刘同成

（广东省水利电力勘测设计研究院有限公司,广东 广州 510635）

粤东地区韩江、榕江、练江水资源分配不均,开发不平衡,特别是练江流域水资源紧缺,生态流量严重透支,入河污染负荷远超河流自净能力,全流域呈现重污染态势,水质整体劣于V 类,已经严重影响群众生活质量和经济社会持续健康发展。

由于练江流域的水环境问题,建设榕江关埠引水工程,其主要任务是针对练江、榕江水生态环境现状,在优先实施控源截污工程和保护好榕江水资源水环境安全的前提下,实现榕江～练江水系连通,改善练江流域水环境污染、水生态破坏等问题,为修复和改善潮汕平原水生态环境提供有力支撑。

项目的取水可靠性直接涉及到项目投入运行后的稳定产出效率,在提高项目经济效益方面发挥着至关重要的作用[1]。刘树峰针对咸潮河段展开研究,通过实测水质资料计算验证了取水口的取水可靠性[2]。本文拟通过取水口设计河段标准,采取MIKE21 模型,结合咸潮监测标定物从水量衔接、水质可靠、河床稳定性及咸潮影响方面提出关埠引水工程取水口设置方案,规避取水风险,推荐取水口最优方案。

1 研究区概况

榕江干流全长175 km,河床平均坡降0.49‰,流域面积4408 km2,多年平均径流量61.4 亿m3。榕江关埠补水工程取水水源为榕江,设计取水流量20 m3/s,取水口拟定于榕江关埠段附近,采用埋管输水+隧洞,交水至练江上游流沙新河汇合口处河段。工程输水线路布置见图1。

图1 关埠引水工程总体布置

2 模型建立及方案设置

2.1 控制方程

MIKE21 水动力模型的控制方程为基于Boussinesq 假定和流体静压假定的二维不可压雷诺平均N-S 方程,即浅水方程。控制方程组采用平面二维非恒定流方程组,见式（1）～式（3）。

式中：x、y 和t 分别为空间、时间坐标；h 为水深；U、V 分别为x、y 方向流速；z 为水位；g 为重力加速；u、v 分别为垂线平均流速在x、y 方向的分量；c 为谢才系数；vt为紊动粘性系数；n 为曼宁糙率系数。

2.2 方案设置

本工程取水口可选择的范围主要有三个河段,北河河段、南河河段及榕江干流河段,三个河段分布见图2。

图2 取水口所在河段分布

2.2.1 方案1

取水口位于南河河段,距离南北河交汇口上游约4.9 km处,引水管线自北向南从取水口引出,以尽量避开现状房屋为原则布置,沿线穿过沟头村、大联村等村落后进入南侧的加压泵站前池,来流经泵站加压至位于山腰的高位水池,输水隧洞自高位水池引出,沿山脊自东向西延伸至马湖村附近山脉后折向西南,从北山村山脚的北坑水库附近进入出水池,经过出水池分水至两条输水明渠,最终汇入练江。其中,引水管道长约2.83 km,输水隧洞全长约27.86 km。经水力计算,加压泵站扬程为42 m,装机容量10800 kW。

2.2.2 方案2

取水口位于榕江干流河段,距离南北河交汇口下游约1.1 km 处,引水管线从取水口沿西南向引出,以尽量避开现状房屋为原则布置,沿线穿过下港村、埔上村、东湖村、竹桥村等村落后进入南侧的加压泵站前池,来流经泵站加压至位于山腰的高位水池,输水隧洞自高位水池引出,沿山脊自东向西延伸约5.6 km 后与方案1 输水线路布置相同。其中引水管道长约7.23 km,输水隧洞全长约29.59 km。经水力计算,加压泵站扬程为45 m,装机容量11540 kW。

2.2.3 方案3

取水口位于南河河段距离南北河交汇口上游约3.8 km处,距离京浦码头下游约170 m,引水盾构管道从取水口引出自北向南输水,引水线路基本沿现有道路底部布置,沿线穿过新荣村、灶市村、东仓村、波头村等村落后自流进入南侧山脚的加压泵站前池,然后通过加压泵站加压至位于南侧山坡上的高位水池,输水隧洞从高位水池引出,沿山脊自东向西延伸至马湖村附近山脉后折向西南,从普宁市北山村山脚的北坑水库附近进入出水池,之后经出水池溢流堰分水至北山村输水明渠和北山东输水渠,最终汇入练江。其中,引水管道长约3.85 km,输水隧洞全长约27.71 km。经水力计算,加压泵站扬程为42 m,装机容量10800 kW。

2.3 设置方案分析

（1）取水条件比较

由于取水口区域均为赶潮河段,取水口均垂直岸线布置,进水条件相当；从水下河床地形分布来看,取水口1 部位为常年冲刷段,河床基本稳定,方案2 取水口部位分布有小范围滩地,有轻微淤积现象,方案3 位于河道相对顺直部位,河床基本稳定。因此取水条件来看方案1 略优。

（2）可取水量比较

榕江下游段由于河口并未设闸,受外海潮汐顶托闸下河段呈往复流,水位变化较大,大量余水直接排入外海,并未得到充分利用。由于此处受外海潮位的顶托作用,犹如形成天然湖库,通过MIKE21 建立水动力模型,分析两处位置可取水量的情况。

模型范围为榕江南河三洲闸至牛田洋出海口长度约为70 km。榕江共设置180 个断面,间距约为500 m～1000 m。

边界条件：上边界为流量,下边界为潮位。上边界位于榕江南河三洲闸,下边界位于榕江河口。榕江北河在南北河交汇点以点源方式汇入。榕江南河及北河流量分别是扣除上游近远期用水后的下泄水量,榕江河口采用妈屿站逐日潮位系列。

建立牛田洋-榕江三洲闸的一维水动力模型,以上游榕江南北河的下泄余水、韩江鹿湖隧洞引水工程引水量和妈屿站的潮汐变化作为模型边界条件,以此计算在潮动力作用下工程的可取水量。

以设计取水规模为20 m3/s 的前提下进行可引水量对比分析,模型长系列计算结果见表1。结果表明,由于下游潮汐的顶托作用,三个取水口处的可引水量基本保持一致。

表1 不同取水口工程平均可取水量成果表

（3）取水口处流场影响

选取平水时段作工程后取水口处二维涨落潮流场图。方案1 取水口处流场：方案1 取水口处河道地形见图3,涨落潮流场图见图4 和图5。从流场图可以看出,工程取水对河道主流流向基本没有影响,流向基本平行于河道中心线,取水口处取水不影响通航安全。

图3 方案1 取水口处河道地形图

图4 方案1 取水口处落急流场图

图5 方案1 取水口处涨急流场图

方案2 取水口处流场：方案2 取水口处河道地形见图6,涨落潮流场图见图7 和图8。从流场图可以看出,工程取水对河道主流流向基本没有影响,流向基本平行于河道中心线,取水口处取水不影响通航安全。

图6 方案2 取水口处河道地形图

图7 方案2 取水口处落急流场图

图8 方案2 取水口处涨急流场图

方案3 取水口处流场：方案3 取水口处河道地形见图9,涨落潮流场图见图10 和图11。从流场图可以看出,工程取水对河道主流流向基本没有影响,流向基本平行于河道中心线,取水口处取水不影响通航安全。

图9 方案3 取水口处河道地形图

图10 方案3 取水口处落急流场图

图11 方案3 取水口处涨急流场图

（4）咸潮因素影响

为了解榕江下游的咸潮上溯情况,选择平水期大潮期开展榕江盐度监测,监测点位见图12。监测方法为定点布设YSI6600 和YSI6920 自动水质仪器,监测项目包括水温、电导率、盐度（Salinity,psu),监测频率为1 h/次。研究采用式（4）将所测盐度转换为氯化物浓度进行分析：

图12 榕江流域监测点位分布图

各断面氯化物浓度变化特征见表2。由表可知关埠引水工程取水点位于榕江南河下游,监测期间氯化物浓度变化范围为66.4 mg/L～188.2 mg/L,呈现与潮汐涨落相同的变化规律,即涨潮时受咸潮顶托作用氯化物浓度略有上升、落潮时受上游冲淡水影响氯化物浓度迅速下降；监测期间均达到农田灌溉水质标准（氯化物≤250 mg/L）,表明咸潮基本不会影响到关埠引水点；监测期间位于上游的东湖、潮水溪引水点、龙石等断面的氯化物浓度基本不变,可认为均为淡水；地都断面距离榕江出海口约35 km,监测期间氯化物浓度变化范围为215.9 mg/L～4494.8 mg/L,均超过农田灌溉水质标准（氯化物≤250 mg/L）,表明咸潮对地都断面影响明显。取水点越往上游受咸潮的影响越小,因此,方案1 取水点受咸潮影响较小,有利于引水。

表2 榕江下游氯化物浓度变化特征

3 结论

本研究建立了榕江南河三洲闸至牛田洋出海口MIKE21模型,模拟了设计取水规模为20 m3/s 下的可引水量及取水口流场分布,同时将监测盐度转换为氯化物浓度进行咸潮影响分析。分析结果能够为工程合理设计,部门决策提供依据。得出如下主要结论：

（1）几个方案取水条件相当,但方案1 和方案3 具有水质相对较好、不受咸潮影响、输水线路较短、泵站装机容量小、工程地质条件较好、征地条件、施工条件较好以及工程投资省的优点。

（2）方案1 虽然投资较小,但引水盾构管道和地方规划有所冲突。方案3 虽然投资较方案1 略有增加,但线路外部征地条件简单,更容易实施,因此推荐方案3。