某分汊河道上游取水口選址水動(dòng)力條件分析

梅 斌，王 斌，劉 云

（1.浙江省水利水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 工程概況

上湖口水廠是青田縣城的主要供水廠，目前供水規(guī)模為6萬m3／d，改建后規(guī)模為10萬m3／d，遠(yuǎn)期總規(guī)模為15萬m3／d。水廠原取水口位于甌江大、小溪匯合口下游3.0 km的河道上。但近幾年，由于受甌江兩岸建廠、河道采砂等建設(shè)活動(dòng)的影響，水體水質(zhì)出現(xiàn)了惡化，水位也不斷地降低；再加上甌江及其上游大溪兩岸建有國道等交通要道，一旦過往車輛運(yùn)載貨物發(fā)生漏泄，特別是致毒物流落甌江，必然威脅到水體水質(zhì)，取水口供水安全存在嚴(yán)重隱患。為保證水源安全，2007年水廠將取水口由甌江 （在建三溪口河床式電站壩址）調(diào)整為小溪的上澤灣，距大、小溪匯合口約0.7km。工程布置示意見圖1。

圖1 現(xiàn)狀及擬建取水口布置示意圖

然而隨著甌江流域的進(jìn)一步開發(fā)，2009年三溪口河床式水電站正式開工建設(shè)，電站壩址位于甌江大溪與小溪匯合口下游1.2km附近。建成后，庫區(qū)正常蓄水位18.00m，庫區(qū)河道正常水位將整體抬高，特別是小溪枯水或斷流期間，極有可能導(dǎo)致甌江 （大溪）水回灌至小溪內(nèi)，致使上澤灣取水口的水質(zhì)由原來的小溪水源回歸到2007年前的甌江水源，供水安全存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。為此，水廠決定將取水口進(jìn)一步上移8.5km左右，即小奕村新田坑取水口［1］。

文章將通過平面二維數(shù)值模擬，結(jié)合河道規(guī)劃及在建的三溪口電站水力參數(shù)，從水動(dòng)力、泥沙及水質(zhì)等方面對(duì)再次上移的擬建取水口進(jìn)行分析，從而論證選址的合理性，為規(guī)劃決策提供技術(shù)依據(jù)。

2 基本資料

青田縣河流屬于甌江水系，大溪和小溪在湖邊村匯合后為甌江，歷年平均流量443.00m3／s，最枯日平均流量10.60m3／s，三溪口河床式電站閘址位于匯合口下游0.7 km，水庫無防洪調(diào)蓄庫容，電站位于樞紐左岸，三臺(tái)機(jī)組滿發(fā)流量1227.00m3／s。大溪為甌江上游干流河道，集水面積約9800km2，匯合口以上已建多級(jí)電站，最近為外雄電站，發(fā)電流量為664.00m3／s；小溪為青田縣境內(nèi)甌江最大的支流，集水面積約3581km2，上游26.0km處已建大型水庫灘坑水庫，電站共3臺(tái)機(jī)組，單機(jī)流量209.17m3／s，為保證枯水期小溪下游河道的水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，水庫下泄生態(tài)流量4.00m3／s［2－3］。

另外，根據(jù)甌江青田段大溪、小溪河流多年水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，甌江青田縣城以上河段及大溪、小溪地表水水質(zhì)為Ⅰ～Ⅱ類水體。但近幾年甌江水質(zhì)也存在受污染的可能性，沿線為省道公路，在有其它可選水源的情況下，該河段不適合作為常用水源。而小溪水資源豐富，沿途為山林及村莊農(nóng)田，污染物排放量少，水質(zhì)穩(wěn)定，滿足城市取水水源水質(zhì)和水量的要求［1］。

3 研究方法

為較好地反應(yīng)取水口附近水動(dòng)力及水質(zhì)條件，數(shù)值模擬采用MIKE21軟件的FM模塊，并對(duì)洪水期及枯水期水位分別進(jìn)行了驗(yàn)證。

模型上游大溪河道模擬至匯合口以上5.5km附近的順直河道，小溪模擬全長15.7km，下游河道至三溪口河床式電站閘軸線斷面，模型計(jì)算范圍見圖2。

圖2 模型范圍及驗(yàn)證點(diǎn)示意圖

4 主要成果

4.1 論證重點(diǎn)

根據(jù)工程特點(diǎn)及存在的問題，本文將從以下3個(gè)方面對(duì)擬建取水口進(jìn)行分析論證：

（1）由于擬建取水口位于甌江最大支流小溪，屬山溪性河道，洪水期水位暴漲暴落，需對(duì)取水口的水動(dòng)力條件及河床沖淤情況進(jìn)行分析。

（2）取水口位于三溪口河床式水電站的回水范圍內(nèi)，當(dāng)枯水期小溪流量較小時(shí)，取水可能引起甌江 （大溪）水倒灌進(jìn)入取水口，影響取水水質(zhì)，需作論證分析。

（3）當(dāng)小溪僅下泄生態(tài)流量時(shí)，大溪遭遇突發(fā)污染事件，污染水體將可能通過擴(kuò)散上溯至取水口，有必要進(jìn)行分析論證。

4.2 洪水期水動(dòng)力及沖淤分析

洪水期水動(dòng)力分析主要針對(duì)取水建筑物布置對(duì)河道行洪的影響，并對(duì)取水口的水位、流態(tài)及河勢(shì)沖淤趨勢(shì)進(jìn)行論證。

分析表明，取水口位于河道臨近凹岸的下游順直河段位置，取水口前沿及上下游附近地勢(shì)相對(duì)較為平緩，上游來流未直接頂沖取水口，取水口口門區(qū)水流流態(tài)及流速分布均較為均勻。當(dāng)小溪遭遇5a一遇及20a一遇洪水時(shí)，取水口前沿的水流流向與設(shè)計(jì)擬建取水口前沿走向基本一致，前沿5m附近的平均流速分別為2.38，2.94m／s，處于微沖趨勢(shì)［4］，流場(chǎng)見圖3。

圖3 擬建取水口流場(chǎng)示意圖

4.3 枯水期水動(dòng)力分析

枯水期取水口水動(dòng)力條件分析主要針對(duì)小溪僅下泄生態(tài)流量或無流量工況，三溪口水電站則按照正常蓄水位考慮，其余流量均為大溪來流，約300.00m3／s。

分析表明，當(dāng)小溪上游下泄生態(tài)流量 （4.00m3／s）時(shí)，取水口取水后 （1.74m3／s），仍有部分下泄流量往下游行進(jìn)，并匯入甌江內(nèi) （見圖4）。當(dāng)小溪上游無下泄流量時(shí)，取水口引水流量則主要來自下游甌江回灌，取水口下游河道上溯水流的斷面最大流速約為0.013m／s，估算水質(zhì)點(diǎn)從匯合口達(dá)到擬建取水口時(shí)間約為8d。因此建議小溪上游灘坑電站至少應(yīng)下泄生態(tài)流量，以保證取水口水源為小溪下行水體，如上游需檢修或突發(fā)停水，建議時(shí)間控制在8 d以內(nèi)。

圖4 小溪下泄生態(tài)流量水質(zhì)點(diǎn)軌跡圖

4.4 水質(zhì)擴(kuò)散預(yù)測(cè)

從取水口水動(dòng)力條件看，當(dāng)小溪上游下泄流量超過取水口引水流量后，取水口所取水源均為小溪上游水體。但是，水體受污染后還存在稀釋、擴(kuò)散等液體混合特性，而甌江上游大溪內(nèi)存在較多的工農(nóng)業(yè)區(qū)，假如大溪有污染源發(fā)生應(yīng)急事故排放，仍可能會(huì)通過混合擴(kuò)散影響至匯合口及其上游的小溪水質(zhì)。因此，本節(jié)將主要從污染物擴(kuò)散方面對(duì)取水口的水質(zhì)進(jìn)行影響分析，論證擬建取水口選址的可靠性。計(jì)算選用40mg／L濃度的污染物為大溪污染源排放示蹤劑，標(biāo)準(zhǔn)類同于水質(zhì)較差的Ⅴ類水化學(xué)需氧量（CODcr）指標(biāo)［5］，不考慮沿程衰減；小溪?jiǎng)t考慮Ⅰ類水體，流量為生態(tài)流量。

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)小溪下泄生態(tài)流量時(shí)，污染物15 mg／L等濃度線擴(kuò)散穩(wěn)定后 （約30d）距匯合口約1km，覆蓋了小溪上澤灣取水口，但不會(huì)到達(dá)新田坑位置的擬建取水口，所以對(duì)擬建取水口的水質(zhì)將沒有影響 （見圖5）；其次，若灘坑電站下泄20.00m3／s以上流量時(shí)，污染物基本都集中在甌江內(nèi)，并順流進(jìn)入電站下游。因此，從水質(zhì)擴(kuò)散預(yù)測(cè)看，當(dāng)小溪下泄生態(tài)流量以上流量時(shí)，匯合口內(nèi)的污染物基本上不會(huì)上溯進(jìn)入擬建取水口。

圖5 小溪下泄生態(tài)流量污染物擴(kuò)散上溯示意圖

5 結(jié) 語

通過平面二維水流及水質(zhì)數(shù)值模擬，從水動(dòng)力、泥沙及污染物擴(kuò)散等方面對(duì)位于分汊河道匯合口上游的擬建取水口進(jìn)行了分析論證。結(jié)果表明，擬建取水口水流條件相對(duì)較好。在小溪下泄生態(tài)流量以上流量時(shí)，甌江 （大溪）內(nèi)的水質(zhì)點(diǎn)不會(huì)進(jìn)入小溪內(nèi)，即使甌江 （大溪）遭遇突發(fā)污染事故，污染水體亦不會(huì)短期上溯至擬建取水口附近。因此，從水動(dòng)力及水質(zhì)等方面看，擬建取水口選址合理，研究成果可作為類似工程參考。

［1］王正法.青田縣城引水延伸改建工程可行性研究報(bào)告 ［R］.杭州：杭州市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，2011.

［2］張永進(jìn).浙江省青田縣三溪口河床式水電站工程初步設(shè)計(jì)［R］.杭州：浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2009.

［3］芮建良，廖琦琛.灘坑水電站對(duì)下游環(huán)境的影響 ［C］／／2004年浙江省科協(xié)重點(diǎn)學(xué)術(shù)研討項(xiàng)目 （4）—甌江河口綜合考察論文集.北京：《中國學(xué)術(shù)期刊 （光盤版）》電子雜志社，2004.

［4］錢寧.泥沙手冊(cè) ［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1992.

［5］國家環(huán)境保護(hù)總局國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 3838—2002中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) ［S］.北京：國家環(huán)境保護(hù)總局國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2002.