治江缩窄对咸水入侵的影响

治江缩窄对咸水入侵的影响

在排水和开采海水的条件下，河口水体的氯含量在时间上是可变的。河口地区城镇生活、工农业用水需要预测江水氯度值以便保证供水,水资源管理部门需在确保水质条件下节约用水。泥沙絮凝沉降也与氯度值有关。氯度分布反映了咸淡水的掺混程度。因此无论生产上或学术上都需要研究河口地区氯度的变化规律,并进行实时预报。根据Simmons.H.B对河口咸水入侵的分类,用山潮水比值K(年平均径流与口门平均涨潮量之比)来判断:当K<0.1为强混合型,K>0.7为弱混合型,在此之间为缓混合型。钱塘江河口K=0.02,属强混合型,即断面各点氯度的差异在30%以内。由于杭州市85%的供水取自钱塘江,每年大潮枯水期需进行江水含氯度的预报。实践证明影响江水含氯度的主要因素是径流和潮汐(江道条件已包含在潮汐因素中),但恰恰是这两个因素受到人类活动的干扰很大。新安江水库的兴建和利用增加了枯水径流,改善了供水条件,下游治江缩窄增大了主要取水口江段的潮差、潮量(图1)。本文用建库和治江缩窄前、后的实测氯度资料及数学模型相结合的方法,分别对单因素、联合因素对咸水入侵的时空变化作了研究。1发生时间的发生根据40多年实测资料的统计,咸水入侵影响取水口的时间主要发生在每年的7～12月(个别年份1月、2月也有)。因此分析建库前、后枯水径流的变化及治江缩窄前、后七堡(在取水口的下端)潮差变化是研究这一问题的基础。1.1建库前后两组的平均流量增长情况用1932-1960年的径流量代表新安江建库前的情况(中间个别年缺测),用1961-1998年径流量代表建库后情况,两组资料均有30年左右的系列,且有丰、平、枯代表年,建库后下半年50%以上频率的平均流量增加180m3/s。又统计了建库前、后各频率条件下连续30、60、120d的最小流量,其平均值分别增加了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,净增183m3/s。1.2潮差的变化为了治理钱塘江河口宽浅、游荡、不稳定的江道,采取缩窄,固定江道,增大山潮比值等措施。结果因潮波反射加剧,高潮位普遍抬高,低潮位有升有降,七堡站总的效果是增大了潮差,统计治江缩窄前、后(1975年为界,大潮、枯水的8～11月)而江道走向顺直的典型年,得到缩窄前、后的潮差增加幅度为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氯度观测结果1955-1958年在闻家堰、闸口、七堡有系统氯度观测资料,1972年至今,又增设仓前、盐官、澉浦三站逐日观测最大值、最小值,为建库前后及治江缩窄前后提供了较完整的对比资料。2.1年后的代表时期以1960年、1975年为3个时期的分年,即1953-1960年为建库前,1961-1975年为建库后、缩窄前(因1972年后才有观测资料),而1976-1998年为治江缩窄后的代表时期(分别用①、②、③表示)。表1是3个代表期年最大、月平均最大、多年平均盐度值(盐度=1.81氯度)的对比。由表1可知,瞬时最大值、月平均最大值和多年平均值建库后(即②)都有明显的降低,仓前以下降幅减小。而治江围涂后,闸口、七堡值有所回升,盐官以下是降低,但都比建库前有明显减少。2.2标准曲线的测定统计时,按日最小值大于标准值(氯度>0.25‰)为全超标天数,日最大值超标而最小值小于标准值为半天超标,又统计了3个时期(分别用①、②、③表示)的天数如表2所示。由表2可知:建库后无论多年平均、多年最大及最小的超标天数均明显下降,但治江缩窄以后比建库后有所回升,但仍比建库前有明显减小,减少百分比多年平均达84%～96%,最大值为12%～49%。2.3建库后径流的变化为了反映一个潮汛过程(15d)在建库前、后及治江缩窄后等3种工况条件下的主要站位(闸口及七堡)氯度的逐日变化,在众多的实测资料中挑选了满足以下原则的实测资料。建库前:取1956年11月1～8日,其主要特点是径流小。仅120m3/s,潮差较大(七堡最大2.02m),闸口含氯度超标天数较多。建库后:取1974年10月12～19日,特点是径流量增加到350m3/s,七堡潮差也较大,为1.63m。建库后且治江缩窄后:取1994年11月2～9日,径流也为330m3/s,而七堡潮差取2.63m(潮差增加0.6m)代表治江围涂后江道顺直的现状。以上3种工况结果见表3。由表3可知:(1)建库前径流较小,故在一个潮汛(约半月)中,最大、最小氯度值都大,闸口全天超标3d,而建库后径流增加了230m3/s,闸口最大、最小氯度值明显减小,全天超标由3d减为0d,半天超标天数也由6d减小为3d,取水条件明显改善。(2)治江缩窄以后,潮差增大0.64m,而径流基本接近。闸口最大氯度值由0.55‰增大为2.04‰,半天超标天数由3d增大为7d,但最小值增加有限,全天超标天数未增加,体现了径流增加的重要作用。(3)3种工况七堡氯度最大值、最小值相差不大,但闸口的最大值差别较大,最小值工况1与工况2、3相差较大,工况2、3相差不大,这说明径流对闸口最大值作用小,对最小值比较敏感。3数学模型的固定和数学模型的固定的比较实测的结果包括了多种因素的影响,要对它们进行准确定量的比较是比较困难的,而数学模型可以固定某边界条件进行比较准确的对比计算,便于分离出各个单独因子的影响。3.1潮落潮人工共作两种由于钱塘江河口属强混合型,咸水在全断面上掺混均匀(差别在30%内),可以用一维数学模型来描述,其工作方程为∂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分别为断面水位、流量、面积及氯度值;ρ、E为咸水密度和弥散系数,由于涌潮的存在,钱塘江河口涨落潮的弥散系数比国外经验公式大101～102倍,用量纲分析可得:E={[1-exp(-u2gΗ⋅ˉWfQ0Τ)]SiS+10}uΗ(5)E={[1−exp(−u2gH⋅W¯¯¯¯fQ0T)]SiS+10}uH(5)式中u2gΗ为福氏数;ˉWfQ0Τ为潮山水比值;两者的乘积称河口数。用四点隐式差分、特征线迎风差分均可求解上述方程组,模型曾对1978、1983、1991、1994、1995年多次中大潮进行过15d、30d的验证,图2即为南星桥站(杭州市取水口之一)某一次的验算,表4为3个取水口的验证结果,由图2及表4可知模型基本可信(氯度单位1‰=1000mg/L)。3.2种类计算的结果用1994年9月21日至10月5日代表建库、治江后(工况3),减小七堡站0.7m潮差代表治江围涂前(工况2),以及减少0.7m潮差及减少200m3/s为建库前(工况1)分别对几个主要取水口进行,其计算的结果如表5及图3所示。由表5可知:(1)工况1中,闸口、珊瑚沙及闻家堰的最大连续超标天数分别达11、10、9d,而工况2分别为0.6、0.5、0d,有了根本的改善;工况3上升为6、1.2、0.6d,对闸口明显恶化,而对珊瑚沙和闻家堰的恶化有限。(2)建库前半天超标天数三站分别为14、13、11d,建库后缩窄前为9、8、0.3d(对闻家堰有明显改善),而建库后、缩窄后为11、10、9d都无明显改善。最小值闻家堰、珊瑚沙较小,因此可以抢时间抽水,仍然有利,这与统计法的结果一致。3.3独立运行的计算以1957年(水文年)代表建库前工况,建库后按平均枯水流量增加200m3/s,治江后按潮差增加0.7～0.8m进行了半年计算(具体数据略),其结论是:(1)建库及治江缩窄后各取水口受咸潮影响天数减少60%～80%,愈往上游改善愈大。(2)数值模型可分离出单独建水库及治江缩窄对咸水入侵的定量影响。单建水库的作用很大,保证率95%时也可减少64%～86%;单独治江缩窄超标天数将有所增加:珊瑚沙增加19%,闸口增加50%,南星桥增加67%。愈下游,潮差愈大,超标天数增加愈大,是合理的。4潮传统模型的应用(1)钱塘江河口上游兴建的大型水库及下游的缩窄,较大地改变了游荡性强潮河口的平面摆动及河床冲淤幅度,使河口向稳定方面发展,同时也对河口咸水入侵产生了很大的影响。水库增加了枯水径流,使咸水入侵向口门后退了20km左右,较大地降低了沿程(主要是取水口)的最小氯度值,减少了连续全天超标天数;治江缩窄后,由于增加了沿程高水位及潮差,增大了咸水入侵程度,两者效果相反。经实测资料分析,各自的单独影响表明,前者作用大于后者,这一结论已为实测资料所证实。(2)钱塘江河口为强混合型河口,一维数学模型可以很好地复演沿程各站逐日的最大、最小氯度值及超标时间。用此模型计算了枯水流量增加200