染、杭州红山热电、杭州红山染整、杭州红宝染化等取水口附近断面水位变化过程(见图3)(截取第10～20 h的过程线以清晰地显示其水位差异)，水利计算特征点位置(见图4).结果表明，热电公司增加取水规模对附近区域其他取水口处河道水位的影响不大：对最靠近的杭州景福印染取水口影响最大，水位下降0.002 m，对较远的其余取水口的水位影响都在0.001 m以内.因此，可认为热电公司增加取水规模对其他用水户用水影响不大.

图3　热电公司增加取水规模前后上述四个取水口处河道断面水位变化过程线

图4　河网水利计算特征断面位置图

4结论

(1)通过对钱塘江灌区代表性水文站方千娄站历年最低水位和干旱代表年、内河水位较低代表年特征年份水位进行分析可知，由于钱塘江、浦阳江水位较高，内外江水位差较大，通过引水闸、提水泵发挥引提水作用，能保证灌区内河网工农业用户用水需求.

(2)运用河网水动力模型详细分析了河网增加取水规模后取水的可靠性，结果表明：现状和规划不利取水条件下，河网的过水能力均能使取水口处河道保持足够的取水水深，热电公司增加取水规模的取水要求可以得到保证，且取水保证率在90%以上；热电公司取水对附近区域其他取水口处河道水位的影响不大.

(3)本文采用河网代表站水位综合分析和一维河网水动力模型相结合的方法，分别从宏观和微观角度对河网增加取水规模取水水源可靠性进行分析，对平原河网地区特别是封闭灌区、圩区用户取水水源可靠性分析具有很好的指导意义，也可为平原河网区域和灌区取水水源论证研究提供借鉴.

参考文献：

[1]姬战生,孙映宏,何晓洪.杭州南沙平原河网新增取水口取水可靠性研究[J].水电能源科学,2008,26(3):113-116.

[2]王领元.丹麦MIKE11水动力模块在河网模拟计算中的应用研究[J].中国水运,2007,7(2):106-107.

[3]杨松彬,董志勇.河网概化密度对平原河网水动力模型的影响研究[J].浙江工业大学学报,2007,35(5):567-570.

[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.