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年月水利学报第卷第期收稿日期作者简介韩曾萃男湖北武汉人教授级高级工程师主要从事河口整治开发河口泥沙运动盐水入侵以及水环境等研究文章编号强潮河口环境和生态需水及其计算方法韩曾萃尤爱菊徐有成朱元 浙江省水利河口研究院浙江杭州河海大学水资源环境学院江苏南京摘要针对钱塘江河口以海域来沙为主的强潮河口特点提出其环境和生态需水包括维持河口冲淤平衡需水防止河口咸水入侵需水维持河口水功能区水质达标需水及昀小生态需水研究了各部分需水的计算方法在一定计算条件下给出了定量的计算结果根据分时段考虑原则兼容性原则和区域性原则对环境和生态需水的综合计算方法进行了探讨研究表明钱塘江河口环境和生态需水年总量主要由维持河口冲淤平衡需水决定占多年平均来水量的而年内不同时期需水的主要控制因素不同并随计算条件发生转化关键词钱塘江河口环境和生态需水计算方法计算指标原则中图分类号文献标识码近年来河流环境和生态需水逐渐引起重视并得到研究但对河口的相关研究较少随着社会经济的迅猛发展水资源利用强度快速增加对河口环境和生态的影响和压力愈加突出已有许多经验教训如美国科罗拉多河上修建的大型水库群使入海径流减少了造成沼泽地干枯水质恶化珍稀海洋物种濒临死亡埃及尼罗河上的阿斯旺大坝修建后减少入海径流造成河口咸水入侵加剧渔种减少?浙江省的永宁江上修建的长潭水库引走的径流使永宁江河口发生自上而下的淤积行洪断面减少航运能力丧失因此河口环境和生态需水的准确计算关系到河口环境和生态的稳定流域水资源可利用率的合理确定及河口地区的取水防洪排涝安全本文基于钱塘江河口的研究探讨海域来沙为主的强潮河口的环境和生态需水及其计算方法强潮河口环境和生态需水涵义及其组成什么是生态需水什么是环境需水迄今无统一认识参照文献前者可认为是维持生物生存的需水后者指满足人类生存环境质量及其保护与改善的需水本文对两方面都有涉及暂称为环境和生态需水对于环境和生态需水国内外学者从不同的研究对象目的和角度出发有不同的观点分类和研究方法也不同在中国大都以人为主体环境需水被看作是满足水质改善生态和谐与环境美化目标的水资源需求河口是一个相对独立的水环境和生态系统系统内的水量水质和生物三者相互联系制约其环境和生态需水系指维持河口正常环境和生态功能所必需的水资源浙江省大多为强潮海域来沙为主的河口河口冲淤变化和盐水入侵剧烈直接影响河口地区的防洪和供水安全为此提出了如下的环境和生态需水组成及涵义维护河口泥沙冲淤平衡需水由于浅水摩阻力效应导致进入河口的潮波变形涨潮历时减小落潮历时增加故涨潮的流速含沙量大于落潮的流速含沙量如钱塘江河口的七堡闸口两站涨落潮含沙量比值为即涨潮携带的泥沙有落淤表现为河口的下冲上淤洪水期间径流增大加大了落潮流量流速和历时挟沙能力也加大表现为上冲下淤如此维持河口河床全年或年际的动态平衡如陆域无充足的水量冲刷枯季淤积的河道河口昀终必然是自上而下逐步淤积昀终消亡因此对海域来沙为主的河口径流起到维持河口生命的重要作用防止咸水入侵需水在潮流径流两种动力作用下河口沿程的盐度分布处于动态平衡若进入河口的淡水径流减少势必改变河口咸淡水的天然分布影响河口两岸城市生活工业和农业灌溉用水如上海市杭州市珠江三角洲等地每遇枯水大潮期因取水口的江水含氯度超过取水标准而造成取水困难和经济损失因此需要一定的径流稀释上溯的咸水以保证河口区的供水安全维持河口水功能区水质达标需水流域上游及河口地区即使是达标排放的污染物若进入河口的总量较大仍需要一定的径流维持河口的污染稀释能力以保证水功能区的水质要求河口最小生态需水河口系统中天然和人工养殖动植物用水两岸地下水的入渗补给水量以及滩地潮间带水生生物栖息所需的水量合称为河口昀小生态需水上述河口系统的需水是按功能划分的其中维持冲淤平衡需水防止咸水入侵需水是以保障人的防洪安全和供水安全出发的维持河口水功能区水质达标需水兼顾了人类用水和生物生存对水质的要求河口昀小生态需水则是为保障生物的基本生存条件此外河口通航和湿地也会对径流提出一定要求但实际上河口段河床冲淤变化及潮汐强弱带来的水深变化远大于现有径流增减带来的影响以钱塘江杭州以上长的通航河段为例径流变化?对水位只有的影响而潮汐大小带来的水位变幅可达对杭州以下的潮间带湿地径流对其水位的作用则更小因此对通航和湿地需水在此不单独提出要求强潮河口环境和生态需水计算方法及结果河口环境和生态需水相当复杂目前还缺乏公认的确定方法或标准本文结合钱塘江河口实际情况和多年的研究积累给出各需水组成的计算方法和相应结果维持河口泥沙冲淤平衡需水河口断面大小是流域来水来沙海域来水来沙长期动态平衡的结果无论是长历时或短历时的流域来水减少都会使河口产生淤积从而对河口地区的防洪排涝及航运等产生影响因此维持河口的泥沙冲淤平衡需水是河口需水研究的首要内容维持河口泥沙冲淤平衡需水的计算方法目前研究这类问题可采用的方法有种河相关系法动床数值模拟和实测资料统计模型种手段各有优缺点可根据实际情况选择一种或多种研究手段进行相互印证河相关系法河相关系法主要用来预测径流开发后河口的昀终平衡状态虽不能模拟河口冲淤变化过程但计算方法简单并可推广应用于无资料河口窦国仁首次根据落潮潮量落潮含沙量及河床颗粒特征建立了河口的河相关系韩曾萃通过研究国内外余条河口的上中下个断面建立了落潮平均流量落潮平均含沙量与半潮水位以下断面面积宽度水深之间的河相关系式中为半潮水位下的面积河宽和水深为包含径流的落潮平均流量为落潮平均含沙量为区分涨潮量与径流对塑造河口断面形态上的差异根据涨落潮输沙平衡原理推得径流与落潮流量的关系为??式中为涨落潮半潮水位下的面积水深及其含沙量的比值?是落潮涨潮历时比值反映潮波变形的重要参数为一个潮历时为入海的年平均径流量将式代入式并逐项进行全微分忽略含沙量的变化幂项较小得到式中式说明径流的减小将使半潮水位下的面积河宽水深以相同的百分数乘以减少采用式验证永宁江建长潭水库的淤积结果见表实测面积昀终减少河相关系法计算结果为二者吻合表永宁江河口实测与计算淤积量对比断面位置潮际山头舟黄岩老道头流域面积?建库前径流??建库后径流??径流减少率?面积减少百分率实测值计算值动床数值模拟动床数值模型对短期冲淤变化的模拟能保证一定精度但其时间步长通常以秒计进行长系列计算工作量太大且累积误差难以控制故采用本方法补充实测资料中缺乏的特殊水情的相关点据闸口至盐官的河段对径流的丰枯变化冲淤敏感决定钱塘江河口的防洪形势该河段缩窄整治已经到位可用一维模型描述其冲淤变化水流连续方程动量连续方程悬沙输移方程河床变形方程式中分别是断面的面积流量流速和河宽分别为含沙量和挟沙能力为泥沙的容重为河底高程分别为底部与垂线平均含沙量及挟沙能力的比值采用有限差分法对式求解该河段的淤积冲刷验证见表其昀大误差在以内基本能反映径流的丰枯变化对河床冲淤的影响实测资料统计方法统计法以实测资料为依据简单可靠但需要大量实测的地形水文资料这在许多河口不能实现而钱塘江河口从世纪年代至今每年都有月汛前月汛后月大潮后次江道地形图为本项研究提供了良好的基础选用世纪年代至今的有关实测资料个点据同时通过数值模拟计算插补了特殊枯水年的相关点据个点据得到相应个月吴淞以下的河床冲淤量相应个月的平均流量及闸口至盐官吴淞以下的初始河床释积系列其相关关系见式复相关系数采用式对钱塘江河口实际江道容积的复演计算见图本方法的优点是可以计算与径流相对应的不同时期不同水文年的河床变化全过程表钱塘江河口的二次冲淤验证单位亿河段名称淤积验证年月年月冲刷验证年月年月初始值实测值计算值初始值实测值计算值闸口七堡七堡仓前仓前盐官闸口盐官图实测和计算河道容积比较维持河口泥沙冲淤平衡需水的确定以年钱塘江年的径流系列为基础采用式计算径流它引河口的规划用水大部分不能回归到河口段故称它引条件下的河床容积系列特征值见表同时采用式的河相关系法计算引水后的河床昀终平衡断面与按式计算的多年平均容积接近从计算结果可见径流它引必然会造成河口一定程度的淤积且引水量越大淤积量也越多对河口区防洪标准的影响也将越大引水带来的河口淤积情况不仅与总引水量有关还与其年内分配有关丰水期多引枯水期少引对河口淤积的不利影响相对较小枯水期多引丰水期少引带来的不利影响相对较大本次按均匀引水考虑表不同引水条件下的多年年特征值计算方法特征容积?亿现状引水引水引水引水引水多年昀大统计法多年昀小多年平均河相关系法多年平均在确定维持河口泥沙冲淤平衡的需水时首先需要考虑径流减少带来的河道淤积是否在现有防洪能力的承受范围之内以钱塘江河口为例在平均江道和不利江道情况下堤防分别有的安全超高由表知引水以上昀小河床容积将比现状减少亿抬高洪水位将达以上对现状防洪而言是不可承受的引水情况下昀小容积淤积量减少亿经计算设计洪水位抬升值小于对现状防洪安全而言是可承受的因此钱塘江河口的多年平均昀大可利用水资源量确定为水资源总量的通过逐年分季计算各种引水情况得到满足上述控制指标的年内分期所需流量汛期月中旬昀小?的流量冲刷前期淤积的江道非汛期昀小?的流量防止河口淤积太大防止河口咸水入侵的需水钱塘江为强潮河口咸淡水沿垂线和平面掺混均匀可采用一维咸水入侵模型模拟一维咸水入侵模型一维咸水入侵计算的控制方程组包括水流连续方程动量连续方程及氯度的对流扩散方程如下水流连续方程动量连续方程对流扩散方程式中为断面平均氯度为扩散系数钱塘江河口沿程设有个潮位盐度观测站开展咸水入侵数值预报至今已有多年上述模型经过了大量的实测资料检验图表是钱塘江河口年一个潮汛的验证过程采用的模型能较好地模拟河口的咸水入侵过程且能较好地预测主要取水口的连续超标时间可用来进行钱塘江河口抗咸需水的计算表南星桥年月日日氯度验证单位?站名南星桥闸口珊湖沙项目昀大含氯度昀小含氯度超标时间?昀大含氯度昀小含氯度超标时间?昀大含氯度昀小含氯度超标时间?实测值计算值图南星桥江水含氯度过程线年月日防止河口咸水入侵需水的确定对应不同的取水口位置不同的取水量大小要求的防止咸水入侵流量不同以杭州市取水口抗咸需水流量分析为例采用上述一维咸水入侵模型反算满足取水条件的上边界流量大小得到取水口在珊湖沙现状及上移后不同用水水平年不同季节所需的抗咸净流量净来水流量减去取水流量见表此外月月日流域来水较丰且外海潮汐较小无抗咸需要表不同计算条件下杭州市抗咸需水单位?取水口位置珊湖沙上移用水水平年年年年月日月日月日翌年月日维持河口水功能区水质要求的需水二维水质模型河口附近点源及面源污染物通过不同系统进入河口不可能在全断面立即掺混均匀因此在计算其浓度分布及环境容量时必须采用二维模型式中为潮位和水深?分别为方向上的垂线平均流速?为重力加速度为谢才系数和分别为方向的涡动黏性系数和扩散系数为污染物质浓度?为衰减系数为源强基于上述方程组建立了钱塘江河口二维的水流水质模拟模型曾对杭州市城市污水的岸边排放口污染物浓度场进行验证计算验证共取个测点全潮观测共数据统计表明误差在的点据为个占误差大于点据为个占精度满足工程计算的要求维持水功能区水质要求的需水确定对应不同的纳污量和水质等级维持河口水功能区水质要求的需水不同根据浙江省环保局的污染控制规划要求钱塘江河口污染负荷冻结在年水平本文以此为计算的基础在水质计算时上边界设在富春江大坝的下游断面下边界设在杭州湾口门芦潮港镇海断面计算得到的主要结论为河流段污染物负荷冻结在年水平的情况下要求下泄的流量?才能满足功能区的要求枯季短时间内允许??七堡以上的河口段各污水排放口附近有包络面积小于的污染带存在但排放口之间的污染带不叠加七堡以下各个排放口的水质浓度由潮流动力控制按月平均潮差计算其潮量是径流量的倍江心排放条件下水质可以满足水功能区要求且污染带包络面积均小于河口最小生态需水河口昀小生态需水是保持河口滩地生物生存的昀小淡水流量初步分析钱塘江河口的昀小生态需水可以涵盖在其它环境和生态需水中故借鉴目前在河流基本生态需水计算中广泛被采用的标准流量法作简单估算采用环保系统常用的保证率昀枯月平均流量及对比美国较为广泛使用的法年平均流量的百分数为基础来确定钱塘江河口的昀小生态需水见表推荐采用?表钱塘江河口昀小生态需水方法昀小月平均流量法法频率百分值流量??流量??强潮河口环