长江口江心水源地青草沙水库取水口选址与取水方式研究

长江口江心水源地青草沙水库取水口选址与取水方式研究

0内容一:青稞沙水库水库上海现有两个水源，即黄浦江上游水源和长江口陈兴水源。第三水源地——青草沙水源地原水工程已于2007年6月开工建设,计划于2010年世博会期间逐步投入运行。青草沙水源地工程建成后将承担上海市约50%的原水供应,2020年规划供水规模为719万m3/d,受益人口超过1000万。青草沙水源地原水工程系统主要由青草沙水库工程、长江过江管工程和陆域输水管线及增压泵站工程等组成,其中青草沙水库工程是青草沙水源地原水工程的核心。青草沙水库总库容为5.27亿m3,库址位于长江口南支南北港分流口下游长兴岛西北侧水域。该水域水量丰沛,水质良好稳定,现状水质总体上属Ⅱ类,主要指标符合《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中城镇集中式饮用水水源地水质要求。虽然长江水量十分丰沛,但是由于长江河口系感潮河段,在枯水季节易受咸潮入侵的影响,使工程区域局部时段水体氯化物超标,需通过水库预蓄水来满足咸潮入侵期原水供应需求。由于青草沙水库库址所处水域水动力条件十分复杂,并且长江口水质变化、咸潮入侵以及河势演变等影响水库取水可靠性的因素较多,因此水库取水口位置和取水方式的合理选择是直接影响青草沙水库供水安全、取水工程规模和水库运行成本以及能否取得优质原水的关键。在综合分析长江口特别是工程区域地形、水文、河势、咸潮入侵、可取淡水几率以及水质等多种影响因素的基础上,结合对长江口已建边滩水源地取水口选址与取水方式的设计运行经验,对青草沙水库取水口选址和取水方式开展了论证分析。1草沙水域的咸潮1.1河流泥沙、潮土等原因青草沙水域位于长江口南支河段,多年的监测研究揭示,影响工程水域氯化物变化的咸潮入侵源有三个,即北支咸潮倒灌、南港咸潮入侵和北港咸潮入侵(见图1)。影响长江口咸潮入侵的因素十分复杂,三个咸潮入侵源随大通流量、外海潮动力以及风力、风向、河势特征等不同,对该河段中不同区域氯化物分布的影响也各不相同。其中,青草沙水域最主要的入侵因素是北支咸潮倒灌。北支咸潮倒灌主要是受北支分流能力、河道形态、地形特征、潮波变形等因素影响。咸潮入侵一般发生在枯季,近年在上游来水量偏低的洪季汛末也时有发生。北支倒灌主要以咸水团形式随落潮流沿白茆沙北水道下泻入南支,一路沿崇明南岸进入新桥水道,一路随主流进入七丫口河段,还有部分漫过白茆沙进入南水道。现场测验和数值模拟分析表明,青草沙头部的咸潮入侵既受北支咸潮倒灌南支的影响,也受北港口外咸潮直接上溯的影响,但前者通常是造成本水域氯化物超标的主要原因。1.2月内氯化物的年际变化根据长江口十多年实测资料分析,长江口南支水域氯化物峰值纵向分布呈现两头高、中间低的马鞍形形态,石洞口至青草沙水域氯化物最低,该段上、下游氯化物较高,原因在于上游水域的氯化物主要受北支倒灌下移的盐水团影响,而下游水域的氯化物则主要受外海咸潮入侵的直接影响。长江口氯化物的年际变化与大通站流量有着良好的对应关系。丰水或平水年份的枯季,由于长江口径流较大,北支倒灌进入南支水域的盐水浓度和强度相对较弱,南支下段的青草沙水域受咸潮影响最长连续不宜取水天数一般不超过38天(氯化物连续8h超过250mg/L定义为不宜取水日);若枯季为枯水年份,由于长江口径流较小,北支倒灌进入南支水域的氯化物浓度和强度也相应增强,青草沙水域受咸潮影响最长连续不宜取水天数可以超过38天,最长可达68天。2取水口位置确定水库取水口位置选择以能取到优质原水并保证取水口安全为主要原则。在确定取水口位置时,需综合分析工程水域河势、地形、水文、咸潮入侵与水质等多种因素,同时结合水库库形、输水口选址、库区流态等条件,考虑库内水流自净和水质保持的效果最佳。2.1分析水质、咸超和河流潜力的影响2.1.1水草沙水域水质现状青草沙水域水质优良,在水库库形确定的条件下,取水口应选址在水质相对更优的水域。长江口中泓主流是一个天然屏障,阻隔了长江南岸的污水向北扩散,因此处于江心的青草沙水域水质明显优于长江口南岸边滩。根据20世纪90年代长江口有关水域和青草沙水域长期全面系统的水质监测及其评价结果,并通过2004年对青草沙水域主要水质指标取样分析验证,青草沙水域水质总体上属Ⅱ类,符合《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中城镇集中式饮用水水源地一级保护区的水质要求。依据Ames检验结果,致突变性北港基本上为阴性,南港阳性率为87.5%,从其他水质指标来看,北港的水质一般也优于南港,因此就水质而言,水库取水口以布置在北港为优。2.1.2江段上游区域最长连续不得取水天数明显比下游区域更小取水口位置应选在咸潮入侵影响较小的区域。研究表明,南、北港氯度和强度总体上差异不大,但工程水域氯化物沿纵向分布变化较大,工程江段上游区域最长连续不宜取水天数明显要比下游区域小。华东师范大学河口海岸学国家重点实验室采用三维盐度场数学模型对1978~1979年设计典型年青草沙水库最长连续不宜取水天数问题进行专题研究,计算结果表明,水库上游区域(图2中取水口附近)最长连续不宜取水天数为68天,水库下游区域(图2中下游水闸附近)最长连续不宜取水天数为86天,因此取水口位置在工程许可条件下尽可能靠上游。2.1.3中央沙护滩及周边河势稳定的河势是取水口建筑物安全和可靠取水的基本条件。长系列河床演变分析表明,在落潮水流作用下,南支下段各分流沙嘴和中央沙嘴的下移速度有准同步的关系,即中央沙嘴下移速度快,其他各分流沙嘴下移速度亦快;中央沙嘴下移速度慢,其他各分流沙嘴的下移速度亦慢。青草沙水库位置和周边河势见图3。中央沙和青草沙围堤实施后,中央沙头部得以固定。中央沙嘴稳定后,受新桥通道涨落潮流的作用,新桥通道也将稳定,新南沙头的下移受到限制,将有效地遏制新南沙头并靠中央沙。特别是有关部门将在中央沙头固定的基础上,进一步实施新浏河沙护滩工程,不仅中央沙头得到稳定,南北港各分流通道及沙体的稳定将得到有效保证。因此,中央沙和青草沙围堤实施后,特别是今后进一步实施新浏河沙护滩工程后,中央沙头和新浏河沙将得到稳定,也就能有效地遏制新南沙头的整体下移,由此使新桥通道的优良河势得以稳定。2.2着力于南沙段至立交桥段鉴于北港上游进口江段新桥通道水质相对较优,且受咸潮入侵影响相对较小,同时根据河床演变分析,在实施青草沙水库围堤工程后,可保障目前新桥通道河势的稳定,进一步实施新浏河沙护滩工程和南沙头通道限流工程后,南沙头通道—新桥通道良好轴线走向可得到根本保证,从而可确保取水口位置的河势稳定,取水口工程安全是有保证的。综合河势、水质和咸潮入侵等因素对取水口位置影响的分析,同时考虑水库库形、输水口选址、库区流态等条件,推荐取水口位置设在青草沙水库西北端的新桥通道南侧(见图3)。2.3工程影响区域北港根据上海河口海岸科学研究中心和南京水利科学研究院完成的青草沙水库河势影响动床物理模型试验验证成果,水库工程实施后,受工程保护,中央沙沙头附近冲刷后退速度受到抑制,稳定了中央沙沙头和新桥通道下边界,有利于南北港分流口河势的稳定。水库建设对南北港分流口河势无明显不利影响。工程主要影响区域在北港,工程后北港主槽将冲深约2m左右,河床宽深比变小,断面形态从宽浅向窄深方向变化,有利于北港河势保持稳定。青草沙水库取水口位于新桥通道中段南侧(见图3),工程后该区域前沿水深变化较小,取水口前沿的堤身附近有所冲刷,但最大冲刷幅度仅1m左右,因此,工程后取水口前沿滩势演变不会影响青草沙水库取水口的正常使用。2.4水位条件确定由于青草沙水库库容大,库型呈长条状,顺长江口方向长约20多公里,如何维持入库水体和改善库区水体水质,强化水体自净功能,预防水体富营养化,是一个重要的课题,上海市已列专题开展科研攻关。考虑青草沙水库输水口位置选择等因素,拟定在水库的下游端增设一座水闸,在非咸潮期,利用上下游两个水闸16km之间的水位相位差,上下游水闸联合调度,一引一排,调活库内水体;在咸潮期,利用盐峰之间的可取水时间也可承担部分抢补淡水的任务。由于水库东侧堤段为弃泥区,不适宜设置下游水闸,综合考虑滩势稳定、水闸建筑物安全和工程投资等因素,下游水闸实际选址在水库堤线最下端以上约5km处,如图2所示。采用水动力数学模型,对青草沙水库上游取水闸净宽70m、下游水闸净宽20m、输水规模719万m3/d的条件下计算显示,在推荐的取水口位置、水闸规模及取水方式条件下,水库能够满足供水水量要求;库区平面流态较为平顺,可以满足库内换水周期20天的要求,维持库内良好水质。3取水口，用于草滩淡水分析3.1牧草沙水域氯化物特征《地表水环境质量标准》规定,饮用水水源地氯化物不能超过250mg/L,即当水体氯化物不超过250mg/L时认为可取到淡水,高于250mg/L时则不宜取水。1980年以来,长江口最严重的咸潮入侵发生在1999年。1999年实测资料显示,青草沙水域氯化物超过250mg/L的最长连续不宜取水天数为38天,氯化物峰值达2998mg/L。一般年份枯季,青草沙水域的连续不宜取水天数不超过15天。根据青草沙水域取水口附近2002年12月至2005年10月实测资料分析,氯化物月季变化较为明显,一般是12月~次年4月氯化物相对较高,淡水出现几率相对较低;其他月份氯化物相对较低,淡水出现几率相对较高,特别是在洪季5~10月份,月平均氯化物等于或接近0,淡水出现几率接近100%。2003年为平水年(大通站年平均流量29397m3/s),青草沙水域3~12月出现淡水几率为98.8%,洪季5~10月达到100%。2004年为偏枯年(大通站年平均流量24998m3/s),青草沙水域全年淡水出现几率为81.6%,洪季5~10月为99.2%。3.2青草原螯虾月内淡水率根据青草沙水域2002年12月~2005年10月实测资料分析,青草沙实测氯化物与大通流量存在良好的相关关系,青草沙水域逐月出现淡水的几率与大通月平均流量之间呈对数关系,据此可推求青草沙水域取水口附近逐月出现淡水几率最小值的统计经验公式。特枯水文典型年为1978~1979年,考虑三峡工程、南水北调以及沿江引水等因素,分析预测在规划水平年重现特枯水文典型年的逐月可取淡水几率,计算结果见表1。4设计规模、取水工程布置在钢结构等深线外,目前,长江口南支南岸边滩建有3座避咸蓄淡水库(见图1),分别为陈行水库、宝钢水库、太仓水库,取水方式均采用取水头部与取水泵站相结合形式,在取水头部与泵站之间通过钢管连接。宝钢水库于20世纪80年代兴建,设计水库有效库容为1200万m3,供水规模20万m3/d,取水系统由蘑菇形全潜式取水头部及江中式取水泵房组成。取水头部设置在-5.0m等深线外侧。陈行水库建于20世纪90年代初,位于宝钢水库下侧,设计有效库容为860万m3,供水规模130万m3/d,取水泵站规模160万m3/d,取水工程布置与宝钢水库基本相似。新建430万m3/d取水泵站的头部设置在-7.0m等深线外侧。太仓水库于2004年建成投产,设计水库有效库容为360万m3,供水规模30万m3/d,取水泵站规模140万m3/d。取水方式与宝钢水库、陈行水库不同的是取水泵房设于水库内,将库外取水和库内输水两种功能合二为一,采用垂直向上式喇叭管取水头部,取水头部设置在-6.0m的等深线处。经调查,这些水库运行状况良好,取水水质均达到水质标准。青草沙水库与上述水库不同,具有地理位置特殊、工程规模大等特点。库址处于江心,所在水域不受边滩污水排放影响,水域水质良好稳定。实测可取淡水几率分析结果表明,在丰水年和平水年,青草沙水域全年出现淡水几率接近100%;在类似2004年的偏枯年,全年淡水出现几率为81.6%,洪季5~10月99.2%;根据分析,即使重现1978~1979年的特枯水文典型年,青草沙水域洪季5~10月也有充足的淡水,各月淡水出现几率分布在44.4%~100%。因此,在丰水年和平水年,水库基本上全年可采用水闸自流引水,通过水闸引水可节约大量电能,从而大大减少水库的运行费用。在偏枯年汛期也基本可采用水闸自流引水;只有在特枯年份咸潮严重入侵前才需动用泵站抽蓄。因此,可针对咸潮期和非咸潮期特点,采取不同的取水方式。4.1增上下游、排水,控制水库水体在非咸潮期,利用长江口潮汐特性,采用高潮时水闸自流引水方式。考虑到非咸潮期水温较高,若不及时换水,局部区域易出现富营养化现象,为此,利用水库下游水闸低潮位时排水,通过上、下游水闸联动的运行方式,实现水库水体的流动,增加水库内水体的流动性,减少水体在水库的停留时间,从而增强水库抵御富营养化的能力。为了整个原水输水系统节能,在不影响库内水质的情况下,自流引水尽可能维持库内高水位。4.2补全淡水、按需发酵在咸潮入侵之前,采用泵站取水方式。拟在水库上游段设置取水泵站提水预蓄淡水,以满足咸潮入侵期间原水供应需求。由于咸潮期内一般有间隙性淡水出现的机会,在此可取水时间内用泵、闸抢补淡水,充分利用淡水资源,确保咸潮期的供水安全。与前述其他水库水泵进水采用设置取