治江縮窄對咸水入侵的影響

治江縮窄對咸水入侵的影響

在排水和開采海水的條件下，河口水體的氯含量在時(shí)間上是可變的。河口地區(qū)城鎮(zhèn)生活、工農(nóng)業(yè)用水需要預(yù)測江水氯度值以便保證供水,水資源管理部門需在確保水質(zhì)條件下節(jié)約用水。泥沙絮凝沉降也與氯度值有關(guān)。氯度分布反映了咸淡水的摻混程度。因此無論生產(chǎn)上或?qū)W術(shù)上都需要研究河口地區(qū)氯度的變化規(guī)律,并進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。根據(jù)Simmons.H.B對河口咸水入侵的分類,用山潮水比值K(年平均徑流與口門平均漲潮量之比)來判斷:當(dāng)K<0.1為強(qiáng)混合型,K>0.7為弱混合型,在此之間為緩混合型。錢塘江河口K=0.02,屬強(qiáng)混合型,即斷面各點(diǎn)氯度的差異在30%以內(nèi)。由于杭州市85%的供水取自錢塘江,每年大潮枯水期需進(jìn)行江水含氯度的預(yù)報(bào)。實(shí)踐證明影響江水含氯度的主要因素是徑流和潮汐(江道條件已包含在潮汐因素中),但恰恰是這兩個(gè)因素受到人類活動(dòng)的干擾很大。新安江水庫的興建和利用增加了枯水徑流,改善了供水條件,下游治江縮窄增大了主要取水口江段的潮差、潮量(圖1)。本文用建庫和治江縮窄前、后的實(shí)測氯度資料及數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法,分別對單因素、聯(lián)合因素對咸水入侵的時(shí)空變化作了研究。1發(fā)生時(shí)間的發(fā)生根據(jù)40多年實(shí)測資料的統(tǒng)計(jì),咸水入侵影響取水口的時(shí)間主要發(fā)生在每年的7～12月(個(gè)別年份1月、2月也有)。因此分析建庫前、后枯水徑流的變化及治江縮窄前、后七堡(在取水口的下端)潮差變化是研究這一問題的基礎(chǔ)。1.1建庫前后兩組的平均流量增長情況用1932-1960年的徑流量代表新安江建庫前的情況(中間個(gè)別年缺測),用1961-1998年徑流量代表建庫后情況,兩組資料均有30年左右的系列,且有豐、平、枯代表年,建庫后下半年50%以上頻率的平均流量增加180m3/s。又統(tǒng)計(jì)了建庫前、后各頻率條件下連續(xù)30、60、120d的最小流量,其平均值分別增加了180～202m3/s。其中30d的平均枯水流量由58m3/s增加到241m3/s,增加了3倍,凈增183m3/s。1.2潮差的變化為了治理錢塘江河口寬淺、游蕩、不穩(wěn)定的江道,采取縮窄,固定江道,增大山潮比值等措施。結(jié)果因潮波反射加劇,高潮位普遍抬高,低潮位有升有降,七堡站總的效果是增大了潮差,統(tǒng)計(jì)治江縮窄前、后(1975年為界,大潮、枯水的8～11月)而江道走向順直的典型年,得到縮窄前、后的潮差增加幅度為0.4～0.7m,占原潮差2～3m的16%～25%,平均增加0.5m,占原潮差20%。2氯度觀測結(jié)果1955-1958年在聞家堰、閘口、七堡有系統(tǒng)氯度觀測資料,1972年至今,又增設(shè)倉前、鹽官、澉浦三站逐日觀測最大值、最小值,為建庫前后及治江縮窄前后提供了較完整的對比資料。2.1年后的代表時(shí)期以1960年、1975年為3個(gè)時(shí)期的分年,即1953-1960年為建庫前,1961-1975年為建庫后、縮窄前(因1972年后才有觀測資料),而1976-1998年為治江縮窄后的代表時(shí)期(分別用①、②、③表示)。表1是3個(gè)代表期年最大、月平均最大、多年平均鹽度值(鹽度=1.81氯度)的對比。由表1可知,瞬時(shí)最大值、月平均最大值和多年平均值建庫后(即②)都有明顯的降低,倉前以下降幅減小。而治江圍涂后,閘口、七堡值有所回升,鹽官以下是降低,但都比建庫前有明顯減少。2.2標(biāo)準(zhǔn)曲線的測定統(tǒng)計(jì)時(shí),按日最小值大于標(biāo)準(zhǔn)值(氯度>0.25‰)為全超標(biāo)天數(shù),日最大值超標(biāo)而最小值小于標(biāo)準(zhǔn)值為半天超標(biāo),又統(tǒng)計(jì)了3個(gè)時(shí)期(分別用①、②、③表示)的天數(shù)如表2所示。由表2可知:建庫后無論多年平均、多年最大及最小的超標(biāo)天數(shù)均明顯下降,但治江縮窄以后比建庫后有所回升,但仍比建庫前有明顯減小,減少百分比多年平均達(dá)84%～96%,最大值為12%～49%。2.3建庫后徑流的變化為了反映一個(gè)潮汛過程(15d)在建庫前、后及治江縮窄后等3種工況條件下的主要站位(閘口及七堡)氯度的逐日變化,在眾多的實(shí)測資料中挑選了滿足以下原則的實(shí)測資料。建庫前:取1956年11月1～8日,其主要特點(diǎn)是徑流小。僅120m3/s,潮差較大(七堡最大2.02m),閘口含氯度超標(biāo)天數(shù)較多。建庫后:取1974年10月12～19日,特點(diǎn)是徑流量增加到350m3/s,七堡潮差也較大,為1.63m。建庫后且治江縮窄后:取1994年11月2～9日,徑流也為330m3/s,而七堡潮差取2.63m(潮差增加0.6m)代表治江圍涂后江道順直的現(xiàn)狀。以上3種工況結(jié)果見表3。由表3可知:(1)建庫前徑流較小,故在一個(gè)潮汛(約半月)中,最大、最小氯度值都大,閘口全天超標(biāo)3d,而建庫后徑流增加了230m3/s,閘口最大、最小氯度值明顯減小,全天超標(biāo)由3d減為0d,半天超標(biāo)天數(shù)也由6d減小為3d,取水條件明顯改善。(2)治江縮窄以后,潮差增大0.64m,而徑流基本接近。閘口最大氯度值由0.55‰增大為2.04‰,半天超標(biāo)天數(shù)由3d增大為7d,但最小值增加有限,全天超標(biāo)天數(shù)未增加,體現(xiàn)了徑流增加的重要作用。(3)3種工況七堡氯度最大值、最小值相差不大,但閘口的最大值差別較大,最小值工況1與工況2、3相差較大,工況2、3相差不大,這說明徑流對閘口最大值作用小,對最小值比較敏感。3數(shù)學(xué)模型的固定和數(shù)學(xué)模型的固定的比較實(shí)測的結(jié)果包括了多種因素的影響,要對它們進(jìn)行準(zhǔn)確定量的比較是比較困難的,而數(shù)學(xué)模型可以固定某邊界條件進(jìn)行比較準(zhǔn)確的對比計(jì)算,便于分離出各個(gè)單獨(dú)因子的影響。3.1潮落潮人工共作兩種由于錢塘江河口屬強(qiáng)混合型,咸水在全斷面上摻混均勻(差別在30%內(nèi)),可以用一維數(shù)學(xué)模型來描述,其工作方程為?Ζ?t+1B?Q?x=0(1)?Q?t+2u?Q?x+Ag?Ζ?x=u2?A?x-Q|Q|c2AΗ-AgΗ2ρ?ρ?x(2)?s?t+u?s?x=1A??x(AE?s?x)(3)ρ=1.35S+1000(4)?Z?t+1B?Q?x=0(1)?Q?t+2u?Q?x+Ag?Z?x=u2?A?x?Q|Q|c2AH?AgH2ρ?ρ?x(2)?s?t+u?s?x=1A??x(AE?s?x)(3)ρ=1.35S+1000(4)式中Z、Q、A、S分別為斷面水位、流量、面積及氯度值;ρ、E為咸水密度和彌散系數(shù),由于涌潮的存在,錢塘江河口漲落潮的彌散系數(shù)比國外經(jīng)驗(yàn)公式大101～102倍,用量綱分析可得:E={[1-exp(-u2gΗ?ˉWfQ0Τ)]SiS+10}uΗ(5)E={[1?exp(?u2gH?WˉˉˉˉfQ0T)]SiS+10}uH(5)式中u2gΗ為福氏數(shù);ˉWfQ0Τ為潮山水比值;兩者的乘積稱河口數(shù)。用四點(diǎn)隱式差分、特征線迎風(fēng)差分均可求解上述方程組,模型曾對1978、1983、1991、1994、1995年多次中大潮進(jìn)行過15d、30d的驗(yàn)證,圖2即為南星橋站(杭州市取水口之一)某一次的驗(yàn)算,表4為3個(gè)取水口的驗(yàn)證結(jié)果,由圖2及表4可知模型基本可信(氯度單位1‰=1000mg/L)。3.2種類計(jì)算的結(jié)果用1994年9月21日至10月5日代表建庫、治江后(工況3),減小七堡站0.7m潮差代表治江圍涂前(工況2),以及減少0.7m潮差及減少200m3/s為建庫前(工況1)分別對幾個(gè)主要取水口進(jìn)行,其計(jì)算的結(jié)果如表5及圖3所示。由表5可知:(1)工況1中,閘口、珊瑚沙及聞家堰的最大連續(xù)超標(biāo)天數(shù)分別達(dá)11、10、9d,而工況2分別為0.6、0.5、0d,有了根本的改善;工況3上升為6、1.2、0.6d,對閘口明顯惡化,而對珊瑚沙和聞家堰的惡化有限。(2)建庫前半天超標(biāo)天數(shù)三站分別為14、13、11d,建庫后縮窄前為9、8、0.3d(對聞家堰有明顯改善),而建庫后、縮窄后為11、10、9d都無明顯改善。最小值聞家堰、珊瑚沙較小,因此可以搶時(shí)間抽水,仍然有利,這與統(tǒng)計(jì)法的結(jié)果一致。3.3獨(dú)立運(yùn)行的計(jì)算以1957年(水文年)代表建庫前工況,建庫后按平均枯水流量增加200m3/s,治江后按潮差增加0.7～0.8m進(jìn)行了半年計(jì)算(具體數(shù)據(jù)略),其結(jié)論是:(1)建庫及治江縮窄后各取水口受咸潮影響天數(shù)減少60%～80%,愈往上游改善愈大。(2)數(shù)值模型可分離出單獨(dú)建水庫及治江縮窄對咸水入侵的定量影響。單建水庫的作用很大,保證率95%時(shí)也可減少64%～86%;單獨(dú)治江縮窄超標(biāo)天數(shù)將有所增加:珊瑚沙增加19%,閘口增加50%,南星橋增加67%。愈下游,潮差愈大,超標(biāo)天數(shù)增加愈大,是合理的。4潮傳統(tǒng)模型的應(yīng)用(1)錢塘江河口上游興建的大型水庫及下游的縮窄,較大地改變了游蕩性強(qiáng)潮河口的平面擺動(dòng)及河床沖淤幅度,使河口向穩(wěn)定方面發(fā)展,同時(shí)也對河口咸水入侵產(chǎn)生了很大的影響。水庫增加了枯水徑流,使咸水入侵向口門后退了20km左右,較大地降低了沿程(主要是取水口)的最小氯度值,減少了連續(xù)全天超標(biāo)天數(shù);治江縮窄后,由于增加了沿程高水位及潮差,增大了咸水入侵程度,兩者效果相反。經(jīng)實(shí)測資料分析,各自的單獨(dú)影響表明,前者作用大于后者,這一結(jié)論已為實(shí)測資料所證實(shí)。(2)錢塘江河口為強(qiáng)混合型河口,一維數(shù)學(xué)模型可以很好地復(fù)演沿程各站逐日的最大、最小氯度值及超標(biāo)時(shí)間。用此模型計(jì)算了枯水流量增加200