学术研究----学术论文
|
三峡工程运行后长江口咸潮入侵规律分析 兼论青草沙水库设计标准的合理性 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
机械委 支俊峰 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 三峡工程自1997年动工后，历时10年，已于2006年9月20日开始156m蓄水的初期运行，10月27日水库蓄水量已达到234亿m3。水库提前一年进入初期运行后，改变了下游的水文规律，长江口地区咸潮入侵规律发生了较大变化。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 一、 三峡工程 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1、 基本情况：三峡工程1997年底大江截流，2003年蓄水至135m，第一台机组发电；2006年10月27日蓄水至156m，兴利库容110亿m3；2009年全部建成，正常蓄水位175m，总库容393亿m3。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2、 调度方案：一般情况下，自10月1日开始蓄水，10月份如果蓄不到156m(后期175m) ，11月份继续；12月至次年5月根据发电和下游用水需要陆续放水，6月10日之前腾空库容，降至枯水期消落低水位144m（后期155m），为6～9月防洪使用。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3、 初期运行情况：三峡水库自2006年９月２０日蓄水，直到10月27日，完成１56m蓄水任务，历时３７天，累计蓄水约１０５亿m3（平均每天库水位抬升０．５５m左右，蓄水２．８亿m3左右）。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 为充分发挥三峡工程的综合、社会效益。去年１２月底到今年１月上旬，三峡工程首次对下游实施补水调度约３亿m3；２月８日零时起再次利用三峡水库库存水量启动补水调度；为了缓解下游沿江省市生产、生活用水紧张的状况，2月20日零时，第三次加大三峡水库下泄流量，为下游补水。从2月1日到3月31日，三峡水库水位从155.30m削落为150.77m，下降绝对值约4.53 m，总共下泄水量约为29.59亿m3。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 二、 三峡工程前长江口咸潮入侵规律 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1、 长江口咸潮入侵为四条路径，南、北港、北槽、北支，且以北支最为严重，氯化物浓度最高可达17000mg/L。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2、 咸潮入侵主要发生在12月至次年3月。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3、 南支氯化物浓度呈现以凌桥为界，上下游均逐渐增高，凌桥附近最低的现象。对上海长江饮用水源地陈行水库而言，北支咸潮倒灌南支的影响更为突出。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4、 2000年以来咸潮入侵次数有增多的趋势。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 三、 三峡工程运行后咸潮入侵规律 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1、 三峡工程156m运行对长江口水文情势的影响 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2006年长江流域遭遇了百年不遇的干旱，2006年三峡来水只有2950亿m3，比常年水量少33.8%。三峡水库蓄水期下游水量减少105亿m3。大通水量偏小50%以上，其中由水库蓄水减少占8.0%左右。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 进入2007年1月份以后，长江中下游水位持续削落，沿江航运、企业生产、农业灌溉等普遍“喊渴”。三峡水库发挥向下游补水功能，三次加大泄量，并会同三峡以下13个重点大型水库联合运行，使大通流量没有小于10000m3/s。相当于多年平均水量。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2、 三峡初期运行以来咸潮入侵的变化 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2００６年是１８７７年长江有水文纪录以来最枯的一年，三峡坝址断面径流量比多年平均值少１／３。同时，长江中下游也出现了秋旱，长江口9月11日提前出现了第一次咸潮入侵。9月20日三峡蓄水，长江大通9月平均流量比多年平均偏小50%以上。进入10月份后，长江中下游旱情加剧，尽管三峡蓄水速度减缓，长江口咸潮入侵趋势仍不减，10月份大通平均流量比多年平均偏小56.1%，蓄水影响8.0%，上海出现了两次连续不宜取水天数超过 7天的咸潮入侵。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2006年枯水，9、10月份水量偏小，加上三峡蓄水，截止12月底就遭受了6次咸潮侵袭，是历史上没有过的，也是三峡水库运行后，长江口咸潮入侵新的特点，即咸潮入侵提前机遇增加（见表1）。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表1： 2006年咸潮入侵统计 流量单位：（m3/s） |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2007年1月以后，长江流域持续春旱，三峡发挥调蓄功能，减轻了长江口咸潮入侵的强度，虽然1～3月份仍然但持续时间和最大含氯度均不同程度的减小。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1～3月份是长江流域枯水季节，河口潮位相对较低，也是农业用水最小时期，南水北调调水和大通以下引水量较小，2007年实际表明，三峡水库三次向下游补水，尽管也出现了 5次咸潮侵袭，但河口咸潮入侵强度减缓，连续不宜取水天数最长只有8.5天。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 四、 青草沙水库有效库容设计标准的合理性 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 青草沙水库经过15年的研究论证工作， 2006年9月开始一期工程，2007年5月份后将开展二期工程。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 根据规划，青草沙水源地承担含市中心区、浦东、南汇、长兴岛、横沙岛等地区的原水供应，2020年供水规模719万m3/d（最大取水769.3万m3/d）,在咸潮严重期还承担闸北水厂22.4万m3/d原水供应。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 青草沙水源地库区总面积66.26km2，由青草沙库区和中央沙库区组成，青草沙库区面积51.98km2，中央沙库区面积14.28km2；库区总有效库容为4.35亿m3。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 青草沙水库建成后，其规模占全市原水供应总规模的50％以上，与现有上海长江陈行水源地和黄浦江上游水源地形成以青草沙水源地为主导水源的“两江并举、三足鼎立”的原水供应格局，上海城市将有70％的原水取自长江口水库型水源地，水源地的抗风险能力将大大提高。青草沙水库为蓄淡避咸、蓄清避污型水库工程，在咸潮严重入侵前集中抽蓄长江水，水库蓄满后可满足68天的原水供应；如遇突发性水污染事故，水库中的蓄水也可保障城市的用水安全。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1、青草沙水库有效库容设计标准及总投资 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 有效库容计算公式：V=G咸×L×（1+S）， G咸=G非咸×φ （1） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| G咸---咸潮期供水规模（719×0.8）+22.4=597.6万m3/d； | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| G非咸---非咸潮期供水规模 719万m3/d； | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| L ---咸潮期最大连续不宜取水天数，选用1978～1979年连续68天（1979年1月3日至3月11日，以下称1979年型）； | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| S ---原水输送综合损失率取7%； | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| φ咸潮期原水供水折减系数取0.80； | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 由（1）式计算有效库容为4.35亿m3，水库最低运行水位-1.50m，在此水位下总库容为5.46亿m3（供水规模修改前的数据）。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 工程总投资50.13亿元（不包括中央沙圈围工程和青草沙北堤上段先期护底工程的投资），其中水库工程42.04亿元；上游取水泵闸工程6.06亿元；下游水闸0.36亿元；输水泵闸1.67亿元。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2、依据1979年型设计有效库容不妥当 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 由上节可知，青草沙水库有效库容是依据1979年型枯季大通来水设计的。这个典型年是长江口咸潮入侵最为严重的特例，如果流域环境没有发生根本变化，这是较合理的选择。但是，八、九十年代以来，长江流域大、中、小型水库如雨后春笋，长江口水流情势已发生了不可逆转的变化，1979年型不会再现。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （1）、90年代后长江口枯季水量不断增大 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 受长江流域已建大型水利枢纽影响（全流域大型水库120座，中小型水库46000余座，总库容1420亿m3），90年代后下游流量年内分配趋于均化,枯水期流量逐步加大,10月份流量明显减少。水库调蓄的功能表明，1979年枯水年型再现的基础发生了变化（见表2）。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 表2 ：大通不同系列流量年内变化比较 单位：流量：m3/s 各月：% | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （2）、三峡水库运行后1979年枯水年型不会再现 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 表2统计尚不包括三峡水库的作用。2006年三峡工程初期运行表明，去冬今春比没有调蓄功能的２００５年前同时期天然流量高出１０００m3/s左右。2009年三峡工程蓄水达到175m，兴利库容由110亿m3增大到221.5亿m3，河口地区枯季水量增加更明显。至此，1979年年型已不覆存在，再依此设计青草沙水库库容势必造成较大误差。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3、1979年型与2006～2007年型（简称2007年型）比较 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （1）上游来水：2006年上游来水只有2950亿m3，比4510亿m3的常年平均水量少33.8%。比1978年上游来水偏小24.4%。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （2）汛后中下游旱情：自11月进入枯水期以来，长江中下游水位较历史同期低2.4m左右，是有记录142年以来非常罕见的低水位。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 长江中游主要水系鄱阳湖星子站出现了1950年有记录以来历史同期最低水位8.36m；湘江长沙站也逼近历史最低水位为25.80m；洞庭湖城陵矶水位降至 21.5m，创30多年来同期最低（图1、图2、图3）。资料表面，不管是上游来水和中下游汛后旱情均接近1978年。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （3）、去冬今春雨水情：由全国主要江河月雨水情可见，2006年12月份与常年同期相比，大部地区降水偏少，2007年1月旱情有所缓解，但进入2月份长江流域旱情继续加重，今年的暖冬众所周知。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 由上述统计分析，去冬今春旱情与1979年型很相似，但2007年型大通流量却比1979年型偏大16%～71%，最枯的1月份流量也相当于多年平均值，河口咸潮入侵强度减缓，连续不宜取水天数最长只有8.5天。大通不同年型枯季各月平均流量比较见表2。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2006年长江上游百年不遇的枯水，汛后中下游近50年来的秋旱，2007年度全国范围的暖冬，加上三峡工程成功的初期运行，是论证青草沙水库设计规模的有力证据。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 表3 不同年型枯季各月平均流量比较 单位：m3/s | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4、1999年型是现状条件下较合适的设计年型 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1999年型是1982年以来25年间，上海长江陈行水源地连续不宜取水天数最长的年份，达25天。这一年型距现状环境较接近，尽管三峡水库还没有运行，但已反应了已建多数大型水库的调蓄能力。采用这一年型设计青草沙水库有效库容，同时把三峡工程的调蓄功能作为安全系数考虑，不仅比1979年型更合适，且具有较大的安全性。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 5、青草沙水库规模及投资分析 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 按照（1）式，采用1999年型设计，L=25d，其余参数不变，计算得青草沙水库有效库容为1.60亿m3，水库最低运行水位仍为-1.50m，总库容为2.1亿m3。0.5亿m3的库容可作为淤积库容。库容比原方案减少2.75亿m3，工程规模降低63.2%。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 按上述工程规模，总投资减少50%以上，建成后运行费也会大大降低，水库占地面积减少6万亩。体现了以人为本（保证上海用水），人水和谐（减少因修建水库而侵占河道的面积），减轻了对生态环境的影响，实现了保护长江的目的。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 五、 结论及建议 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1、 长江口咸潮入侵提前 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 9、10月份潮汐强度大，如遇长江枯水，加上大通以下农业秋季用水高峰、三峡水库蓄水，南水北调引水，咸潮入侵提前的机遇增大。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2、 枯季咸潮入侵减缓 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2007年三峡工程的初期运行证明，即便是出现象1978～1979年型的特旱年，有三峡水库的调蓄，不但咸潮入侵强度降低，而且绝对不会再出现68天的连续不宜取水天数，咸潮入侵威胁减缓。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3、 三峡水库正式运行后，1979年的枯水年型已不覆存在，1999年型距现状环境较接近，据此设计青草沙水库库容不仅合适，且安全。同时比原方案可降低工程规模 60%以上，节省投资一半以上，减少工程占地，有利于长江口生态环境保护。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4、 今后研究重点：开展全球气候变暖、海平面上升对长江口潮位的影响研究，分析新形势下改善长江口咸潮入侵途径，并对三峡水库枯季向下游补水量级和运行方案进行研究。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 5、 加强北支整治，减少盐水倒灌是延长青草沙水库引水天数的有效措施。利用节省下的资金大力开展北支整治是治本措施。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 6、 每月可能出现咸潮入侵时机是固定的，这使三峡水库放水以减少长江口咸潮袭击成为现实。三峡调度方案在发挥防洪、发电、航运、灌溉等综合效益的同时，加大调节河口生态用水的比重。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
