九圩港提水泵站工程水文計(jì)算分析

王 偉，吳建偉，印卓偉，盧慧敏

(1.南通市九圩港水利工程管理所，江蘇 南通 226000；2.南通市通呂運(yùn)河水利工程管理所，江蘇 南通 226000)

南通市通南地區(qū)濱江臨海，經(jīng)多年治理已形成以骨干河道自流引江供水的調(diào)水工程體系，近年來(lái)大規(guī)模灘涂開(kāi)發(fā)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)淡水資源的需求明顯增加，加之受長(zhǎng)江潮位影響，僅靠自流引江已不能滿足水資源供給需求，位于引江供水末梢的如東、海安缺水尤為明顯。為此，實(shí)施《江蘇沿海地區(qū)水利建設(shè)三年實(shí)施方案》，建設(shè)九圩港泵站向沿海南部灘涂集中開(kāi)發(fā)區(qū)輸送淡水資源，對(duì)緩解通南地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉高峰期用水緊張現(xiàn)狀具有重要意義。

1 流域概況

1.1 自然概況

南通地區(qū)處于長(zhǎng)江、黃海交匯處，由長(zhǎng)江北岸古沙嘴不斷發(fā)育、合并若干沙洲而成，屬長(zhǎng)江三角洲沖積平原區(qū)，地勢(shì)低平，地表起伏甚微，土地總面積8001km2。老通揚(yáng)運(yùn)河接如泰運(yùn)河到沿海出口以南為長(zhǎng)江流域，流域面積5748.68km2；以北為淮河流域，流域面積2251.97km2。斗南地區(qū)自南向北緩慢傾斜，地面高程在2～5m；通南地區(qū)自西北向東南傾斜，其中以粉砂、極細(xì)砂為主的高沙土區(qū)地面高程在4～6m，局部高亢地帶6m以上，以粉質(zhì)壤土為主的沿江圩區(qū)地面高程在2.5～4m。

南通地區(qū)位于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨熱同季，災(zāi)害性天氣頻發(fā)，海洋性氣候明顯。區(qū)域年際降水量不平衡，年內(nèi)季節(jié)分配不均勻，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。多年平均氣溫15.1℃，多年平均日照時(shí)間2100h，年相對(duì)濕度80%，年均蒸發(fā)量1400mm，年均無(wú)霜期203d；常年多偏東風(fēng)，多年平均風(fēng)速3.4m/s。

1.2 水資源概況

南通地區(qū)地表徑流少，攔蓄能力低，水資源利用主要依靠引江補(bǔ)充，水量受長(zhǎng)江來(lái)水量和潮位限制。長(zhǎng)江來(lái)水量年際變化差異很大，年內(nèi)分配不均，汛期非汛期水量差異明顯；長(zhǎng)江如遇長(zhǎng)歷時(shí)少雨干旱，潮位長(zhǎng)時(shí)間較低無(wú)法引水，易發(fā)生時(shí)段性嚴(yán)重缺水。

長(zhǎng)江南通段自靖江與如皋交界起至入?？谌L(zhǎng)167.3km，共布設(shè)15個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，除啟東港、南通港近岸水質(zhì)較差，常檢測(cè)為Ⅳ類外，其余斷面均為Ⅱ-Ⅲ類水，沿線水質(zhì)總體較好。南通地區(qū)內(nèi)河地表水共布設(shè)46個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，水質(zhì)以Ⅲ-Ⅳ類水質(zhì)為主，局部河段水質(zhì)較差為Ⅴ至劣Ⅴ類。

2 需水量預(yù)測(cè)分析

規(guī)劃供水范圍為南通市通南、斗南及沿海港區(qū)、港城和灘涂圍墾開(kāi)發(fā)區(qū)域。根據(jù)南通市沿海地區(qū)需水量分析成果及分旬需水量過(guò)程，按照規(guī)劃供水范圍內(nèi)的工業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)田面積、居民人口等與全市的比例，拆算規(guī)劃供水范圍內(nèi)的需水量。

2.1 需水量預(yù)測(cè)方法與定額

2.1.1農(nóng)業(yè)需水量

農(nóng)業(yè)需水量采用定額法計(jì)算。根據(jù)沿海灘涂圍墾開(kāi)發(fā)規(guī)劃，區(qū)域現(xiàn)有耕地533.67萬(wàn)畝，其中水田430.03萬(wàn)畝、旱地103.64萬(wàn)畝；灘涂圍墾耕地59.76萬(wàn)畝，其中水田47.81萬(wàn)畝、旱地11.95萬(wàn)畝；總面積593.43萬(wàn)畝。灌溉水利用系數(shù)按灌溉期內(nèi)灌溉面積上不包括深層滲漏與田間流失的實(shí)際有效利用水量與渠首進(jìn)水總量之比，計(jì)算取為0.65。根據(jù)不同類型農(nóng)田灌溉凈定額及灌溉水利用系數(shù)，計(jì)算農(nóng)田灌溉毛定額，P=50%情況下水田625m3/畝、旱地62m3/畝；P=75%情況下水田744m3/畝、旱地86m3/畝；P=95%情況下水田960m3/畝、旱地97m3/畝；沿海地區(qū)林果灌溉取水定額80m3/畝、漁塘補(bǔ)水定額666m3/畝、大小牲畜取水定額50m3/畝、2m3/畝。[4]

2.1.2工業(yè)需水量

一般工業(yè)需水量采用取水定額法預(yù)測(cè)，根據(jù)省工業(yè)取水定額標(biāo)準(zhǔn)，為16m3/萬(wàn)元；火(核)電工業(yè)需水量，采用單位kW裝機(jī)取水量法預(yù)測(cè)，根據(jù)國(guó)家經(jīng)貿(mào)委及省電力工業(yè)取水定額綜合確定，為15m3/kW。

2.1.3生活需水量

生活需水按城鎮(zhèn)和農(nóng)村分別計(jì)算，其中城鎮(zhèn)生活需水包括城鎮(zhèn)居民家庭生活需水、建筑業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境等城鎮(zhèn)公共生活需水；農(nóng)村生活需水僅指農(nóng)村居民家庭生活需水，根據(jù)人口發(fā)展指標(biāo)和對(duì)應(yīng)的用水定額進(jìn)行推算，并依據(jù)近30年生活用水基礎(chǔ)資料及其變化采用增長(zhǎng)趨勢(shì)法分析。根據(jù)省城鎮(zhèn)生活取水定額標(biāo)準(zhǔn)，城鎮(zhèn)生活取水定額256L/人·日、城鎮(zhèn)居民生活取水定額163L/人·日；農(nóng)村居民生活取水定額125L/人·日。

2.1.4生態(tài)需水量

河道外生態(tài)環(huán)境用水分為城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境美化和其他生態(tài)環(huán)境建設(shè)用水等，沿海地區(qū)僅考慮城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境需水及河湖濕地生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水，城鎮(zhèn)綠化用水采用定額預(yù)測(cè)方法；濕地、城鎮(zhèn)河湖補(bǔ)水以規(guī)劃水面蒸發(fā)量與降水量差額確定。

2.2 需水量預(yù)測(cè)成果

規(guī)劃供水區(qū)總需水量包括農(nóng)業(yè)需水量、工業(yè)需水量、生活需水量、生態(tài)環(huán)境需水量等，增加的需水量主要是灘涂圍墾開(kāi)發(fā)新增用水，根據(jù)供水區(qū)需水量預(yù)測(cè)分析成果及分旬需水量，拆算規(guī)劃供水區(qū)灌溉高峰期需水流量。計(jì)算成果見(jiàn)表1—2。

表1 規(guī)劃供水區(qū)5月下旬—6月中旬總需水量表

表2 規(guī)劃供水區(qū)5月下旬—6月中旬需水流量表

3 工程水文計(jì)算

工程水位主要考慮長(zhǎng)江潮位對(duì)工程區(qū)影響，特別是是5—6月農(nóng)業(yè)用水最高峰期間潮位高低而影響自流引江能力和7—8月高潮位頂托對(duì)自排入江入海泄量影響，主要采用焦港閘、碾砣港閘、九圩港閘、南通閘等站逐日水位資料；潮位主要采用天生港逐日潮位資料，采用焦港、江陰站潮位資料插補(bǔ)，資料系列為1970—2018年。

3.1 基本特征值

南通地區(qū)內(nèi)河正常水位一般在1.8～2.5m，局部地區(qū)在1.1～1.6m。長(zhǎng)江潮汐據(jù)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，平均漲潮歷時(shí)3h56min，平均落潮歷時(shí)8h30min。

長(zhǎng)江干流徑流以大通水文站為代表站，歷年最大洪峰流量92600m3/s，歷年最小枯水流量4620m3/s，多年平均流量28630m3/s，多年平均徑流量8940億m3，多年平均輸沙率14410kg/s，多年平均含沙量0.52kg/m3，多年平均年輸沙量4.3億t。

3.2 水文分析

長(zhǎng)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年逐日實(shí)測(cè)潮位，統(tǒng)計(jì)5月下旬、6月上旬、6月中旬平均潮位，分別進(jìn)行頻率分析；對(duì)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)分別進(jìn)行頻率分析，成果見(jiàn)表3。

表3 長(zhǎng)江平均高潮位、日最低潮位頻率分析成果表

3.3 泵站特征水位

由于天生港潮位站位于九圩港下游2km處，兩處潮位可近似認(rèn)為一致，因此九圩港站長(zhǎng)江側(cè)設(shè)計(jì)水位直接采用天生港逐日潮位資料分析，泵站抽水期考慮潮位較低的10月至次年6月，泵站運(yùn)行特征水位分析如下。

根據(jù)GB 50265—2022《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》，從感潮河口取水時(shí)，進(jìn)水池設(shè)計(jì)運(yùn)行水位應(yīng)按灌溉期多年平均最高潮位和最低潮位的平均值確定。長(zhǎng)江口潮水屬不規(guī)則半日潮，一般情況下每天有兩高兩低4個(gè)特征潮位，當(dāng)長(zhǎng)江高潮位滿足自流引水條件時(shí)，開(kāi)閘自流引水；當(dāng)長(zhǎng)江潮位降低不能自流引水時(shí)，關(guān)閘并開(kāi)啟泵站抽水，因此泵站運(yùn)行時(shí)的長(zhǎng)江高潮位往往低于日最高潮位。最低運(yùn)行水位應(yīng)取灌溉期水源保證率95%～97%的日最低潮位，九圩港泵站運(yùn)行時(shí)段主要集中在冬春期和灌溉高峰期，冬春期雖然需水量較小，但長(zhǎng)江潮位處全年最低時(shí)段，此時(shí)泵站運(yùn)行機(jī)率較大，一般不需全部開(kāi)機(jī)；灌溉高峰期長(zhǎng)江潮位相對(duì)冬春期略有抬高，但需水量大，泵站運(yùn)行機(jī)率較大，全部開(kāi)機(jī)的機(jī)率也大。考慮到上游規(guī)劃工情變化可能引起長(zhǎng)江潮位的降低，為泵站運(yùn)行留有一定余地，最低運(yùn)行水位采用歷年冬春期水源保證率為95%的日最低潮位。

3.3.1長(zhǎng)江側(cè)(進(jìn)水側(cè))

九圩港閘關(guān)閘時(shí)潮位未進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，據(jù)分析，關(guān)閘時(shí)潮位略高于開(kāi)閘時(shí)潮位，并低于日最高潮位，出于泵站功率冗余考慮，關(guān)閘開(kāi)啟泵站時(shí)平均潮位采用開(kāi)閘時(shí)平均潮位。九圩港閘開(kāi)閘時(shí)多年平均潮位2.12m，抽水期歷年最低潮位平均值-0.69m，平均值0.72m。歷年冬春期水源保證率為95%的日最低潮位-1.01m，灌溉高峰期水源保證率為95%的日最低潮位-0.51m。歷史最低潮位-1.32m，歷史最高潮位5.34m；100年一遇高潮位5.46m，300年一遇高潮位5.87m。

3.3.2內(nèi)河側(cè)(出水側(cè))

正常水位1.8～2.5m，歷史最高水位3.83m，歷史最低水位0.23m；最高出水水位2.80m，同汛期警戒水位；規(guī)劃通航水位九圩港閘上最高3.81m、最低1.16m，閘下最高4.84m、最低-0.70m。

3.3.3施工期水位

采用天生港實(shí)測(cè)潮位資料，按歷年最高洪水頻率分析，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)；按歷年10月至次年6月最高潮位并進(jìn)行頻率分析，10年一遇洪(潮)水位3.69m，20年一遇洪(潮)水位3.75m。

4 模型驗(yàn)證

為分析通南河網(wǎng)向東臺(tái)灘涂地區(qū)供水可行性，建立區(qū)域水動(dòng)力模型，并對(duì)九圩港閘、站計(jì)算成果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)。

4.1 河網(wǎng)概化

南通市通南、斗南和東臺(tái)市川東港以南地區(qū)河網(wǎng)縱橫，為便于計(jì)算，將區(qū)域內(nèi)河道進(jìn)行概化構(gòu)建水動(dòng)力模型，將對(duì)水動(dòng)力計(jì)算成果影響微小的河道簡(jiǎn)化處理，將簡(jiǎn)化河道斷面面積合并到與其臨近的同向輸水骨干河道，骨干河道斷面相應(yīng)擴(kuò)大，確保概化后的河道輸水能力與河網(wǎng)實(shí)際輸水能力基本一致。河網(wǎng)概化如圖1所示，共34條主要河道參與水動(dòng)力演算。

圖1 河網(wǎng)模型河道、建筑物概化簡(jiǎn)圖

4.2 邊界條件

根據(jù)《江蘇省水文手冊(cè)》，采用長(zhǎng)江天生港代表站灌溉潮型過(guò)程線，作為沿江口門設(shè)計(jì)潮型過(guò)程線，見(jiàn)表4。

表4 天生港代表站灌溉潮型過(guò)程線(P=95%低潮位)

沿江焦港閘、如皋港閘、碾砣港閘、九圩港閘和南通閘5處引水口門位于長(zhǎng)江江陰、天生港兩個(gè)潮位站之間，根據(jù)江陰站、天生港站逐日兩高、兩低潮位，內(nèi)插得出5處引水口門逐日兩高、兩低潮位；根據(jù)天生港代表站灌溉潮型過(guò)程線，概化出5處引水口門設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線。當(dāng)長(zhǎng)江潮位高于內(nèi)河水位時(shí)，開(kāi)閘自流引水；當(dāng)長(zhǎng)江潮位低于內(nèi)河水位時(shí)，關(guān)閉閘門同時(shí)開(kāi)機(jī)抽水。

區(qū)域內(nèi)南通、東臺(tái)兩片間現(xiàn)狀僅由丁堡河連通、丁堡閘控制，引水流量不大于10m3/s，規(guī)劃兩片由丁堡河和新開(kāi)挖河道連通。對(duì)于向沿海灘涂、里下河、東臺(tái)斗南地區(qū)供水的口門，根據(jù)規(guī)劃的用水水位要求進(jìn)行控制，當(dāng)閘上水位高于規(guī)劃的用水水位時(shí)開(kāi)閘供水，反之則關(guān)閘停止供水。具體為焦港北閘閘上水位高于1.4m，向里下河地區(qū)補(bǔ)水；大洋港閘、團(tuán)結(jié)港閘、遙望港閘上水位高于1.2m、東安閘、掘苴閘上水位高于1.3m，小洋口閘、北凌(新)閘上水位高于1.4m時(shí)，開(kāi)閘向沿海灘涂供水。

4.3 模型率定與驗(yàn)證

南通市骨干河道以河槽為主，邊灘較小，河網(wǎng)引輸水時(shí)以河槽引輸水為主，水深大多在2.5～4.5m，分析擬定河槽綜合糙率為0.0225。6月上、中旬為用水高峰期，且長(zhǎng)江潮位相對(duì)偏低，易發(fā)生用水緊張，因此模型計(jì)算時(shí)段確定為設(shè)計(jì)典型年5月下旬—6月中旬。以6月上旬為例，分別對(duì)沿江口門引江水量、流量和主要站點(diǎn)水位計(jì)算與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)，成果見(jiàn)表5。

表5 九圩港閘、站引江水量、流量和水位計(jì)算與實(shí)測(cè)值對(duì)比表

可知，九圩港閘引江水量、平均流量模型計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果在旬平均值方面非常接近，但逐日成果差距較大，其原因?yàn)?，根?jù)實(shí)際運(yùn)行情況和實(shí)測(cè)資料，當(dāng)日兩個(gè)高潮期均可以開(kāi)閘引水情況下，該閘僅有一個(gè)高潮期開(kāi)閘引水，便可滿足水量要求，因此較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)引水總量、平均流量誤差很小，但短時(shí)段內(nèi)誤差較大。水位計(jì)算與實(shí)測(cè)值相差很小。對(duì)評(píng)價(jià)供水規(guī)?？尚行远?，短時(shí)段誤差意義不大，長(zhǎng)時(shí)段數(shù)據(jù)擬合程度更為重要，可以認(rèn)為通南河網(wǎng)向東臺(tái)灘涂地區(qū)供水可行。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用受水區(qū)需水量、潮位頻率、泵站特征水位等計(jì)算成果分析對(duì)比，得出了九圩港提水泵站工程規(guī)模合理、供水量可行的結(jié)論。建立區(qū)域河網(wǎng)水動(dòng)力模型對(duì)引水量、流量和水位成果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)供水規(guī)模的合理性驗(yàn)證具有很強(qiáng)的支撐意義。

該研究尚有一定不足，在需水量主要采用定額法計(jì)算，考慮其數(shù)量基數(shù)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和參數(shù)指導(dǎo)性均有一定缺陷，由此得到的需水量預(yù)測(cè)成果可能存在較大誤差，可將其與近年來(lái)實(shí)際用水量統(tǒng)計(jì)成果進(jìn)行規(guī)律分析驗(yàn)證；在水動(dòng)力模型率定和驗(yàn)證方面，模型概化程度較高，后續(xù)可將模型由骨干河道下放，并分段、分河選取計(jì)算參數(shù)。通過(guò)這些方法，能夠得到更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果。