周鵬飛

（中國(guó)電建集團(tuán) 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

0 引言

錢(qián)塘江河口兩岸是浙江省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)地區(qū)。位于錢(qián)塘江下游的杭州市，是國(guó)際國(guó)內(nèi)著名的風(fēng)景旅游城市，是浙江省會(huì)和全省政治經(jīng)濟(jì)文化中心。杭州市供水水源主要取自錢(qián)塘江杭州河段，但錢(qián)塘江涌潮對(duì)杭州供水影響較大［1］。長(zhǎng)久以來(lái)，對(duì)錢(qián)塘江潮汐、泥沙沖淤、河床演變和圍墾等研究較多，但錢(qián)塘江涌潮對(duì)水資源影響的研究較少，而水資源在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生活中的重要性越來(lái)越顯著，為此本文探討了錢(qián)塘江涌潮對(duì)杭州河段水資源的影響。

1 分析方法

1.1 杭州河段江水咸度超標(biāo)的影響因素

錢(qián)塘江潮汐狀況與杭州河段江水咸度指標(biāo)有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，錢(qián)塘江涌潮1d中出現(xiàn)2次；在半月中有1次大潮和1次小潮，杭州河段咸度超標(biāo)歷時(shí)在半月中也相應(yīng)有1次高值和1次低值；錢(qián)塘江涌潮愈強(qiáng)，則咸度超標(biāo)歷時(shí)愈長(zhǎng)，反之咸度超標(biāo)歷時(shí)愈短。對(duì)杭州河段來(lái)說(shuō)，錢(qián)塘江涌潮在向上游推進(jìn)過(guò)程中強(qiáng)度逐漸減弱［2］，咸度達(dá)標(biāo)的可取水量向上游沿程漸增。

錢(qián)塘江在下自乍浦上至聞家堰之間長(zhǎng)達(dá)130km的河段內(nèi)存在一個(gè)河口攔門(mén)沙性質(zhì)的巨大沙坎，其坎頂位于倉(cāng)前附近并隨潮汐的作用和上游洪水的沖刷而變動(dòng)，大體上每年春汛及梅汛期隨洪水的沖刷而降低和下移，而梅汛之后直至翌年春汛之前的枯水期間則逐漸升高并上移［3］。年中洪水愈大則沙坎愈低，相應(yīng)地在秋旱大潮時(shí)期進(jìn)潮量也愈多，咸潮對(duì)杭州河段水資源影響愈為嚴(yán)重，反之亦然，情況逐年而異。也即，汛期洪水的大小決定著秋旱季節(jié)杭州河段的河道特性，也關(guān)系著該河段各取水口的取水指標(biāo)。因此，影響錢(qián)塘江杭州河段水資源的主要因素有：（1）錢(qián)塘江涌潮的消漲及強(qiáng)度；（2）錢(qián)塘江上游徑流量；（3）錢(qián)塘江河道條件。

本文選取了錢(qián)塘江杭州河段3個(gè)較具代表性的取水口進(jìn)行研究，分別是七堡、南星橋和珊瑚沙，其位置見(jiàn)圖1。

圖1 錢(qián)塘江杭州河段七堡、南星橋和珊瑚沙取水口位置示意圖Fig.1 Water intake diagram of Qibao，Nanxingqiao，Sanhusha along the Hangzhou reaches of Qiantangjiang River

1.2 多元相關(guān)方程的建立

錢(qián)塘江涌潮對(duì)杭州河段水資源的影響分析采用在一定河道條件下，建立多元相關(guān)方程［4］，在方程建立過(guò)程中對(duì)上述諸有關(guān)影響因素做了如下考慮和處理。

我國(guó)生活飲用水和工業(yè)用水取水的咸度標(biāo)準(zhǔn)均為小于等于250mg／L（據(jù)GB5749－2006）［5］，故設(shè)定取水口處江水咸度超過(guò)250mg／L的歷時(shí)，為超標(biāo)歷時(shí)；當(dāng)江水咸度符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的歷時(shí)，為達(dá)標(biāo)歷時(shí)。為便于分析計(jì)算，不直接采用咸度（單位水體中氯離子含量）作為咸度指標(biāo)，而是采用在1次單潮漲、落全過(guò)程中取水口處的超標(biāo)歷時(shí)來(lái)表示。

錢(qián)塘江的潮汐采用倉(cāng)前站的觀測(cè)記錄，以體現(xiàn)錢(qián)塘江杭州河段潮汐自身的特性。

錢(qián)塘江河道條件在一定程度上取決于江灘圍墾范圍的大小和圍堤走向，自上世紀(jì)80年代末期以來(lái)，錢(qián)塘江兩岸圍墾范圍已趨穩(wěn)定，因此錢(qián)塘江河道特性也基本穩(wěn)定。

由于潮汐自錢(qián)塘江口向杭州河段傳播和錢(qián)塘江上游徑流進(jìn)入杭州河段均需經(jīng)歷一定時(shí)間，且這兩者在其所經(jīng)河道范圍內(nèi)還有各自的河槽調(diào)蓄過(guò)程，因而杭州河段一定取水口處在1次單潮過(guò)程中的江水咸度超標(biāo)歷時(shí)并不只取決于該次潮汐和當(dāng)時(shí)的錢(qián)塘江上游徑流量。經(jīng)分析，該超標(biāo)歷時(shí)與面臨單潮的潮差和高潮位和前3次單潮的高潮位，錢(qián)塘江上游徑流當(dāng)日的平均徑流量和前2d各自的日均徑流量等因素都存在不同程度上的關(guān)聯(lián)，杭州河段咸度超標(biāo)歷時(shí)與這些因素之間都可以建立較好的相關(guān)關(guān)系式，其通式為：

式中：Tj為超標(biāo)歷時(shí)；a0，a1，a2和α，β分別為系數(shù)和指數(shù)。

Hj為綜合潮汐因子，它概括了面臨單潮的潮差和高潮位以及前3次高潮位的作用，其表達(dá)式為：

式中：Z為潮位；ΔZ為潮差；j表示面臨單潮的序號(hào)；b0，b1，……b5為各項(xiàng)系數(shù)。另外，由于潮汐的“日不等”現(xiàn)象，Hj還與面臨單潮所處的時(shí)間（日潮和夜潮）有關(guān)，對(duì)于日潮和夜潮各有1組系數(shù)，并且在不同斷面和不同年份，其系數(shù)亦相區(qū)別，體現(xiàn)著河道條件的不同。

Qj為綜合流量因子，即面臨單潮出現(xiàn)當(dāng)天和前2 d中錢(qián)塘江上游日均徑流量q的加權(quán)平均值，其表達(dá)式為：

式中：c1，c2和c3為各日流量的權(quán)重系數(shù)，亦隨日潮和夜潮分為2組。

在Tj，Hj和Qj三式中的各項(xiàng)系數(shù)和指數(shù)均根據(jù)1994—1996年的潮汐、錢(qián)塘江上游富春江水電站的下泄實(shí)測(cè)流量和斷面水流咸度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按多元回歸計(jì)算經(jīng)反復(fù)優(yōu)選確定。

1.3 基本資料

1.3.1 咸潮值班記錄

根據(jù)杭州市自來(lái)水公司生產(chǎn)調(diào)度中心咸潮值班記錄，收集了1994—1996年九溪水廠(chǎng)（珊瑚沙）、南星橋水廠(chǎng)和七堡取水口斷面處的含氯度及出現(xiàn)時(shí)間。

1.3.2 潮位資料

采用倉(cāng)前潮位站1994—1996年逐日高、低潮位資料。

1.3.3 徑流量資料

徑流量是指錢(qián)塘江上游流入杭州河段的水量，采用富春江水電站1994—1996年和2009—2011年逐日下泄流量（其中1994—1996年的徑流量資料用于推求相關(guān)方程中的系數(shù)，2009—2011年的徑流量資料則用于推算該時(shí)間段的可取水量）。關(guān)于錢(qián)塘江上游的來(lái)水以富春江水電站的下泄流量表示，經(jīng)調(diào)查了解，認(rèn)為富春江水電站至杭州之間沿江地區(qū)取用的江水與由其間支流入?yún)R的水量大體接近，即使有差異，其值與富春江流量相比也可忽略不計(jì)。

1.3.4 相關(guān)要素的統(tǒng)計(jì)

根據(jù)1994—1996年含氯度記錄及出現(xiàn)時(shí)間，將含氯度≥250mg／L的歷時(shí)都計(jì)入超標(biāo)歷時(shí)，并按潮汐特性分朔、望期，漲、落潮，日潮和夜潮，經(jīng)分析后只分日潮和夜潮進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)。表1和表2為南星橋斷面1996年7—11月超標(biāo)歷時(shí)相關(guān)要素的統(tǒng)計(jì)表（日潮和夜潮）。

表1 1996年7—11月南星橋江水咸度超標(biāo)歷時(shí)與相關(guān)因素統(tǒng)計(jì)表（日潮）Tab.1 Statistics of the duration of water salinity with exceeded standard and related factors of Nanxingqiao during July to November，1996（day tide）

表2 1996年7—11月南星橋江水咸度超標(biāo)歷時(shí)與相關(guān)因素統(tǒng)計(jì)表（夜潮）Tab.2 Statistics of the duration of water salinity with exceeded standard and related factors of Nanxingqiao during July to November，1996（night tide）

1.4 相關(guān)方程中各系數(shù)與指數(shù)的推算

分別推算日潮和夜潮的相關(guān)方程。

（1）作多元相關(guān)計(jì)算，推求回歸方程系數(shù)

以超標(biāo)歷時(shí)T 作為Y，以潮汐參數(shù)Zj－3、Zj－2、Zj－1、Zj和 ΔZj和上游徑流量參數(shù)qj－2、qj－1和qj作為X，應(yīng)用多元回歸計(jì)算程序初步計(jì)算出回歸方程分項(xiàng)系數(shù)d0、d1、d2……d8。

（2）初步計(jì)算加權(quán)平均流量

①求權(quán)重系數(shù)

令

則權(quán)重

②加權(quán)平均流量值：

（3）初步計(jì)算綜合潮汐因子

令

則：

計(jì)算綜合潮汐因子：

（4）初步推求超標(biāo)歷時(shí)計(jì)算公式參數(shù)

根據(jù)實(shí)際系列的T和試算出的同系列H′和Q′，以步長(zhǎng)加速法初選指數(shù)α，β和系數(shù)a0，a1，a2。

（5）第1次優(yōu)化參數(shù)計(jì)算

①對(duì)偏離較大的突出點(diǎn)分析其原因，然后按情況作適當(dāng)處理。

②將調(diào)整后的T系列和第（2）步中試求出的Q′系列以及第（4）步中求得的α，β和系數(shù)a0，a1，a2代入超標(biāo)歷時(shí)公式，反求Hy值系列，即作試求潮汐因子的第2次迭代計(jì)算。

③以 Hy作為Y 系列，以Zj－3，Zj－2，Zj－1，Zj和

ΔZj為X系列，試求H值系列的第3次迭代計(jì)算，作多元回歸計(jì)算求得系數(shù)：b0，b1，……b5，則：

④將上述調(diào)整過(guò)的T系列和H 值代入超標(biāo)歷時(shí)公式，反求Qy值，即作試求Q值系列的第2次迭代計(jì)算。

⑤以Qy作為Y 系列，以qj－2，qj－1和qj為X 系列，作多元回歸計(jì)算求得系數(shù)：c″1，c″2和c″3，再由 A＝c″1＋c″2＋c″3，求加權(quán)系數(shù)：

試求Q值系列的第3次迭代計(jì)算，加權(quán)平均流量：

⑥再算超標(biāo)歷時(shí)計(jì)算公式參數(shù)

經(jīng)第1次優(yōu)化參數(shù)計(jì)算的T和H、Q系列，以步長(zhǎng)加速法進(jìn)行第2次優(yōu)選指數(shù)α，β和系數(shù)a0、a1、a2。

（6）繼續(xù)優(yōu)化參數(shù)計(jì)算

按第（5）步再進(jìn)行循環(huán)計(jì)算（一般2～3次），以超標(biāo)歷時(shí)T的實(shí)測(cè)值與試算值的相關(guān)系數(shù)R≥0.95為滿(mǎn)足要求。

表3～表5為南星橋取水口斷面氯離子超標(biāo)歷時(shí)的多元相關(guān)方程中的各項(xiàng)系數(shù)和指數(shù)。珊瑚沙和七堡取水口斷面氯離子超標(biāo)歷時(shí)的多元相關(guān)方程中的各項(xiàng)系數(shù)和指數(shù)按相同方法計(jì)算確定，可分別得到1組數(shù)據(jù)。

表3 Tj式中的系數(shù)和指數(shù)（南星橋斷面）Tab.3 Coefficients and indices of Tjformula（Nanxingqiao section）

表4 Hj式中的系數(shù)（南星橋斷面）Tab.4 Coefficients of Hjformula（Nanxingqiao section）

表5 Qj式中的系數(shù)（南星橋斷面）Tab.5 Coefficients of Qjformula（Nanxingqiao section）

對(duì)于為杭州河段咸度超標(biāo)歷時(shí)而建立的上述多元相關(guān)方程組，其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.95，相關(guān)性良好。以計(jì)算結(jié)果與相同條件下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)可見(jiàn)，南星橋取水口斷面1996年7月30日—8月5日整個(gè)潮汛實(shí)測(cè)值和計(jì)算值擬合較好，用多元相關(guān)公式計(jì)算的結(jié)果較合理，與實(shí)際情況基本相符（圖2）。

在建立并驗(yàn)證了上述相關(guān)方程組后，就可據(jù)此分別推算在不同情況下杭州河段江水咸度超標(biāo)歷時(shí)、連續(xù)超標(biāo)歷時(shí)、咸度標(biāo)準(zhǔn)小于等于250mg／L的達(dá)標(biāo)歷時(shí)和可取水量等取水指標(biāo)，從而判斷錢(qián)塘江涌潮對(duì)杭州河段水資源的影響。

圖2 南星橋?qū)崪y(cè)超標(biāo)歷時(shí)與多元相關(guān)方程計(jì)算的超標(biāo)歷時(shí)結(jié)果對(duì)比Fig.2 Measured and calculated results for the duration of water with exceeded standard salinity in Nanxingqiao

2 錢(qián)塘江涌潮對(duì)杭州河段水資源的影響分析

錢(qián)塘江涌潮在澉浦附近開(kāi)始形成，在鹽官附近達(dá)到最大，爾后在向上游推進(jìn)過(guò)程中強(qiáng)度逐漸減弱。錢(qián)塘江涌潮的強(qiáng)弱與潮汐的大小直接相關(guān)，在年內(nèi)以8—10月杭州灣潮差較大，這時(shí)錢(qián)塘江沿程涌潮也相應(yīng)較強(qiáng)；在月內(nèi)，朔、望日后2～3d杭州灣潮差為最大，錢(qián)塘江沿程涌潮強(qiáng)度也較大［6］。

本文著重分析1a中錢(qián)塘江涌潮較強(qiáng)、杭州河段用水量最大的7—10月錢(qián)塘江涌潮對(duì)杭州河段水資源的影響。每年的春分時(shí)節(jié)（3月）錢(qián)塘江涌潮也很強(qiáng)，但用水量不大，水資源問(wèn)題不是很突出，因此本文未考慮。杭州河段從下游至上游選取七堡、南星橋和珊瑚沙3個(gè)斷面作為代表斷面。

在建立并驗(yàn)證了七堡、南星橋和珊瑚沙3個(gè)斷面的相關(guān)方程組后，就可據(jù)以分別推算這3個(gè)斷面處江水咸度超標(biāo)歷時(shí)、達(dá)標(biāo)歷時(shí)和可取水量等指標(biāo)，從而判斷錢(qián)塘江涌潮對(duì)杭州河段水資源的影響?？扇∷考礊橄潭冗_(dá)標(biāo)的水量，其計(jì)算系根據(jù)七堡、南星橋和珊瑚沙3個(gè)斷面咸度達(dá)標(biāo)的達(dá)標(biāo)歷時(shí)分別乘以相應(yīng)時(shí)段富春江水電站的下泄流量即可得。

采用1996年河道條件（倉(cāng)前潮位站最高水位8.88m），2009、2010和2011年7—10月期間杭州河段3個(gè)斷面咸度達(dá)標(biāo)的可取水量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可知，對(duì)杭州河段來(lái)說(shuō)，從七堡、南星橋至珊瑚沙斷面，2009年7—10月期間咸度達(dá)標(biāo)可取水量分別為30.94，51.02和56.83億 m3，占錢(qián)塘江上游同期天然徑流量比重分別為50.5%，83.2%和92.7%，錢(qián)塘江涌潮在向上游推進(jìn)過(guò)程中強(qiáng)度逐漸減弱，咸度達(dá)標(biāo)的可取水量向上游沿程漸增，珊瑚沙斷面的咸度達(dá)標(biāo)水量比其以下任何斷面都多，說(shuō)明錢(qián)塘江涌潮對(duì)杭州河段水資源的影響在下游河段比在上游河段大［7］。2010年和2011年的情況與2009年相似。

表6 2009—2011年7—10月杭州河段可取水量計(jì)算結(jié)果Tab.6 Calculation results of desirable water in Hangzhou reaches during July to November，2009－2011

從錢(qián)塘江涌潮對(duì)七堡斷面的影響來(lái)看，根據(jù)1994年、1995年和1996年這3年潮位資料，1994年7—10月期間倉(cāng)前站最高水位達(dá)9.39m，1995年為8.09m，1996年為8.88m，相應(yīng)七堡斷面7—10月咸度達(dá)標(biāo)可取水量分別為25.65，54.68和45.4億 m3，占錢(qián)塘江上游同期天然徑流量比重分別為50.1%，64.6%和57.6%，說(shuō)明錢(qián)塘江涌潮強(qiáng)度越強(qiáng)，對(duì)杭州河段水資源的影響越大。

3 結(jié)論

（1）影響錢(qián)塘江杭州河段江水咸度的因素主要有3個(gè)：錢(qián)塘江涌潮的消漲及強(qiáng)度，錢(qián)塘江上游徑流量和錢(qián)塘江河道條件。

（2）錢(qián)塘江涌潮對(duì)杭州河段水資源影響分析方法采用一定河道條件下，錢(qián)塘江潮汐、上游徑流與杭州河段江水咸度指標(biāo)的多元相關(guān)方程，相關(guān)性良好。用多元相關(guān)公式計(jì)算的結(jié)果較合理，與實(shí)際狀況基本相符。

（3）對(duì)杭州河段來(lái)說(shuō)，從七堡、南星橋至珊瑚沙斷面，錢(qián)塘江涌潮在向上游推進(jìn)過(guò)程中強(qiáng)度逐漸減弱，咸度達(dá)標(biāo)的可取水量向上游沿程漸增，珊瑚沙斷面的咸度達(dá)標(biāo)水量比其以下任何斷面都多，說(shuō)明錢(qián)塘江涌潮對(duì)杭州河段水資源的影響在下游河段比在上游河段大。

（4）從錢(qián)塘江涌潮對(duì)七堡斷面的影響來(lái)看，錢(qián)塘江涌潮強(qiáng)度越強(qiáng)，對(duì)杭州河段水資源的影響越大。

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