九圩港提水泵站工程水文计算分析

王 伟，吴建伟，印卓伟，卢慧敏

(1.南通市九圩港水利工程管理所，江苏 南通 226000；2.南通市通吕运河水利工程管理所，江苏 南通 226000)

南通市通南地区滨江临海，经多年治理已形成以骨干河道自流引江供水的调水工程体系，近年来大规模滩涂开发和经济社会发展对淡水资源的需求明显增加，加之受长江潮位影响，仅靠自流引江已不能满足水资源供给需求，位于引江供水末梢的如东、海安缺水尤为明显。为此，实施《江苏沿海地区水利建设三年实施方案》，建设九圩港泵站向沿海南部滩涂集中开发区输送淡水资源，对缓解通南地区农业灌溉高峰期用水紧张现状具有重要意义。

1 流域概况

1.1 自然概况

南通地区处于长江、黄海交汇处，由长江北岸古沙嘴不断发育、合并若干沙洲而成，属长江三角洲冲积平原区，地势低平，地表起伏甚微，土地总面积8001km2。老通扬运河接如泰运河到沿海出口以南为长江流域，流域面积5748.68km2；以北为淮河流域，流域面积2251.97km2。斗南地区自南向北缓慢倾斜，地面高程在2～5m；通南地区自西北向东南倾斜，其中以粉砂、极细砂为主的高沙土区地面高程在4～6m，局部高亢地带6m以上，以粉质壤土为主的沿江圩区地面高程在2.5～4m。

南通地区位于北亚热带季风气候区，四季分明，雨热同季，灾害性天气频发，海洋性气候明显。区域年际降水量不平衡，年内季节分配不均匀，多年平均降水量1060mm，年均雨日120d，全年65.5%的降水集中在汛期。多年平均气温15.1℃，多年平均日照时间2100h，年相对湿度80%，年均蒸发量1400mm，年均无霜期203d；常年多偏东风，多年平均风速3.4m/s。

1.2 水资源概况

南通地区地表径流少，拦蓄能力低，水资源利用主要依靠引江补充，水量受长江来水量和潮位限制。长江来水量年际变化差异很大，年内分配不均，汛期非汛期水量差异明显；长江如遇长历时少雨干旱，潮位长时间较低无法引水，易发生时段性严重缺水。

长江南通段自靖江与如皋交界起至入海口全长167.3km，共布设15个监测断面，除启东港、南通港近岸水质较差，常检测为Ⅳ类外，其余断面均为Ⅱ-Ⅲ类水，沿线水质总体较好。南通地区内河地表水共布设46个监测断面，水质以Ⅲ-Ⅳ类水质为主，局部河段水质较差为Ⅴ至劣Ⅴ类。

2 需水量预测分析

规划供水范围为南通市通南、斗南及沿海港区、港城和滩涂围垦开发区域。根据南通市沿海地区需水量分析成果及分旬需水量过程，按照规划供水范围内的工业产值、农田面积、居民人口等与全市的比例，拆算规划供水范围内的需水量。

2.1 需水量预测方法与定额

2.1.1农业需水量

农业需水量采用定额法计算。根据沿海滩涂围垦开发规划，区域现有耕地533.67万亩，其中水田430.03万亩、旱地103.64万亩；滩涂围垦耕地59.76万亩，其中水田47.81万亩、旱地11.95万亩；总面积593.43万亩。灌溉水利用系数按灌溉期内灌溉面积上不包括深层渗漏与田间流失的实际有效利用水量与渠首进水总量之比，计算取为0.65。根据不同类型农田灌溉净定额及灌溉水利用系数，计算农田灌溉毛定额，P=50%情况下水田625m3/亩、旱地62m3/亩；P=75%情况下水田744m3/亩、旱地86m3/亩；P=95%情况下水田960m3/亩、旱地97m3/亩；沿海地区林果灌溉取水定额80m3/亩、渔塘补水定额666m3/亩、大小牲畜取水定额50m3/亩、2m3/亩。[4]

2.1.2工业需水量

一般工业需水量采用取水定额法预测，根据省工业取水定额标准，为16m3/万元；火(核)电工业需水量，采用单位kW装机取水量法预测，根据国家经贸委及省电力工业取水定额综合确定，为15m3/kW。

2.1.3生活需水量

生活需水按城镇和农村分别计算，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，根据人口发展指标和对应的用水定额进行推算，并依据近30年生活用水基础资料及其变化采用增长趋势法分析。根据省城镇生活取水定额标准，城镇生活取水定额256L/人·日、城镇居民生活取水定额163L/人·日；农村居民生活取水定额125L/人·日。

2.1.4生态需水量

河道外生态环境用水分为城镇生态环境美化和其他生态环境建设用水等，沿海地区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、城镇河湖补水以规划水面蒸发量与降水量差额确定。

2.2 需水量预测成果

规划供水区总需水量包括农业需水量、工业需水量、生活需水量、生态环境需水量等，增加的需水量主要是滩涂围垦开发新增用水，根据供水区需水量预测分析成果及分旬需水量，拆算规划供水区灌溉高峰期需水流量。计算成果见表1—2。

表1 规划供水区5月下旬—6月中旬总需水量表

表2 规划供水区5月下旬—6月中旬需水流量表

3 工程水文计算

工程水位主要考虑长江潮位对工程区影响，特别是是5—6月农业用水最高峰期间潮位高低而影响自流引江能力和7—8月高潮位顶托对自排入江入海泄量影响，主要采用焦港闸、碾砣港闸、九圩港闸、南通闸等站逐日水位资料；潮位主要采用天生港逐日潮位资料，采用焦港、江阴站潮位资料插补，资料系列为1970—2018年。

3.1 基本特征值

南通地区内河正常水位一般在1.8～2.5m，局部地区在1.1～1.6m。长江潮汐据天生港潮位站，多年平均高潮位2.12m，平均低潮位0.23m；最高潮位5.34m，最低潮位-1.32m；最大潮差4.01m，最小潮差0m，平均潮差1.93m，平均涨潮历时3h56min，平均落潮历时8h30min。

长江干流径流以大通水文站为代表站，历年最大洪峰流量92600m3/s，历年最小枯水流量4620m3/s，多年平均流量28630m3/s，多年平均径流量8940亿m3，多年平均输沙率14410kg/s，多年平均含沙量0.52kg/m3，多年平均年输沙量4.3亿t。

3.2 水文分析

长江潮位按灌溉高峰期平均高潮位和日最低潮位分析。采用天生港潮位站1970—2018年逐日实测潮位，统计5月下旬、6月上旬、6月中旬平均潮位，分别进行频率分析；对日最低潮位按非汛期(10—6月)、冬春期(1—4月)和灌溉高峰期(5—6)分别进行频率分析，成果见表3。

表3 长江平均高潮位、日最低潮位频率分析成果表

3.3 泵站特征水位

由于天生港潮位站位于九圩港下游2km处，两处潮位可近似认为一致，因此九圩港站长江侧设计水位直接采用天生港逐日潮位资料分析，泵站抽水期考虑潮位较低的10月至次年6月，泵站运行特征水位分析如下。

根据GB 50265—2022《泵站设计规范》，从感潮河口取水时，进水池设计运行水位应按灌溉期多年平均最高潮位和最低潮位的平均值确定。长江口潮水属不规则半日潮，一般情况下每天有两高两低4个特征潮位，当长江高潮位满足自流引水条件时，开闸自流引水；当长江潮位降低不能自流引水时，关闸并开启泵站抽水，因此泵站运行时的长江高潮位往往低于日最高潮位。最低运行水位应取灌溉期水源保证率95%～97%的日最低潮位，九圩港泵站运行时段主要集中在冬春期和灌溉高峰期，冬春期虽然需水量较小，但长江潮位处全年最低时段，此时泵站运行机率较大，一般不需全部开机；灌溉高峰期长江潮位相对冬春期略有抬高，但需水量大，泵站运行机率较大，全部开机的机率也大。考虑到上游规划工情变化可能引起长江潮位的降低，为泵站运行留有一定余地，最低运行水位采用历年冬春期水源保证率为95%的日最低潮位。

3.3.1长江侧(进水侧)

九圩港闸关闸时潮位未进行监测记录，据分析，关闸时潮位略高于开闸时潮位，并低于日最高潮位，出于泵站功率冗余考虑，关闸开启泵站时平均潮位采用开闸时平均潮位。九圩港闸开闸时多年平均潮位2.12m，抽水期历年最低潮位平均值-0.69m，平均值0.72m。历年冬春期水源保证率为95%的日最低潮位-1.01m，灌溉高峰期水源保证率为95%的日最低潮位-0.51m。历史最低潮位-1.32m，历史最高潮位5.34m；100年一遇高潮位5.46m，300年一遇高潮位5.87m。

3.3.2内河侧(出水侧)

正常水位1.8～2.5m，历史最高水位3.83m，历史最低水位0.23m；最高出水水位2.80m，同汛期警戒水位；规划通航水位九圩港闸上最高3.81m、最低1.16m，闸下最高4.84m、最低-0.70m。

3.3.3施工期水位

采用天生港实测潮位资料，按历年最高洪水频率分析，10年一遇洪(潮)水位4.65m，20年一遇洪(潮)水位4.90m(全年施工采用)；按历年10月至次年6月最高潮位并进行频率分析，10年一遇洪(潮)水位3.69m，20年一遇洪(潮)水位3.75m。

4 模型验证

为分析通南河网向东台滩涂地区供水可行性，建立区域水动力模型，并对九圩港闸、站计算成果与实测值进行比对。

4.1 河网概化

南通市通南、斗南和东台市川东港以南地区河网纵横，为便于计算，将区域内河道进行概化构建水动力模型，将对水动力计算成果影响微小的河道简化处理，将简化河道断面面积合并到与其临近的同向输水骨干河道，骨干河道断面相应扩大，确保概化后的河道输水能力与河网实际输水能力基本一致。河网概化如图1所示，共34条主要河道参与水动力演算。

图1 河网模型河道、建筑物概化简图

4.2 边界条件

根据《江苏省水文手册》，采用长江天生港代表站灌溉潮型过程线，作为沿江口门设计潮型过程线，见表4。

表4 天生港代表站灌溉潮型过程线(P=95%低潮位)

沿江焦港闸、如皋港闸、碾砣港闸、九圩港闸和南通闸5处引水口门位于长江江阴、天生港两个潮位站之间，根据江阴站、天生港站逐日两高、两低潮位，内插得出5处引水口门逐日两高、两低潮位；根据天生港代表站灌溉潮型过程线，概化出5处引水口门设计潮位过程线。当长江潮位高于内河水位时，开闸自流引水；当长江潮位低于内河水位时，关闭闸门同时开机抽水。

区域内南通、东台两片间现状仅由丁堡河连通、丁堡闸控制，引水流量不大于10m3/s，规划两片由丁堡河和新开挖河道连通。对于向沿海滩涂、里下河、东台斗南地区供水的口门，根据规划的用水水位要求进行控制，当闸上水位高于规划的用水水位时开闸供水，反之则关闸停止供水。具体为焦港北闸闸上水位高于1.4m，向里下河地区补水；大洋港闸、团结港闸、遥望港闸上水位高于1.2m、东安闸、掘苴闸上水位高于1.3m，小洋口闸、北凌(新)闸上水位高于1.4m时，开闸向沿海滩涂供水。

4.3 模型率定与验证

南通市骨干河道以河槽为主，边滩较小，河网引输水时以河槽引输水为主，水深大多在2.5～4.5m，分析拟定河槽综合糙率为0.0225。6月上、中旬为用水高峰期，且长江潮位相对偏低，易发生用水紧张，因此模型计算时段确定为设计典型年5月下旬—6月中旬。以6月上旬为例，分别对沿江口门引江水量、流量和主要站点水位计算与实测值进行比对，成果见表5。

表5 九圩港闸、站引江水量、流量和水位计算与实测值对比表

可知，九圩港闸引江水量、平均流量模型计算与实测结果在旬平均值方面非常接近，但逐日成果差距较大，其原因为，根据实际运行情况和实测资料，当日两个高潮期均可以开闸引水情况下，该闸仅有一个高潮期开闸引水，便可满足水量要求，因此较长时间段内引水总量、平均流量误差很小，但短时段内误差较大。水位计算与实测值相差很小。对评价供水规模可行性而言，短时段误差意义不大，长时段数据拟合程度更为重要，可以认为通南河网向东台滩涂地区供水可行。

5 结语

通过采用受水区需水量、潮位频率、泵站特征水位等计算成果分析对比，得出了九圩港提水泵站工程规模合理、供水量可行的结论。建立区域河网水动力模型对引水量、流量和水位成果进行验证，对供水规模的合理性验证具有很强的支撑意义。

该研究尚有一定不足，在需水量主要采用定额法计算，考虑其数量基数预测准确性和参数指导性均有一定缺陷，由此得到的需水量预测成果可能存在较大误差，可将其与近年来实际用水量统计成果进行规律分析验证；在水动力模型率定和验证方面，模型概化程度较高，后续可将模型由骨干河道下放，并分段、分河选取计算参数。通过这些方法，能够得到更加准确的预测结果。