关许为, 吴彩娥, 代 斌, 刘晓敏

(上海勘测设计研究院,上海 200434)

青草沙水库属于河口江心蓄淡避咸水库,是目前上海市最大的供水水源地。水库位于长兴岛北侧,利用中央沙、青草沙水域圈围形成(图1),青草沙水库供水规模约占上海市原水供应总规模的50%,与现有的黄浦江上游水源地、陈行水库联合形成了以青草沙为主导的“两江并举、多源互补”的上海市供水格局,保证了上海市优质水源的供给。

图1 水库地理位置

青草沙水库面积66.26 km2,总库容5.27亿m3,有效库容4.38亿m3,设计供水规模719万m3/d,受益人口超过1 000万[1]。

长江河口潮汐特性为非正规半日浅潮,属于中等强度潮汐河口,在枯水季节易受到咸潮入侵的影响,局部水体枯水季含氯度超标,因此通过水库调蓄来满足咸潮入侵期间原水供应的需求。青草沙水库取水口设置在水库西北端的新桥通道中南部,特枯水情下水库取水保证率是关系到青草沙水源工程供水目标能否实现的关键因素之一,也是合理确定水库取、输水泵闸规模及运行调度方式的重要基础条件[2-3]。笔者在综合考虑三峡工程、南水北调工程及沿江引排水等长江径流影响的基础上,研究长江来水与青草沙水域盐度的定量关系,预测特枯水情下青草沙水库逐月可取淡水几率。

1 枯季不同来水情况下取水保证程度

南支是长江入海的主流通道,约93%的长江径流量经南支下泄。一般情况下,青草沙水域上游年来水量可达3 640亿～4 731亿m3,水源地水量丰沛。

GB 3838—2002《地表水环境质量标准》规定饮用水水源地氯化物质量浓度不能超过250 mg/L,研究取ρ=250 mg/L作为青草沙水域可从长江口取到的淡水盐度上限值,即水体盐度超过250 mg/L时认为取不到淡水。青草沙水域的咸潮入侵既受北支咸潮倒灌南支的影响,也受北港口外咸潮直接上溯的影响,但北支咸潮倒灌南支通常是造成青草沙水域含氯度超标的主要原因[4-7]。根据多年观测资料,枯季不同年份青草沙水域的取水保证程度见表1。

表1 枯季不同来水情况下青草沙水域取水保证程度

2 长江径流分析及沿江引排水变化

2.1 长江径流分析及来水变化趋势

青草沙水库取水口来水水量主要受大通站下游沿江引水、南水北调东线工程取水、三峡工程调度的影响,分析大通站下游长江径流变化是预测青草沙水库取水保证率的基础。

大通水文站位于安徽省池州市梅龙镇,距离长江河口640 km,是长江下游干流的一个重要水文站,也是长江口的潮区界。据大通站1950—2006年资料统计,长江大通站多年平均径流量9 036亿m3,最大年径流量(1954年13 590亿m3)约为最小年径流量(1978年6 760亿m3)的2倍,多年平均年径流量为9 004亿m3,因此长江径流量的年际变化不大,即长江上游每年保证一定的来水。但径流量在年内分配不均,存在明显季节性变化,大通站多年平均月径流量占年径流量比例见图2。汛期5—10月,径流量占全年的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月径流量占全年的29.1%,其中12月至次年3月径流量仅占全年的15.6%,径流量的年内季节性变化使得青草沙水库在年内可取到淡水的几率存在差异,大通站多年平均月径流量占年径流量的比例见图2。

图2 大通站多年平均月径流量占年径流量的比例

青草沙水域咸潮入侵发生在枯水季,其中当年11月至次年3月咸潮入侵最严重,因此重点分析11月至次年3月的来水情况。根据大通站长系列枯水季11月至次年月径流量资料,采用P-Ⅲ型曲线进行频率分析(图3)。1978年11月至1979年3月枯水期平均径流量为10 500 m3/s,是系列中最枯时段,来水保证率约为97.9%,选取1978—1979年枯水期作为典型特枯年份。

图3 大通站11月至次年3月平均流量频率曲线

2.2 沿江引排水分析

长江大通站以下沿江引水区域包括苏南片、苏北片、安徽片和江都抽水站4个区域。大通站以下各支流河道下泄径流量很小,不予考虑。净引江水量的大小取决于长江大通站以下沿江两岸(尤其苏北地区)降雨量的大小,最大年引水量和净引水量分别为193.92亿m3和185.27亿m3,出现在1978年;最小年引水量为42.98亿m3,出现在1987年,当年净排水51.87亿m3。多年平均引水量为95.43亿m3,净引水量为33.29亿m3,图4为1973—1987年长江大通站以下沿江的引排水和净引排水量统计情况。

图4 长江大通站以下沿江年引排水量统计(1973—1987年)

20世纪90年代以来,长江大通站以下又新建了不少引水工程,使得引江水量处于增长过程中。根据南汇嘴控制工程和没冒沙水库建设条件综述等相关研究成果[8],即使遭遇1978—1979年型的特枯年,沿江的年净引江量约为80年代的150%,即为277.91亿m3,年平均引江流量为881 m3/s。笔者根据沿江自来水原水引江量情况,设定未来一定时期自来水原水引江量为63 m3/s。

三峡水库建成后,枯水年(1978—1979年)10月和11月大通站流量分别减少32.4%和18.2%,大通站流量降至11 349 m3/s和13 332 m3/s,将对长江口咸潮入侵产生不利影响;1—3月大通站流量有所增加,对减轻长江口咸潮入侵有益处;12月和4月流量变化不大,对长江口咸潮入侵的影响可不予考虑。

南水北调东线工程在长江下游江都抽水站取水,按规划三期工程的取水量为800 m3/s。但东线工程调水后特别是枯水季调水将直接引起长江口入海水量变化。

3 取水保证率分析及预测

3.1 淡水百分比最小值

根据青草沙水域2002年12月—2005年10月实测资料分析,青草沙水域实测盐度与长江大通流量存在良好的相关关系。青草沙水域月平均盐度与大通站流量关系见图5。考虑到潮汐影响以及南支和南北港水域对上游径流的容蓄作用,在计算大通站月平均流量时,扣除当月最后10天的流量,加上前1个月最后10天的流量,然后求其平均值,作为修正后的月平均流量。

图5 青草沙水域月平均盐度与大通站流量关系

大通站月均流量大于3万m3/s时,青草沙水域月均盐度接近或等于0;当月均流量小于2万m3/s时,平均盐度增加较快。

2003年为平水年(大通站年平均流量29 397 m3/s),青草沙水域3—12月出现淡水几率为98.8%,洪水季5—10月达到100%;2004年为偏枯年(大通站年平均流量24 998 m3/s),青草沙水域全年淡水出现几率为81.6%,洪水季5—10月为99.2%。

青草沙水域月出现淡水的几率或者月出现淡水百分比,与大通月平均流量之间呈对数关系(图6)。基于安全考虑,笔者分析每月出现淡水的最小百分比。

图6 青草沙水域淡水百分比与大通站流量关系

青草沙水域每月出现淡水百分比的最小值公式为

Q大通<7 200 m3/s时

R最小=0

(1)

Q大通>7 200 m3/s时

R最小=0.720 1 ln(Q大通)-6.398 6

(2)

式中:Q大通为大通站流量;R最小为出现淡水的最小百分比。

根据实测资料,仅有4个月出现淡水的百分比等于最小值公式的推算值,根据最小值公式推算的月出现淡水百分比是安全的。

3.2 特枯年青草沙水域取水保证率预测

以1978—1979年为特枯典型年,特枯年淡水百分比计算条件为:南水北调东线工程的调水流量特枯年枯水季为400 m3/s,其他月份为800 m3/s;特枯年沿江净引水流量944 m3/s,三峡水库建成后大通站流量变化见表2。

表2 三峡水库建成后长江大通站流量变化(特枯年) %

根据式(1)和式(2)计算得到未来出现特枯年时青草沙水域取水口各月淡水百分比，见图7。

图7 未来特枯年青草沙水域取水保证率

计算结果表明,未来即使重现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,各月淡水出现几率分布在44.4%～100%之间。

4 结 论

a. 青草沙水域盐度与大通站流量有较好的定量关系。当大通站月平均流量大于3万m3/s时,取水口盐度一般低于250 mg/L,此时青草沙水库月取水保证率为100%;当大通站月平均流量小于7 200 m3/s时,取水口盐度一般高于250 mg/L,届时青草沙水库不宜取水。

b. 青草沙水域盐度月变化较为明显, 当年11月至次年4月的盐度含量相对较高,淡水出现几率相对较低;其他月份盐度含量相对较低,淡水出现几率相对较高,特别是在进入洪季5—10月时,月平均盐度含量等于或接近0,淡水出现几率接近1。

c. 未来特枯水情下，青草沙水域能够保证在洪季(5—10月)有充足的淡水资源可取。

[1] 上海勘测设计研究院,上海市水利工程设计研究院.青草沙水库及去输水泵闸工程初步设计说明书[R].上海:上海勘测设计研究院,上海市水利工程设计研究院，2007.

[2] 关许为,林顺财.青草沙水库堤线布置论证研究[C]//顾金山.上海长江口青草沙水源地原水工程论文集.上海:上海科学技术出版社,2011.

[3] 乐勤,关许为,刘小梅,等.青草沙水库取水口选址及取水方式研究[J].给水排水,2009(2):46-51.(LE Qin,GUAN Xuwei,LIU Xiaomei,et al.Study on the selection of raw water intake site and the mode of water intaking for Qingcaosha reservoir[J].Water & Wastewater Engineering，2009(2):46-51.(in Chinese))

[4] 关许为,顾伟浩.长江口咸潮入侵问题的探讨[J].人民长江,1991(10):46-50.(GUAN Xuwei,GU Weihao.Discussion on saltwater intrusion at Yantze River Estuary[J].Yangtze River,1991(10):46-50.(in Chinese))

[5] 顾玉亮,吴守培,乐勤.北支盐水入侵对长江口水源地影响研究[J].人民长江,2003(4):1-3.(GU Yuliang,WU Shoupei,LE Qin.Impact of saltwater intrusion on north branch on the water source site at Yangtze River Estuary[J].Yangtze River,2003(4):1-3.(in Chinese))

[6] 韩乃斌.长江口南支河段氯度变化分析[J].水利水运科学研究,1983(1):74-81.(HAN Naibin.Analysis of chlorinity variation in south branch at Yangtze River Estuary[J].Hydro-Science and Engineering,1983(1):74-81.(in Chinese))

[7] 朱建荣,吴辉,李路,等.极端干旱水文年(2006)中长江河口的盐水入侵[J].华东师范大学学报:自然科学版,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] 上海实业(集团)有限公司.南汇嘴控制工程和没冒沙水库建设条件综述[R].上海:上海实业(集团)有限公司,2005.