桐鄉(xiāng)市西部平原河網(wǎng)數(shù)值模擬水源取水可行性研究

張 駿，姬戰(zhàn)生，孫映宏

(1.建德市水文水資源監(jiān)測(cè)站，浙江 杭州 310016；2.杭州市水文水資源監(jiān)測(cè)總站，浙江 杭州 310016)

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桐鄉(xiāng)市西部平原河網(wǎng)數(shù)值模擬水源取水可行性研究

張 駿1，姬戰(zhàn)生2，孫映宏2

(1.建德市水文水資源監(jiān)測(cè)站，浙江 杭州 310016；2.杭州市水文水資源監(jiān)測(cè)總站，浙江 杭州 310016)

利用MIKE11軟件對(duì)桐鄉(xiāng)西部平原河網(wǎng)的水流進(jìn)行模擬分析，并利用流域內(nèi)河網(wǎng)實(shí)測(cè)水位資料進(jìn)行驗(yàn)證.結(jié)果表明，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，具有較好的精度.運(yùn)用建立的河網(wǎng)模型，對(duì)河網(wǎng)內(nèi)部擬設(shè)置取水口處的來(lái)水情況進(jìn)行了計(jì)算與分析，結(jié)果表明，4種不同的工況條件下，取水口處水量、水位均能滿足工程取水的要求.

平原河網(wǎng)；水動(dòng)力學(xué)模型；取水口；可靠性研究

桐鄉(xiāng)市位于杭嘉湖平原，境內(nèi)地勢(shì)平坦，河道縱橫，水網(wǎng)密布，屬太湖水系.近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和城鄉(xiāng)供水一體化的實(shí)施，全市公共水廠的供水量逐年增加，目前全市承擔(dān)集中供水的果園橋水廠和運(yùn)河水廠總供水能力為30萬(wàn)t/日，2010年供水總量為8 012萬(wàn)t，比上年增長(zhǎng)10.6%，日最高供水量突破28萬(wàn)t，基本處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，2011年日最大供水量達(dá)到30.3萬(wàn)t，已經(jīng)啟用崇福應(yīng)急水廠，水量供需矛盾日益凸顯.并且，桐鄉(xiāng)市地表水污染不斷加劇，大部分河湖塘漾的水質(zhì)均處于Ⅴ類和劣Ⅴ類，已很難找到符合飲用水原水標(biāo)準(zhǔn)的水源.為此，桐鄉(xiāng)市積極尋求境內(nèi)新的取水水源地，擬在市區(qū)西部河網(wǎng)中設(shè)置取水口，開(kāi)展集中供水水廠水源從運(yùn)河向西部水域轉(zhuǎn)移的可行性研究.

本文針對(duì)桐鄉(xiāng)西部水域內(nèi)河道復(fù)雜，流向順逆不定的特點(diǎn)，利用丹麥DHI公司的Mike11數(shù)值模擬軟件[1]建立了桐鄉(xiāng)西部水域的河網(wǎng)水動(dòng)力模型，在各種不同工況條件下，通過(guò)模型計(jì)算，對(duì)區(qū)域內(nèi)取水口附近的水位、流量以及來(lái)水方向進(jìn)行了研究.

1 區(qū)域概況

桐鄉(xiāng)市屬太湖流域運(yùn)河水系，河道稠密，是典型的江南水鄉(xiāng).河道總長(zhǎng)2 398.3 km，河道面積46.3 km2，河道密度3.3 km/km2，河網(wǎng)率6.4%.主要河道長(zhǎng)440 km有余.京杭古運(yùn)河斜貫全境，是全市水利、水運(yùn)的大動(dòng)脈，東部主要河道以南北向?yàn)橹?，西部河道以東西向?yàn)橹?

桐鄉(xiāng)西部水域位于洲泉鎮(zhèn)眾安村與德清交界附近的野凌灘漾至桑柴湖漾、白蕩漾一線水域.分析區(qū)域內(nèi)主要河流有六縱八橫，六縱分別為龍溪港(亦稱老龍溪)、十字港、京杭運(yùn)河、大東港、三洞環(huán)橋港、京杭古運(yùn)河(桐鄉(xiāng)段)；八橫為漾溪港、含山塘、西圣埭港、橫塘港、大羔羊港、祝香橋港、大紅橋港、京杭古運(yùn)河(余杭段)，主要湖漾有百畝漾、野凌灘漾、桑柴湖漾.分析區(qū)域周邊水文站有新市水位站、臨平下水位站、塘棲水位站和崇德水位站.區(qū)域主要河道及水文測(cè)站分布(見(jiàn)圖1).

圖1 桐鄉(xiāng)西部水域主要河道及水文測(cè)站分布圖

2 一維水動(dòng)力模型

Mike11河流模型軟件是一個(gè)結(jié)果清晰、界面友好的模擬系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于模擬河口、河流、河網(wǎng)、灌溉系統(tǒng)的水流、水質(zhì)、泥沙輸運(yùn)等一維問(wèn)題的專業(yè)軟件包，適合于包括復(fù)雜平原河網(wǎng)在內(nèi)的一維非恒定流計(jì)算[2-3].

2.1 水動(dòng)力方程

河網(wǎng)水動(dòng)力模型控制方程為Saint-Venant方程組：

(1)

(2)

式中：x和t—分別為空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)；

B—河寬；

Z—水位；

A—過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；

Q—斷面流量；

q—旁側(cè)入流、出流流量；

R—水力半徑；

g—重力加速度；

A—?jiǎng)恿啃Ｕ禂?shù)；

C—謝才系數(shù).

Mike11在求解上述方程時(shí)，利用Abbott六點(diǎn)隱式格式離散上述控制方程組，該離散格式在每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)并不同時(shí)計(jì)算水位和流量，而是按順序交替計(jì)算水位或流量.該格式無(wú)條件穩(wěn)定，可以在相當(dāng)大的Courant數(shù)下保持計(jì)算穩(wěn)定，可以取較長(zhǎng)的時(shí)間步長(zhǎng)以節(jié)省計(jì)算時(shí)間[4-5].

2.2 河網(wǎng)概化

桐鄉(xiāng)西部水域一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算范圍：北以漾溪港和無(wú)量橋港為界；西以老龍溪和東大河為界；東、南以京杭古運(yùn)河為界.

由于區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)河道縱橫交織，水系呈網(wǎng)狀，流向復(fù)雜，因此必須對(duì)河網(wǎng)進(jìn)行概化.河網(wǎng)概化的原則是：概化所得的河網(wǎng)必須滿足與天然河網(wǎng)輸水能力和調(diào)蓄能力相似、水面率相近.本次模擬概化過(guò)程中側(cè)重考慮對(duì)水流輸送占主導(dǎo)作用的骨干河道，也考慮了少數(shù)輸水能力較小但溝通水系的河道.模擬的主要河道有：老龍溪、東大河、十字港、京杭運(yùn)河、大東港、白米塘港、高橋港、漾溪港、長(zhǎng)洛河、德新線、德博港、橫塘港、三洞環(huán)橋港、大有橋港、無(wú)量橋港、西圣埭港、大羔羊港、小羔羊港、祝香橋港、大紅橋港、京杭古運(yùn)河等.概化后的河網(wǎng)(見(jiàn)圖2)

圖2 桐鄉(xiāng)西部水域河網(wǎng)概化示意圖

2.3 邊界條件

桐鄉(xiāng)西部水域一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型共選用了14個(gè)邊界，利用2011年1月1日至8月31日新市、塘棲、臨平下、崇福4個(gè)測(cè)站實(shí)測(cè)水位來(lái)控制河網(wǎng)邊界水位，以模擬研究范圍內(nèi)河網(wǎng)水體流動(dòng)情況.

2.4 模型率定

模型對(duì)計(jì)算斷面對(duì)應(yīng)的河段糙率系數(shù)進(jìn)行了率定，水動(dòng)力模型河道糙率取值基本上在0.015～0.03之間.

由于桐鄉(xiāng)西部水域研究范圍內(nèi)部沒(méi)有水文測(cè)站，為滿足數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證要求，在河網(wǎng)內(nèi)部德博港上設(shè)置劉皇橋臨時(shí)水位站(見(jiàn)圖1)，該站于2011年5月16日開(kāi)始觀測(cè)，同年8月31日結(jié)束觀測(cè).選擇該時(shí)間段內(nèi)劉皇橋逐日平均水位與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖3.從逐日平均水位的率定結(jié)果可以看出，劉皇橋臨時(shí)水位站點(diǎn)模型計(jì)算的逐日水位變化曲線與實(shí)測(cè)逐日水位變化曲線擬合良好，表明模型可以滿足計(jì)算要求.

圖3 劉皇橋逐日平均水位率定結(jié)果

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算工況

根據(jù)桐鄉(xiāng)西部水域2011年1月1日至8月31日的水文資料，選擇高水、中水、低水三種工況對(duì)擬取水點(diǎn)處來(lái)水進(jìn)行模擬計(jì)算.同時(shí)為充分考慮枯水年份對(duì)取水點(diǎn)的影響，選擇2003年作為典型年，計(jì)算各邊界水位處于最低狀況時(shí)的取水點(diǎn)來(lái)水情況.

方案1 高水位工況，以2011年6月份為計(jì)算時(shí)段，選取6月19日作為該方案的代表時(shí)段，各邊界站點(diǎn)的水位取同一日的日平均水位，其中新市站2.37m，崇福站2.42m，塘棲站2.64m，臨平下2.59m.

方案2 中水位工況，以2011年8月份為計(jì)算時(shí)段，選取8月20日作為該方案的代表時(shí)段，各邊界站點(diǎn)的水位取同一日的日平均水位，其中新市站1.56m，崇福站1.49m，塘棲站1.68m，臨平下1.62m.

方案3 低水位工況，以2011年4月份為計(jì)算時(shí)段，選取4月30日作為該方案的代表時(shí)段，各邊界站點(diǎn)的水位取同一日的日平均水位，其中新市站0.78m，崇福站0.75m，塘棲站0.90m，臨平下0.90m.

方案4 2003年典型年工況，分析2003年各邊界站最低逐日平均水位，選取2003年6月25日作為該方案的代表時(shí)段，各邊界站點(diǎn)的水位取同一日的日平均水位，其中新市站0.76m，崇福站0.77m，塘棲站0.78m，臨平下0.72m.

3.2 四種工況計(jì)算成果與分析

根據(jù)四種計(jì)算方案和已建立的河網(wǎng)模型，對(duì)桐鄉(xiāng)西片水源擬取水點(diǎn)處按取水規(guī)模0萬(wàn)t/d、15萬(wàn)t/d、30萬(wàn)t/d、45萬(wàn)t/d分別進(jìn)行模擬計(jì)算，分析不同情況下取水口周邊河道水流的流向及流量，結(jié)果(見(jiàn)表1).

表1 桐鄉(xiāng)西部水域不同工況下補(bǔ)給水源計(jì)算成果

(1)高水位工況

方案1在4種不同取水規(guī)模下取水點(diǎn)處水位基本不變，均處在2.46m左右，河網(wǎng)內(nèi)部東西向河道水流流向自西向東，南北向河道水流流向由南向北.由表1可知，高水位工況下取水點(diǎn)附近水量主要來(lái)自兩條河道，分別是德博港和大東港，其中德博港自西向東流，大東港由南向北而來(lái).從水量分析，不同取水規(guī)模下取水點(diǎn)附近總的流量在73.4m3/s～74.1m3/s之間，其中來(lái)自大東港水量的比例在83.8%～84.0%之間，德博港水量的比例在16.0%～16.2%.

(2)中水位工況

方案2在4種不同取水規(guī)模下取水點(diǎn)處水位基本不變，均處在1.56m左右，河網(wǎng)內(nèi)部東西向河道水流流向自西向東，南北向河道水流流向由南向北.由表1可知，中水位工況與高水為工況類似，取水點(diǎn)附近水量主要也來(lái)德博港和大東港，其中德博港自西向東流，大東港由南向北而來(lái).從水量分析，不同取水規(guī)模下取水點(diǎn)附近總的流量在27.3m3/s～27.8m3/s之間，其中來(lái)自大東港水量的比例在76.6%～76.9%之間，德博港水量的比例在23.1%～23.4%之間.

(3)低水位工況

方案3在4種不同取水規(guī)模下取水點(diǎn)處水位基本不變，均處在0.80m左右，河網(wǎng)內(nèi)部東西向河道水流流向自西向東，南北向河道水流流向由南向北.由表1可知，低水工況也前面兩種工況類似，取水點(diǎn)附近水量主要也來(lái)德博港和大東港，其中德博港自西向東流，大東港由南向北而來(lái).從水量分析，不同取水規(guī)模下取水點(diǎn)附近總的流量在19.0m3/s～19.5m3/s之間，其中來(lái)自大東港水量的比例在82.1%～82.4%之間，德博港水量的比例在17.6%～17.9%之間.

(4)2003年典型年工況

方案4在4種不同取水規(guī)模下取水點(diǎn)處水位基本不變，均處在0.75m左右，與前3種工況相比，典型年工況下河網(wǎng)水流流向相對(duì)復(fù)雜，南北向河道水流流向基本自北向南，東西向河道的水流均匯入于南北向河道.由表1可知，典型年工況下，當(dāng)不取水和取水規(guī)模為15萬(wàn)t/d時(shí)，取水點(diǎn)附近水量來(lái)自大有橋港和大紅橋港；當(dāng)取水規(guī)模為30萬(wàn)噸/日和45萬(wàn)t/d時(shí)，取水點(diǎn)附近水量來(lái)自大有橋港、大紅橋港和三環(huán)洞橋港.從流向分析，大有橋港和三環(huán)洞橋港均從北向南流，大紅橋港自東向西流.從水量分析，不同取水規(guī)模下取水點(diǎn)附近總的流量在1.0m3/s～5.2m3/s之間，當(dāng)取水規(guī)模為30 萬(wàn)t/d和45 萬(wàn)t/d時(shí)，大有橋港水量的比例在10%～45%之間，大紅橋港水量的比例在55%～90.%之間；當(dāng)取水規(guī)模為30 萬(wàn)t/d和45 萬(wàn)t/d時(shí)，三環(huán)洞橋港水量的比例在17.1%～26.9%之間，大有橋港水量的比例在44.2%～45.7%之間，大紅橋港水量的比例在28.9%～37.2%之間.

綜上所述，在四種不同方案條件下，模型計(jì)算的結(jié)果表明在不同取水規(guī)模下，取水口處的水位變化不大，均可以滿足水廠取水頭埠高程的要求.前三種方案取水口附近水量主要來(lái)自南部余杭方向來(lái)水，由南向北經(jīng)由大東港到達(dá)取水口.2003年典型年工況下，取水口附近水量主要來(lái)自北部“引江濟(jì)太”太湖來(lái)水，由北向南經(jīng)由三環(huán)洞橋港、大有橋港和大紅橋港達(dá)到取水口.

4 結(jié) 語(yǔ)

桐鄉(xiāng)西部水域河道密布，縱橫交錯(cuò)，十分復(fù)雜，利用Mike11模型軟件，建立了適合該區(qū)域的河網(wǎng)模型，率定結(jié)果表明，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合良好，計(jì)算精度可以滿足實(shí)際應(yīng)用要求.運(yùn)用建立的河網(wǎng)模型，對(duì)河網(wǎng)內(nèi)部擬設(shè)置取水口處的來(lái)水情況進(jìn)行了計(jì)算與分析，結(jié)果表明，4種不同的工況條件下，取水口處水量、水位均能滿足工程取水的要求，其中前3種方案在不同取水規(guī)模下，取水口處的水位變化不大，取水口附近水量主要來(lái)自南部余杭方向來(lái)水，由南向北經(jīng)由大東港到達(dá)取水口處；2003年典型年工況下，取水口附近水量主要來(lái)自北部“引江濟(jì)太”太湖來(lái)水，由北向南經(jīng)由三環(huán)洞橋港和大紅橋港匯集至取水口處.

[1]DanishHydraulicInstitute(DHI).MIKE11:AModellingSystemforRiversandChannelsReferenceManual[R].Compenhagen:DHI.2007.

[2] 徐祖信,李雨芯,廖振良,等.蘇州河綜合整治決策系統(tǒng)的模型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].中國(guó)給水排水,2008,24(9):72-74.

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Reliability Study on Water Intake in Plain River
Networks Based on Numerical Simulation

ZHANG Jun1, JI Zhan-sheng2, SUN Ying-hong2

(1.Jiande Hydrology and Water Resources Monitoring Station, Hangzhou 310016, China;2.Hangzhou Hydrology and Water Resources Monitoring Central Station, Hangzhou 310016, China)

In this paper, the software named MIKE11 is used to simulate unsteady flow of western plain river networks in Tongxiang, which is verified by the measured water-level data. The results show that the calculated results agree well with the measured values. Using the established model, the inflow of river water intake is calculated and analyzed. The results show that under four different working conditions, the water flow as well as the water level in water intake can meet the requirements of the project.

plain river network; hydrodynamic model; water intake; reliability research

2015-05-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51109054)

張 駿(1962-)，男，浙江建德人，工程師，從事水文水資源保護(hù)管理工作.

TV131.1

A

1008-536X(2015)09-0028-05