杭州下沙金沙湖从钱塘江四格取水的保证率研究

王卫标，尤爱菊，徐海波，韩曾萃(.浙江省水利发展规划研究中心，杭州 300；.浙江省水利河口研究院，杭州 3000)

杭州下沙金沙湖(人工开挖)位于杭州经济技术开发区新区核心，湖区面积45万m2，周边建设用地40万m2，规划打造成国际标准的优质都市中心湖区。整个经济开发区新区依傍金沙湖而建，湖区水质是保障开发区品质的关键。

城市湖泊受人类活动干预强，既有城市面源污染，又有内源底泥释放，同时存在市政管网错接及污水管网渗漏等问题，水体遭受污染与富营养化的风险较高[1-3]。为保障金沙湖水质，规划通过钱塘江已建的四格排灌站(见图1)，取钱塘江水经预处理后进行湖泊环境补水。

受径流、潮汐影响，钱塘江四格河段水位、泥沙和含氯度变化均较复杂，局部时段无法达到取水要求。因此，为明确可引水时间与供水保障程度，需对水位、含氯度与含沙量随潮变化的特点进行长历时分析，进而为预处理厂供水规模及湖区水力调度方案确定提供依据。

1 保证率分析方法

四格排灌站是杭州下沙地区内河排水、配水的运行口门，装有6台1400ZLB6.3-4.0型轴流泵，其中2台灌排两用，4台用来排涝，每台装机能力为6 m3/s。从图2可见，四格排灌站引水自聚首河头部，因此只有在钱塘江水位高于下游闸闸底高程时，方能引水；而在大潮期的高潮位附近，因含氯度和含沙量较高，需要停止引水。因此，取水保证率既受水位影响，又受含氯度和含沙量等水质条件影响。因高含氯度、高含沙量出现在涨潮高平潮前后的相同时段内，因此从钱塘江河口引水的水位、含氯度和含沙量综合保证率计算见式(1)。

图1 金沙湖及钱塘江区位关系图Fig.1 Location relationship of the Jinsha Lake and Qiantang Estuary

图2 四格排灌站及取水河道布局图Fig.2 Layout of Sige pumping station and water channel

GR=1-{(1-GRWL)+ max[1-GRSL,1-GRSM]}

(1)

式中：GR为引水综合保证率；GRWL为水位保证率；GRSL为含氯度保证率；GRSM为含沙量保证率。

钱塘江河口受上游新安江建库和下游围垦等人类活动影响[4,5]较大，由此带来的一些水环境变化是不可逆的，因此在进行各项指标的保证率分析时，均采用钱塘江河口尖山河段北岸治江缩窄后的1997-2008资料，这12年中包括了丰水、枯水期，具有一定的代表性。

2 水位保证率分析

四格排灌站进水池设计最低进水水位为2.87 m(85国家黄海高程，下同)，但因淤积等原因，钱塘江实际水位低于3.12 m时已不能有效配水。因此，四格能否引水受钱塘江外江水位制约，需要统计分析长历时条件下外江不能有效进水的时间。

(1)资料情况。距离四格排灌站3.6 km的七堡水文站有近50年的资料系列，逐日观测高潮位、低潮位、涨潮历时、落潮历时等各种潮水特征。下沙江堤河道监管中心曾于2003年10月25日-11月16日、2004年3-10月在四格排灌站外江、七堡开展了潮水位的同步观测，取得数据216个，可用于两站的相关分析。期间，七堡站最高潮位6.44 m，最低潮位3.40 m，最大潮差2.08 m。

(2)关系推求。根据观测的同步资料，建立了四格与七堡潮位的相关关系。七堡～四格高潮位的相关关系见式(2)，低潮位的相关关系见式(3)；相关系数均在0.95以上。

Z高=-0.073 9z21+1.863 6z1-2.256 1

(2)

式中：Z高为四格排灌站处高潮位，m；z1为七堡高潮位，m。

Z低=-0.279 6z22+4.041 2z2-8.101 6

(3)

式中：Z低为四格排灌站处低潮位，m；z2为七堡低潮位，m。

钱塘江各级水位的运行时间与潮水的强度和低潮位有密切关系。一般来说，低潮位高时，较高的水位级运行历时长，低潮位低时，较低的水位级运行历时长。分析四格排灌站各月平均低潮位与各级水位运行历时，具有较好的相关关系(相关系数达0.94)，见式(4)。

y=-0.162x2+2.070 1x-5.498 7

(4)

式中：y为高于3.12 m的月时间保证率；x为月平均低潮位。

(3)水位保证率。根据式(2)、(3)，由1997-2008年的七堡高低潮位推求了四格排灌站进口处的长系列高低潮位；再由推求的逐潮低潮位计算月平均低潮位，最后由关系式(4)可推求各级水位的保障程度，其中水位>3.12 m的历年逐月保证率见表1。

表1 四格站历年外江3.12 m以上水位保证率 %Tab.1 Water level guarantee rate above 3.12 m of Sige pumping station over the years

由表1，四格站外江水位月保证率低于80%的年份主要发生在1998、1999年；2000年以后水位保证率均在80%以上，且于2004年以后水位月保证率接近100%；多年平均保证率为93%。

以上分析说明，杭州湾尖山围垦后江道趋于微弯，潮波反射加剧，沿程水位抬高[6]，为四格排灌站进水保证率提高创造了有利条件，特别是从2004年后的连续枯水年组看，水位基本不成为四格站配水的制约因素。

3 含氯度保证率分析

钱塘江受潮汐影响，含氯度很低的江水与含氯度5×10-3～18×10-3的海水混合、扩散，导致河流随涨潮含氯度升高。当含氯度超过某个标准如大于0.25×10-3时，则需停止向钱塘江取水。

(1)资料情况。钱塘江杭州段含氯度监测站点主要有仓前、七堡、闸口等站，每日观察最大、最小含氯度，已积累30～50 a不等的资料系列。下沙江堤河道监管中心于2003年10-11月和2004年3-11月在四格、七堡进行了含氯度的同步监测，可用于建立四格站与七堡站含氯度的相关关系，进而推算长系列的四格站含氯度。

(2)关系推求。依据四格与七堡站含氯度关系，移用七堡站多年月平均最大含氯度与相应含氯度保证率关系，推算出四格相应的含氯度历时和保证率。

①四格与七堡含氯度关系。根据2003年10-11月与2004年3-11月两个时段的四格排灌站与七堡站同步含氯度观测资料，两站氯度相关系数为0.96，见图3。采用七堡站的含氯度长系列资料对四格排灌站处的含氯度进行插补延长。

图3 七堡与四格含氯度关系图Fig.3 Relationship of chlorinity of Qibao hydrologic station and Sige pumping station

②七堡月平均最大含氯度-历时关系。挑选含氯度较大的年份资料，如1994、1999、2003年，统计月平均最大含氯度与含氯度小于0.25×10-3的历时保证率，关系线见图4。

图4 月平均最大含氯度-含氯度小于0.25×10-3保证率Fig.4 Relationship of the monthly average maximum chlorinity and the guaranteed rate of less than 0.25×10-3 of chlorinity

(3)含氯度保证率。由上述两组关系，推求四格1997-2008年的逐月含氯度保证率，见表2。从表2可以看出，较低保证率主要出现在特枯水文年2003、2004年的8-11月份，多年平均含氯度<0.25×10-3的保证率为84%。

表2 四格含氯度小于0.25×10-3保证率 %Tab.2 Guaranteed rate of less than 0.25‰ of chlorinity of Sige pumping station

4 含沙量保证率分析

钱塘江泥沙受潮汐影响，呈周期性变化。涨潮时，河床受潮水冲刷及下游带来的泥沙影响，河水含沙量急剧上升；涨潮过后，水势平稳后，泥沙慢慢沉淀，含沙量下降。含沙量过程与水位涨落过程基本同步，在涌潮到达后0.5 h达到过程最大，涌潮过后4.5 h左右出现过程低值[7]。

下沙江堤河道监管中心在钱塘江四格排灌站于2003年10-11月和2004年3-11月期间进行了逐时泥沙取样，共获得数据605个，为本次分析提供了基础。测验期间，含沙量变化在0.03～14.559 kg/m3之间，较好代表了该站点的含沙量变幅。按大、中、小潮汛(各15 d)分别统计相应含沙量～历时关系，概化得到不同潮汛的含沙量～超标时间、含沙量～超标率关系，分别见表3和图5。

表3 实测大、中、小潮汛含沙量历时关系Tab.3 The measured relationship between sediment concentration and duration of large, medium and small spring tides

图5 概化的大中小潮平均含沙量～超标率关系图Fig.5 Relationship between average sediment concentration and exceed the standard rate of the generalized large, medium and small spring tides

钱塘江河口无长系列的含沙量观测资料，因此亦无法进行长历时的含沙量保证率分析，为此进一步建立了四格潮差～最大含沙量的关系，推求了1997-2008年逐潮的最大含沙量；再由图5推求最大含沙量对应的逐级含沙量超标率。根据水预处理工艺的要求，钱塘江原水含沙量不得超0.2 kg/m3，推求得到各年、各月的含沙量保证率见表4。

由表4可知，由于钱塘江河口围垦治理的推进，四格附近进潮量减弱，近年(2004-2008)含沙量也比1997-2002年明显减少，取水保证率明显提高，多年平均含沙量保证率为79%。

5 综合保证率

由上分析，最后的综合引水保证率按最低水位>3.12 m、含氯度<250 mg/L、含沙量<0.2 kg/m3的严格条件进行控制，得到多年平均可引水保证率为：

GR=1-{(1-GRWL)+max[1-GRSL,1-GRSM]}=

1-{(1-93%)+max[1-84%,1-79%]}=

1-[7%+21%]=72%

表4 四格取水含沙量保证率推算结果 %Tab.4 Sediment guarantee rate calculation results of water intake from Sige reach

从结果可见，其中起控制作用的是含沙量保证率，含沙量与含氯度保证率主要取决于外江地形和潮汐大小，无法进行人为调控，但水位保证率可以通过进水口的清淤得到提高。如对四格翻水站进口处的淤积进行清理，则进水水位可按2.87 m控制，通过计算得到清淤后水位保证率可以提高至97%，则综合保证可由72%提高到76%。

6 结 语

从感潮河段取水时，其保证率受潮汐变化及其携带的含沙量、含氯度影响显著。综合保证率分析时，既需要考虑水位变幅的影响，又需要考虑随潮上溯含氯度和含沙量的影响。通过与固定水文站建立相关关系，本文进行了钱塘江四格引水点水位、含氯度和含沙量的长系列分析，得到杭州下沙金沙湖从钱塘江四格取水的综合保证率为72%；通过对进水口清淤，综合保证率可以提高至76%。通过研究，提出了从感潮河段引水的综合保证率计算方法以及分项保证率确定的分析思路，为类似引水工程的保证率分析提供参考。

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[1] 尤爱菊, 吴华安, 金倩楠, 等. 基于水质污染风险识别的人工湖需水研究[J].环境污染与防治, 2012,34(8):1-4.

[2] 赵 珊, 孟春霖, 刘晶晶,等. 奥林匹克森林公园人工湖营养盐与藻类生长规律研究[J]. 给水排水, 2010,36(2):38-41.

[3] 刘艳侠, 张翠英, 胡兆祥,等. 城市人工湖的生态功能及水质保持[J]. 中国资源综合利用, 2014,32(6):38-41.

[4] 韩曾萃, 潘存鸿, 史英标,等. 人类活动对河口咸水入侵的影响[J]. 水科学进展, 2002,13(3):333-339.

[5] 韩曾萃, 符宁平, 史英标. 多年调节水库对河口河床冲淤的影响——以新安江水库对钱塘江河口影响为例[J]. 泥沙研究, 2002,(3):29-34.

[6] 尤爱菊, 韩曾萃, 何若英. 变化环境下的钱塘江河口潮位特性及其影响因素[J]. 海洋学研究, 2010,28(1):18-25.

[7] 潘存鸿, 曾 剑, 唐子文. 钱塘江河口泥沙特性及河床冲淤研究[J]. 水利水运工程学报, 2013,(1):1-7.