基于MIKE11水动力模型的南通市远期引水需求分析

何　聪　王苏胜　陶晓东

(南通市水利勘测设计研究院有限公司， 江苏 南通　226006)



基于MIKE11水动力模型的南通市远期引水需求分析

何聪王苏胜陶晓东

(南通市水利勘测设计研究院有限公司， 江苏 南通226006)

【摘要】随着经济和社会的发展，南通市远期需水量将进一步增加。本文通过对农业、工业、生活以及生态用水量相关指标的分析和计算，预测了2030年南通市总需水量和高峰期需水量。在此基础上，通过MIKE11水动力模型，模拟了不同方案下主要控制点的水位变化和最低水位。结果表明：50%和75%用水保证率下引水基本满足要求，95%用水保证率下需增建60～100m3/s的通吕运河泵站以解决用水矛盾。

【关键词】MIKE11； 需水量； 引水； 泵站

经济发展对水资源提出了越来越高的要求，水资源的优化配置与保护研究得到了广泛关注[1]。南通市经济增长速度一直位于全国前列，随着长江经济带和沿海开发等战略的实施，南通市将持续保持较高的经济增长速度，对水资源的需求将不断增长，同时生态文明建设将进一步对水环境和水容量提出更高要求，因此远期水资源的供需矛盾将更加突出。

南通市依江临海，但是本地径流量少，区域内调蓄能力低，本地水资源的开发利用主要靠引江补水。而引江水量受长江来水量和潮位影响，年际变化大，年内分配不均，在干旱年和用水高峰期，极易发生缺水。面对未来可能发生的需水矛盾，有必要尽早谋划布局，提出应对措施。GMS、MIKE等数学模型在水资源配置和调度方面已经得到了广泛应用[2- 6]，充分展现出了优越性和可行性。

1模型建立

1.1MIKE11水动力模型

MIKE11水动力计算模型是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流Saint-Venant方程组来模拟河流活河口的水流状态。

方程组利用Abbott-Ionescu六点隐式有限差分格式求解。Abbott-Ionescu格式具有稳定性好、计算精度高的特点。离散后的线形方程组用追赶法求解。

1.2河网概化

南通市河网纵横，为便于计算，此次水动力模型对区域内河道进行概化，将大量对水动力计算影响不大的四级以下河道进行简化处理，具体做法：按照四级以下河道的断面面积，合并到与其临近的同向三级河道，将三级河道断面进行相应扩大，从而保证概化后的河道输水能力与河网实际输水能力基本一致。根据所收集到的数据资料，概化为如图1所示的河网，共有1400多条段主要河道，参与水动力演算。

1.3边界条件

模型边界条件主要包括控制建筑物、降雨、潮位和需水量。需水量根据区域需水总量按河道辐射面积比例分配到相应河段。潮位采用典型年引水期对应实测潮位。控制建筑物即沿江和沿海口门以及内河控制建筑物、引水建筑物主要包括焦港闸、如皋港、碾砣港闸、九圩港闸、南通闸和九圩港泵站。

1.4模型率定

模型采用2013年6月中旬实测降雨和潮位资料，根据分区域统计的用水量按比例分配到骨干河道上，并对每条骨干河道按河长进行流量平均。通过调整各级河道糙率，使计算引水量与实测引水量基本相当，并且骨干河道水位变化过程与实测水位相似。模型率定结果见表1。各口门引水总量与实测引水量误差在3.76%～9.3%之间。

碾砣港闸与九圩港闸逐日引水量如图2～图3所示，日引水量基本接近。丁埝与石港逐日水位变化如图4～图5所示，区域内水位变化有着较高的一致性，随着用水过程的推移，河道水位逐渐下降，在计算后期由于降雨原因，区域水位又有适度抬升。

模型的模拟结果与实测情况有着较高程度的一致性与相似性，基本能够代表实际引水过程的变化，可以用来进行引水预测。

2水资源需求分析

根据规划供水范围内的工业产值、农田面积、居民人口以及灌溉定额等指标，计算规划供水范围内的高峰期需水量。

2.1农业用水

预计2030年堤内耕地面积为677.2万亩。另根据沿海滩涂围垦开发规划，到2020年，南通市在规划范围内新围垦土地119.5万亩，其中农业用地面积为74.7万亩，耕地面积按农业用地面积80%计，则耕地面积增加59.76万亩。 2030年50%、75%和95%灌溉保证率下，水田的净灌溉定额分别为350m3/亩、410m3/亩和430m3/亩。随着节水工程措施的实施，2030年灌溉水利用系数提高到0.68。

2.2工业用水

工业需水包括一般工业和火(核)电工业需水量。一般工业需水量采用取水定额法进行预测，火(核)电工业需水量采用单位千瓦装机取水量进行预测。2030年工业增长率按照7%～8%进行估算，工业总产值增加至8099.61亿～8889.22亿元。

2.3生活用水

生活需水按城镇和农村分别进行预测，其中城镇生活需水包括：城镇居民家庭生活需水，建筑业、第三产业和城镇生态环境等城镇公共生活需水，农村生活需水仅指农村居民家庭生活需水。预计2030年末，南通市常住人口达到879.38万。

2.4生态用水

生态用水是指为维持生态与环境功能和进行生态环境建设所需要的最小需水量。规划区河道外生态环境需水仅考虑城镇生态环境需水及河湖湿地生态环境补水，城镇绿化用水采用定额预测方法；湿地、城镇河湖补水等，以规划水面面积的水面蒸发量与降水量之差为其生态环境需水量。河道内生态环境需水量按功能可分为：维持河道基本功能的需水量、通河湖泊湿地需水量和河口生态环境需水量。维持河道基本功能的需水量计算方法采用蒙大拿法，一般占河流年平均流量的20%～50%。此外还包括淋盐洗碱用水和冲淤保港用水。

根据测算，远期2030年南通市需水量见表2。

用水高峰期，即6月中旬需水量见表3。由于工业增加值的不确定性以及未来对生态需水的不确定性，将2030年需水量分为高低两个水平。

3模拟分析

3.1控制水位要求

根据南通实际情况，遇特殊干旱年，沿江平均最低水位不低于1.41m(1985国家高程基准，下同)，石港、丁埝不低于1.31m，小洋口闸、北凌新闸上最低水位不低于1.21m，东安闸、掘苴闸上最低水位不低于1.11m，遥望港闸上最低水位不低于1.01m。

3.2计算方案

根据南通市相关规划，至2020年完成的与引水有关的工程措施主要有：九圩港泵站的建设，江海河、遥望港的拓浚工程，以及连申线、通栟线和通扬线三级航道的建设。2030年继续建设市域干线航道和联络线支线航道，拓浚丁堡河、马丰河、兴石河、司马港、新江海河、三和港、头兴港、蒿枝港和南引河，同时对区域内骨干河道进行复标疏浚。由此形成2020年河道拓浚方案和2030年河道拓浚方案。

此外根据水位控制情况，适时增设通吕运河泵站。

3.3结果分析

a.低引水量工况。2030年低引水量工况下，不同保证率6月中旬主要站点最低水位见表4。

由计算结果可知：50%保证率下，引水能够满足需水要求，各站点最低水位1.93～1.97m，能够满足水位控制要求，水位基本维持在正常水位；75%保证率下，引水能够满足需水要求，各站点最低水位1.46～1.50m。

95%保证率下，由于需水量继续增加，尽管九圩港泵站弥补了引水量的不足，仍不能满足供水需求，结果石港和丁埝水位为1.24m。通过2030年的河道拓浚及复标疏浚，整个河网水位仅上升2～5cm，石港和丁埝最低水位1.26m，仍不能满足控制水位要求。在2020年河道拓浚的基础上，增加通吕运河泵站，流量60m3/s，可以解决用水问题，此时石港最低水位1.34m，丁埝最低水位1.32m，保证了河网水位控制要求。

由此可见，2030年低引水量条件下，需增加60m3/s通吕运河泵站，以保证95%供水保证率下的引水需求。

b.高引水量工况。2030年高引水量工况下，不同保证率6月中旬主要站点最低水位见表5。由计算结果可知：50%保证率下，引水能够满足需水要求，各站点最低水位1.98～2.00m，能够满足水位控制要求，水位基本维持在正常水位；75%保证率下，引水能够满足需水要求，各站点最低水位1.38～1.41m。

95%保证率下，由于需水量继续增加，尽管九圩港泵站弥补了引水量的不足，仍不能满足供水需求，石港和丁埝水位为1.15m。通过2030年的河道拓浚及复标疏浚，整个河网水位仅上升4～6cm，石港和丁埝最低水位1.19m，还是不能满足控制水位要求。在2020年河道拓浚的基础上，增加通吕运河泵站，流量100m3/s，基本可以解决用水问题，此时石港最低水位1.32m，丁埝最低水位1.31m，保证了河网水位控制要求。

由此可见：2030年高引水量条件下，需增加100m3/s通吕运河泵站，以保证95%供水保证率下的引水需求。

4结语

由于南通市远期经济发展水平进一步提高，工业用水量还将持续上升，同时随着生活水平的不断提高，对生态用水的需求量将急剧增加，2030年用水量较2020年还有大幅度增加。

在2020年建设工程的基础上，远期2030年50%和75%用水保证率下，南通市用水基本能够满足。但是95%用水保证率下，沿江引水量明显不足，无法满足通航与引水水位要求，建议建设通吕运河泵站，规模为60～100m3/s，以解决远期的需水矛盾。

参考文献

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[4]王蕾,肖长来,梁秀娟,等.MIKE BASIN模型在吉林市水资源配置方面的应用[J].中国农村水利水电,2014(1):128-131.

[5]邹骏,李明新,范可旭,等.水资源模型在长江上游水资源配置模拟中的初步应用[J].水资源研究,2013(1):1- 4.

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Analysis on long-term water diversion demand in Nantong based on MIKE11 hydrodynamic model

HE Cong, WANG Susheng, TAO Xiaodong

(NantongWaterConservancySurveyDesignInstituteCo.,Ltd.,Nantong226006,China)

Abstract：Nantong long-term water demand will be further increased with the development of economy and society. In the paper, total water demand and peak water demand in Nantong in 2030 are predicted through analysis and calculation of related indexes, such as agriculture, industry, life and ecological water consumption. On the basis, water level change and the minimum water level in main control points under different plans are stimulated through MIKE11 hydrodynamic model. The results showed that water diversion under 50% and 75% water consumption assurance rate can meet requirement basically. Tonglu canal pumping station of 60～100m3/s should be constructed additionally under 95% water consumption assurance rate, thereby solving water consumption conflicts.

Key words：MIKE11; water demand; water diversion; pumping station

DOI:10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.02.010

中图分类号：TV213

文献标志码：A

文章编号：1005- 4774(2016)02- 0035- 05