榕江關(guān)埠引水工程取水口設(shè)置方案分析

劉同成

（廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州 510635）

粵東地區(qū)韓江、榕江、練江水資源分配不均,開發(fā)不平衡,特別是練江流域水資源緊缺,生態(tài)流量嚴(yán)重透支,入河污染負(fù)荷遠(yuǎn)超河流自凈能力,全流域呈現(xiàn)重污染態(tài)勢,水質(zhì)整體劣于V 類,已經(jīng)嚴(yán)重影響群眾生活質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)健康發(fā)展。

由于練江流域的水環(huán)境問題,建設(shè)榕江關(guān)埠引水工程,其主要任務(wù)是針對練江、榕江水生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,在優(yōu)先實(shí)施控源截污工程和保護(hù)好榕江水資源水環(huán)境安全的前提下,實(shí)現(xiàn)榕江～練江水系連通,改善練江流域水環(huán)境污染、水生態(tài)破壞等問題,為修復(fù)和改善潮汕平原水生態(tài)環(huán)境提供有力支撐。

項(xiàng)目的取水可靠性直接涉及到項(xiàng)目投入運(yùn)行后的穩(wěn)定產(chǎn)出效率,在提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。劉樹峰針對咸潮河段展開研究,通過實(shí)測水質(zhì)資料計算驗(yàn)證了取水口的取水可靠性[2]。本文擬通過取水口設(shè)計河段標(biāo)準(zhǔn),采取MIKE21 模型,結(jié)合咸潮監(jiān)測標(biāo)定物從水量銜接、水質(zhì)可靠、河床穩(wěn)定性及咸潮影響方面提出關(guān)埠引水工程取水口設(shè)置方案,規(guī)避取水風(fēng)險,推薦取水口最優(yōu)方案。

1 研究區(qū)概況

榕江干流全長175 km,河床平均坡降0.49‰,流域面積4408 km2,多年平均徑流量61.4 億m3。榕江關(guān)埠補(bǔ)水工程取水水源為榕江,設(shè)計取水流量20 m3/s,取水口擬定于榕江關(guān)埠段附近,采用埋管輸水+隧洞,交水至練江上游流沙新河匯合口處河段。工程輸水線路布置見圖1。

圖1 關(guān)埠引水工程總體布置

2 模型建立及方案設(shè)置

2.1 控制方程

MIKE21 水動力模型的控制方程為基于Boussinesq 假定和流體靜壓假定的二維不可壓雷諾平均N-S 方程,即淺水方程?？刂品匠探M采用平面二維非恒定流方程組,見式（1）～式（3）。

式中：x、y 和t 分別為空間、時間坐標(biāo)；h 為水深；U、V 分別為x、y 方向流速；z 為水位；g 為重力加速；u、v 分別為垂線平均流速在x、y 方向的分量；c 為謝才系數(shù)；vt為紊動粘性系數(shù)；n 為曼寧糙率系數(shù)。

2.2 方案設(shè)置

本工程取水口可選擇的范圍主要有三個河段,北河河段、南河河段及榕江干流河段,三個河段分布見圖2。

圖2 取水口所在河段分布

2.2.1 方案1

取水口位于南河河段,距離南北河交匯口上游約4.9 km處,引水管線自北向南從取水口引出,以盡量避開現(xiàn)狀房屋為原則布置,沿線穿過溝頭村、大聯(lián)村等村落后進(jìn)入南側(cè)的加壓泵站前池,來流經(jīng)泵站加壓至位于山腰的高位水池,輸水隧洞自高位水池引出,沿山脊自東向西延伸至馬湖村附近山脈后折向西南,從北山村山腳的北坑水庫附近進(jìn)入出水池,經(jīng)過出水池分水至兩條輸水明渠,最終匯入練江。其中,引水管道長約2.83 km,輸水隧洞全長約27.86 km。經(jīng)水力計算,加壓泵站揚(yáng)程為42 m,裝機(jī)容量10800 kW。

2.2.2 方案2

取水口位于榕江干流河段,距離南北河交匯口下游約1.1 km 處,引水管線從取水口沿西南向引出,以盡量避開現(xiàn)狀房屋為原則布置,沿線穿過下港村、埔上村、東湖村、竹橋村等村落后進(jìn)入南側(cè)的加壓泵站前池,來流經(jīng)泵站加壓至位于山腰的高位水池,輸水隧洞自高位水池引出,沿山脊自東向西延伸約5.6 km 后與方案1 輸水線路布置相同。其中引水管道長約7.23 km,輸水隧洞全長約29.59 km。經(jīng)水力計算,加壓泵站揚(yáng)程為45 m,裝機(jī)容量11540 kW。

2.2.3 方案3

取水口位于南河河段距離南北河交匯口上游約3.8 km處,距離京浦碼頭下游約170 m,引水盾構(gòu)管道從取水口引出自北向南輸水,引水線路基本沿現(xiàn)有道路底部布置,沿線穿過新榮村、灶市村、東倉村、波頭村等村落后自流進(jìn)入南側(cè)山腳的加壓泵站前池,然后通過加壓泵站加壓至位于南側(cè)山坡上的高位水池,輸水隧洞從高位水池引出,沿山脊自東向西延伸至馬湖村附近山脈后折向西南,從普寧市北山村山腳的北坑水庫附近進(jìn)入出水池,之后經(jīng)出水池溢流堰分水至北山村輸水明渠和北山東輸水渠,最終匯入練江。其中,引水管道長約3.85 km,輸水隧洞全長約27.71 km。經(jīng)水力計算,加壓泵站揚(yáng)程為42 m,裝機(jī)容量10800 kW。

2.3 設(shè)置方案分析

（1）取水條件比較

由于取水口區(qū)域均為趕潮河段,取水口均垂直岸線布置,進(jìn)水條件相當(dāng)；從水下河床地形分布來看,取水口1 部位為常年沖刷段,河床基本穩(wěn)定,方案2 取水口部位分布有小范圍灘地,有輕微淤積現(xiàn)象,方案3 位于河道相對順直部位,河床基本穩(wěn)定。因此取水條件來看方案1 略優(yōu)。

（2）可取水量比較

榕江下游段由于河口并未設(shè)閘,受外海潮汐頂托閘下河段呈往復(fù)流,水位變化較大,大量余水直接排入外海,并未得到充分利用。由于此處受外海潮位的頂托作用,猶如形成天然湖庫,通過MIKE21 建立水動力模型,分析兩處位置可取水量的情況。

模型范圍為榕江南河三洲閘至牛田洋出海口長度約為70 km。榕江共設(shè)置180 個斷面,間距約為500 m～1000 m。

邊界條件：上邊界為流量,下邊界為潮位。上邊界位于榕江南河三洲閘,下邊界位于榕江河口。榕江北河在南北河交匯點(diǎn)以點(diǎn)源方式匯入。榕江南河及北河流量分別是扣除上游近遠(yuǎn)期用水后的下泄水量,榕江河口采用媽嶼站逐日潮位系列。

建立牛田洋-榕江三洲閘的一維水動力模型,以上游榕江南北河的下泄余水、韓江鹿湖隧洞引水工程引水量和媽嶼站的潮汐變化作為模型邊界條件,以此計算在潮動力作用下工程的可取水量。

以設(shè)計取水規(guī)模為20 m3/s 的前提下進(jìn)行可引水量對比分析,模型長系列計算結(jié)果見表1。結(jié)果表明,由于下游潮汐的頂托作用,三個取水口處的可引水量基本保持一致。

表1 不同取水口工程平均可取水量成果表

（3）取水口處流場影響

選取平水時段作工程后取水口處二維漲落潮流場圖。方案1 取水口處流場：方案1 取水口處河道地形見圖3,漲落潮流場圖見圖4 和圖5。從流場圖可以看出,工程取水對河道主流流向基本沒有影響,流向基本平行于河道中心線,取水口處取水不影響通航安全。

圖3 方案1 取水口處河道地形圖

圖4 方案1 取水口處落急流場圖

圖5 方案1 取水口處漲急流場圖

方案2 取水口處流場：方案2 取水口處河道地形見圖6,漲落潮流場圖見圖7 和圖8。從流場圖可以看出,工程取水對河道主流流向基本沒有影響,流向基本平行于河道中心線,取水口處取水不影響通航安全。

圖6 方案2 取水口處河道地形圖

圖7 方案2 取水口處落急流場圖

圖8 方案2 取水口處漲急流場圖

方案3 取水口處流場：方案3 取水口處河道地形見圖9,漲落潮流場圖見圖10 和圖11。從流場圖可以看出,工程取水對河道主流流向基本沒有影響,流向基本平行于河道中心線,取水口處取水不影響通航安全。

圖9 方案3 取水口處河道地形圖

圖10 方案3 取水口處落急流場圖

圖11 方案3 取水口處漲急流場圖

（4）咸潮因素影響

為了解榕江下游的咸潮上溯情況,選擇平水期大潮期開展榕江鹽度監(jiān)測,監(jiān)測點(diǎn)位見圖12。監(jiān)測方法為定點(diǎn)布設(shè)YSI6600 和YSI6920 自動水質(zhì)儀器,監(jiān)測項(xiàng)目包括水溫、電導(dǎo)率、鹽度（Salinity,psu),監(jiān)測頻率為1 h/次。研究采用式（4）將所測鹽度轉(zhuǎn)換為氯化物濃度進(jìn)行分析：

圖12 榕江流域監(jiān)測點(diǎn)位分布圖

各斷面氯化物濃度變化特征見表2。由表可知關(guān)埠引水工程取水點(diǎn)位于榕江南河下游,監(jiān)測期間氯化物濃度變化范圍為66.4 mg/L～188.2 mg/L,呈現(xiàn)與潮汐漲落相同的變化規(guī)律,即漲潮時受咸潮頂托作用氯化物濃度略有上升、落潮時受上游沖淡水影響氯化物濃度迅速下降；監(jiān)測期間均達(dá)到農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（氯化物≤250 mg/L）,表明咸潮基本不會影響到關(guān)埠引水點(diǎn)；監(jiān)測期間位于上游的東湖、潮水溪引水點(diǎn)、龍石等斷面的氯化物濃度基本不變,可認(rèn)為均為淡水；地都斷面距離榕江出?？诩s35 km,監(jiān)測期間氯化物濃度變化范圍為215.9 mg/L～4494.8 mg/L,均超過農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（氯化物≤250 mg/L）,表明咸潮對地都斷面影響明顯。取水點(diǎn)越往上游受咸潮的影響越小,因此,方案1 取水點(diǎn)受咸潮影響較小,有利于引水。

表2 榕江下游氯化物濃度變化特征

3 結(jié)論

本研究建立了榕江南河三洲閘至牛田洋出?？贛IKE21模型,模擬了設(shè)計取水規(guī)模為20 m3/s 下的可引水量及取水口流場分布,同時將監(jiān)測鹽度轉(zhuǎn)換為氯化物濃度進(jìn)行咸潮影響分析。分析結(jié)果能夠?yàn)楣こ毯侠碓O(shè)計,部門決策提供依據(jù)。得出如下主要結(jié)論：

（1）幾個方案取水條件相當(dāng),但方案1 和方案3 具有水質(zhì)相對較好、不受咸潮影響、輸水線路較短、泵站裝機(jī)容量小、工程地質(zhì)條件較好、征地條件、施工條件較好以及工程投資省的優(yōu)點(diǎn)。

（2）方案1 雖然投資較小,但引水盾構(gòu)管道和地方規(guī)劃有所沖突。方案3 雖然投資較方案1 略有增加,但線路外部征地條件簡單,更容易實(shí)施,因此推薦方案3。