钱塘江河口抗咸流量预报模式及其检验

李若华，史英标，张舒羽

（1.河海大学环境学院，江苏南京 210098；2.浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020）

钱塘江河口抗咸流量预报模式及其检验

李若华1，2，史英标2，张舒羽2

（1.河海大学环境学院，江苏南京 210098；2.浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020）

钱塘江河口咸水入侵的影响因素有径流、潮汐、江道地形、取水量等，其中径流和潮汐的相互作用是取水口盐度是否超标的决定因素。基于咸水入侵的主要影响因素，分析抗咸流量预报的关键点，建立了取水口盐度超标时间与径流、潮差的定量响应关系，构建了抗咸流量预报模式，给出了模式中各参数的计算方法。将该预报模式应用于钱塘江河口2012—2014年的最小抗咸流量模拟预报，经实践检验，按照预报值调度下泄流量，可满足杭州市抗咸要求。抗咸实践表明，不仅大潮期需保证足够的抗咸流量，中、小潮期泄放流量也不得小于预报流量。

抗咸流量；咸水入侵；径流；预报模式；钱塘江河口；潮汐

咸水入侵是潮汐河口普遍存在的一种自然现象，我国许多潮汐河口如长江口［1］、珠江口［2］、钱塘江口［3］等的周边城镇供水经常受咸潮灾害的威胁，为保证供水，上游水库的压咸调度是河口地区抵御咸水入侵以保证供水的主要措施之一。杭州市约85%的供水取自钱塘江河口段，每年的7—11月都要受到咸水入侵的威胁，主要通过新安江水库和富春江水库的联合调度以增大下泄流量来抗咸，抗咸流量由从事多年抗咸工作的老专家根据以往抗咸经验进行预报，没有固定的预报模式，这不利于此项预报技术的推广，因此建立普适的抗咸流量预报模式非常必要。

钱塘江河口是强涌潮、高含沙量、河床变形剧烈的游荡性河口，咸水入侵规律极其复杂。对于钱塘江河口的咸水入侵规律研究，20世纪80年代以来已开展了许多工作，取得了大量的研究成果［4-7］。模拟咸水入侵的数学模型从短历时的定床模型［8］和可考虑涌潮作用的定床模型［9］，发展到可进行长历时盐度预报的动床模型［10］，并提出了“大潮多放、小潮少放”（相差±25%）［11］的径流调度方式。然而，抗咸预报不是预报取水口处的盐度，而是预报为保证取水口盐度达标所需的抗咸流量，是盐度预报问题的反问题，需要根据潮汐及咸水入侵规律，基于当年的江道形势、咸水入侵程度、抗咸目标等约束条件进行预报。因预报涉及因素众多，且多个因素是未知数，目前抗咸流量靠经验预报，尚未建立固定化的预报模式，对该预报技术的推广是非常不利的。本文从咸水入侵的影响因素着手，推导抗咸流量预报需要的参数，建立预报模式，给出模式中各参数的计算方法，并应用于杭州抗咸的最小流量预报，结合抗咸实际效果检验模式的适用性。

1　咸水入侵影响因素及抗咸期

1.1钱塘江河口概况

钱塘江河口是一个典型的强潮河口，浦阳江口—澉浦为河口段（图1），受径流和潮汐共同作用。钱塘江河口多年平均径流流量约952 m3/s，洪汛期3—6月的径流量占全年的60%以上。径流不仅年内变化大，年际变化也很大，年最大径流量可达年最小径流量的4倍以上。潮汐受M2分潮控制，一天两涨两落，澉浦站最大潮差可达9 m以上，澉浦以上潮差逐渐减小。钱塘江河口段水体含沙量大，泥沙以粉砂为主，河床易冲易淤。因潮强流急，河口受咸水入侵影响严重，枯水大潮期咸水可随潮上溯至浦阳江口，其中闸口—仓前段咸、淡水掺混最为剧烈，而杭州市取水口就布置在闸口河段。

图1　钱塘江河口段示意图

1.2影响因素分析

咸水入侵受诸多因素的影响，包括径流、潮汐、江道地形和沿程取水量等，其中径流和潮汐是决定性的因素，取水口盐度是否超标主要取决于短时间内径流和潮汐的相互作用。钱塘江河口咸水入侵的影响因素分述如下：

a.径流。径流对咸水入侵的影响反映在不同时间尺度的变化上。从年尺度讲，年均径流量大，则江道容积大，潮汐动力强，为保证取水口盐度达标则需要更大的径流流量；从季节尺度讲，径流分两个层面，洪汛前及洪汛期的径流总量决定汛后秋季大潮汛期的江道地形，进而决定下半年河口段的潮汐强弱及咸水入侵程度，大潮汛期的径流流量则决定咸水上溯的距离及取水口盐度超标的情况以及江道淤积量，进而影响潮汐强度。同时河口段是一个敏感的小系统，初始盐度的影响可在数天内消除，根据以往抗咸经验，3日径流流量的调整即会引起咸水入侵的明显差异，这也是保障钱塘江河口御咸调度及时性的自然基础。

b.潮汐。潮汐对咸水入侵的影响主要反映在季节间潮汐大小的变化，以及一个潮汛期（15 d）内大小潮的差异等，涨潮前期的强涌潮可促使咸水入侵加剧，盐分快速升高。此外，即时径流和江道地形又决定了取水口河段的潮汐强度及咸水入侵程度，取水口河段的潮汐强度可由下游七堡站的逐月最大潮差代表，该站潮差对该河段咸水入侵程度起控制作用。

c.江道地形。江道地形对河口咸水入侵的影响主要反映在江道冲淤及尖山河湾走直、走弯河势对咸水入侵的影响，一般而言，江道容积大，河势走直，潮汐上溯能力强，则有利于咸水入侵，反之则不利于咸水入侵。江道地形的变化对咸水入侵的影响可同步反映在潮差大小上，即江道地形的变化带来的影响可由七堡站潮差代表。

d.取水流量。在下半年的枯水大潮期，上游来水较少，而此时高温干旱，两岸农业、环境用水等需求量大，占径流量的比重较高，因此取水流量亦会对咸水入侵产生明显影响。根据浙江省水利厅制定的《钱塘江河口水资源配置工程调度办法（试行）》，抗咸期间富春江流量在450 m3/s以下时，沿线允许取水总量不超过50 m3/s，该调度办法限制了抗咸期间的无序取水，从而使得取水量对咸水入侵的影响减弱。

e.前期盐度。前期盐度指大潮之前累积在取水口下游的咸水，若咸水盐分较高，在大潮期来临时将随着潮流强劲上溯，造成取水口盐度超标，但若中小潮期保证了足够的抗咸流量，则可以将咸水输送至下游，避免盐度在河口段累积。

1.3抗咸期

通常情况下，钱塘江河口1—3月河床淤积，且外海天文潮小，潮流上溯能力弱；4—6月降水量增多并进入梅雨季，径流量大，从而压制了咸水入侵，因此上半年河口段沿程盐度均较小，咸潮一般不会影响取水口的正常取水。在7—11月这段时间，一方面雨量骤减，又适逢夏秋之际的高温期，农业灌溉用水、环境用水和生活用水量猛增，径流量较小，因而压制咸潮的能力减弱；而另一方面又恰遇秋季大潮汛，外海盐度较高的水体随潮上溯，因此这段时间是取淡水最不利的时期。11—12月，虽然降雨量不多，但灌溉用水、环境用水和居民生活用水明显减少，更主要的是径流的减小导致下游河道淤积，潮汐上溯强度减弱，咸水入侵程度减轻。因此抗咸期主要为7—11月。

枯水年洪汛期水量小，虽然新安江水库在洪汛期储存的用于下半年抗咸的水量少，但汛后江道容积小，下半年咸水入侵力度弱，抗咸形势反而比较乐观，丰水年洪汛期的大水量冲开了江道，导致下半年潮汐上溯能力大幅加强，咸水入侵加剧，抗咸形势比较严峻。因此，丰水年的7—11月是抗咸的重点时期。

2　抗咸流量预报模式

2.1抗咸流量预报模式示意图

据GB5749—2006《生活饮用水卫生标准》，当江水含氯度超过250 mg/L时定为超标。由前述可知，取水口盐度是否超标主要取决于径流和潮汐的相互作用，为达到抗咸目标，可根据潮汐强度（可由七堡站潮差代表）下泄相应的径流量压潮拒咸，因此需建立取水口盐度超标时间（即抗咸目标）与径流、潮汐之间的定量响应关系，同时为确定抗咸流量需预测出下半年的潮汐强度；因外海潮汐年际变化较小，取水河段的潮汐强弱年际变化主要由江道地形决定，梅汛期后7月的江道地形对下半年咸水入侵程度起到至关重要的作用，因此为得到下半年的潮汐强度需预测出梅汛期后的江道地形；钱塘江河口每年汛前4月进行一次大范围的水下地形测验，因此汛后江道形势可根据汛前水下地形和汛期径流量通过一定的计算方法估算。根据上述分析，可设计抗咸流量预报模式如图2所示。

图2　抗咸流量预报模式示意图

2.2抗咸目标

受咸水入侵影响的保护目标主要为沿线的取水口。杭州市九溪、南星桥、清泰、赤山埠4个取水口位于钱塘江闸口河段，与之相应的水厂的总制水量约140万m3/d，占杭州市总制水量的85%。珊瑚沙水库位于闸口上游，为避咸蓄淡调节水库，总库容近190万m3，当外江盐度超标时，可经输水渠道直接供给相应的水厂。综合珊瑚沙水库的库容及各水厂的蓄水量，杭州市水业集团根据供水要求，提出抗咸目标为：①南星桥取水口盐度连续超标时间不大于2 d；②珊瑚沙水库取水口盐度连续超标不超过0.5 d。该抗咸目标可根据蓄水能力和供水要求改变。

2.3抗咸目标与径流、潮汐的关系

借助考虑涌潮作用下的平面二维盐度数学模型［9］，进行多组径流和潮汐的组合计算，得到南星桥、珊瑚沙取水口盐度超标时间与净径流、潮汐的定量响应关系曲线如图3所示（图中潮差为七堡站潮差）。由图3可见，当七堡站潮差为2.8 m时，大潮期径流流量需大于320 m3/s，叠加沿线总取水量50 m3/s后，得到最小抗咸流量为370 m3/s。因此，若已知七堡站最大潮差，则可根据图3预报大潮期的最小净抗咸流量，然后再根据“大潮多放25%流量、小潮少放25%流量”的调度方式，叠加沿线取水量，预报出中、小潮期的最小抗咸流量。

图3　南星桥、珊瑚沙取水口盐度超标时间对径流流量、潮差的响应

为提升关系曲线的应用价值，对图3曲线通过回归分析进行拟合，构建相关函数关系。当七堡站潮差为3.9 m时，南星桥、珊瑚沙取水口盐度超标时间对净径流、潮汐的响应关系分别为

式中：y为取水口最长连续超标时间，d；x为径流流量，m3/s。

2.4七堡站月最大潮差预测

据多年研究经验，七堡站月最大潮差与闸口—盐官河段吴淞高程7 m下的江道容积相关关系较好，将多年的江道容积与同期的七堡站月最大潮差数据点绘在图上，连成曲线后如图4所示［11］。因此，若已知汛后的江道容积，则可根据图4预测出下半年七堡站的月最大潮差。

图4　不同江道容积条件下七堡站月最大潮差预报曲线

2.5汛后江道容积预测

钱塘江盐官以上河段冲淤规律是洪冲潮淤，即丰水期盐官以上河段冲刷，冲起的泥沙被带至下游河段淤积，闸口—盐官河段的江道容积增大，潮汐强度增强；枯水期则相反，潮流将下游的泥沙带至盐官以上河段淤积，江道容积减小，潮汐强度减弱。一般情况下，钱塘江河口段每年都要经历淤积—冲刷—淤积的自然演变的过程。钱塘江河口河床在径、潮流的作用下，冲淤幅度大、速度快，尤其是汛期的大流量造床作用非常强。决定下半年潮汐强度的汛后江道容积可根据下式［11］计算：

式中：Vb为吴淞高程7 m条件下汛后7月的江道容积；¯Q为汛期4—7月的平均径流流量；Vi为吴淞高程7 m条件下汛前4月的江道容积。据实测资料验证，该式相关系数可达0.93。

此外，也可以借助动床数学模型［7］，在4月江道地形的基础上，输入汛期的逐日径流流量，计算出汛后7月的江道地形，然后统计出闸口—盐官河段吴淞高程7 m下的江道容积。因泥沙冲淤的复杂性，目前动床模型计算结果的精度并不比经验公式算出的结果高，但工作量却大幅增加。

3　预报模式的检验

3.12012年抗咸过程模拟预报

钱塘江河口径流基本以10年为周期进行丰、枯水文年的转换［12］。2009年之前的10年，以枯水年为主，汛后江道容积大多小于4亿m3；2010年径流转丰后，江道容积大幅增加，2010年、2011年汛后江道容积分别达5.47亿m3和5.23亿m3，已经属于丰水江道。

2012年汛前江道容积为4.78亿m3，属丰水江道，汛期平均径流流量为1980 m3/s，采用式（3）算出汛后江道容积为5.39亿m3。根据预测的汛后江道容积，对照图4插值可得2012年7—12月的七堡站月最大潮差（表1），其中8月潮差最大，为3.5 m。预测的2012年汛后江道容积比2011年（5.23亿m3）略大，2011年下半年七堡站实测最大潮差为3.28 m，实测日径流流量为886 m3/s。若径流量较小，则潮差会更大，因此模拟预测的2012年下半年七堡站月最大潮差3.5 m是基本合理的。根据七堡站月最大潮差预报值，对照图3，结合不同潮差时取水口超标时间对净径流的响应关系，得到各月大潮期最小抗咸径流流量模拟预报值（表1）。

表1　2012年7—12月七堡站月最大潮差与最小抗咸径流流量

根据2012年杭州湾天文潮预报，控制河口段短期潮汐规律的澉浦站下半年望（农历月半）潮略高于朔（农历月初）潮，如农历七月十六（9月1日）、七月初四（8月20日）澉浦月最高潮位预报值分别为6.76 m和6.67m。结合天文潮的月内分布及各月大潮期最小抗咸流量，基于“大潮多放25%流量，小潮少放25%流量”的调度方式，对逐日的抗咸流量进行分配，并统一叠加沿线总取水量50 m3/s，模拟预报出2012年下半年最小抗咸流量如图5所示。由图5可知，下半年（7—12月）抗咸共需要最少51.6亿m3径流量，其中8—9月抗咸径流流量较大，大潮时最大为430 m3/s，小潮时最小为260 m3/s。

图5　2012年下半年逐日最小抗咸径流流量

根据相关水厂的记录，2012年南星桥取水口、珊瑚沙取水口最长连续超标时间分别为19.25 h、7.50 h，勉强满足抗咸要求，大潮期间预报与实际下泄流量对比及抗咸情况列于表2。由表2可见，盐度超标时间主要出现在10月中旬，大潮期实际下泄流量略大于模拟预报流量，但15 d平均流量比预报流量小10%，中、小潮期实际流量比预报流量平均小96 m3/s，平均相差幅度达30.8%（表3）。大潮期过后，河口段累积的盐分在径流的作用下逐步移到下游，咸水在小潮期被推送到最远，小潮期过后的中潮期盐分又逐渐上移累积，因此中、小潮期也必须保证足够的抗咸流量，以免造成盐分累积而导致下一个大潮期盐度超标影响取水。由此可见，2012年最小抗咸流量模拟预报成果是比较准确的，只要按照预报调度下泄流量，则可以保证抗咸要求，调度流量小于预报流量，即使是中小潮期，也会造成盐度超标。

表2　2012年大潮期间下泄流量及顶潮拒咸情况

表3　2012年10月中小潮期径流实际流量与预报流量差异

3.22013—2014年抗咸模拟预报

2013年的抗咸实践中，10月上旬也出现了较长时间的盐度超标，南星桥取水口、珊瑚沙取水口最长连续超标时间分别为30.5 h、4 h，虽然在抗咸目标要求范围内，但已经造成了杭州水厂的紧张，其原因是在大潮期前的中、小潮期下泄的抗咸流量不足，实际流量比预报流量平均小164 m3/s，相差幅度为53.4%。由此可见，不仅在大潮期需要保证足够的抗咸流量，中小潮期的抗咸流量也必须保证。

2014年抗咸期间，大、中、小潮期均保证了足够的抗咸流量，南星桥、珊瑚沙取水口均没有出现盐度超标的情况。

4　结 论

a.影响钱塘江河口段取水口盐度的主要因素有径流、潮汐、江道地形、取水流量、前期盐度等，径流减小、潮汐增强、江道容积增加、取水流量加大、大潮前期盐度较高都将加剧咸水入侵，其中影响咸水入侵最重要的因素是径流和潮汐的相互作用。

b.基于咸水入侵的影响因素，分析了抗咸流量预报的关键，构建了抗咸预报模式，并采用数学模型建立了取水口盐度超标时间与径流、潮差的定量响应关系，在整合前人研究成果的基础上，给出了预报模式中各参数的计算方法。

c.应用预报模式对2012—2014年的抗咸流量进行了模拟预报，结果表明，按照预报流量调度下泄径流，可满足杭州市抗咸要求。抗咸实践表明，不仅需在大潮期保证足够的抗咸流量，中、小潮期也必须保证足够的泄放流量。

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Prediction model of salinity-resisting discharge in Qiantang Estuary and its validation

LI Ruohua1，2，SHI Yingbiao2，ZHANG Shuyu2
（1.College of Environment，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Zhejiang Institute of Hydraulics&Estuary，Hangzhou 310020，China）

Runoff，tides，riverbed morphology，and water intake influence saltwater intrusion in the Qiantang Estuary.Of these factors，runoff and tides are the decisive factors that determine whether the salinity at the intake exceeds the standard. Based on the main factors in saltwater intrusion，key issues in predicting the salinity-resisting discharge were analyzed，and a quantitative relationship regarding the response of the standard-exceeding time to the runoff and tidal range was established.A model for predicting the salinity-resisting discharge was built，and computational methods for parameters in the model were proposed.The prediction model was applied in the prediction of minimum salinity-resisting discharge in the Qiantang Estuary from 2012 to 2014.The validation results show that reservoir operation based on the predicted discharge can satisfy the salinity-resisting demand of Hangzhou City，and a discharge sufficient to resist saltwater intrusion must be guaranteed not only during spring tides but also during mid-and neap tides.

salinity-resisting discharge；saltwater intrusion；runoff；prediction model；Qiantang Estuary；tide

X522

A

10067647（2016）05007506

10.3880/j.issn.10067647.2016.05.014

浙江省科技计划（2014F10036，2015F50010）

李若华（1977—），男，高级工程师，博士，主要从事河口环境水力学研究。E-mail：liruohua2000@163.com

（20150907 编辑：郑孝宇）