何　聰　王蘇勝　陶曉東

(南通市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 南通　226006)

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基于MIKE11水動(dòng)力模型的南通市遠(yuǎn)期引水需求分析

何聰王蘇勝陶曉東

(南通市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 南通226006)

【摘要】隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，南通市遠(yuǎn)期需水量將進(jìn)一步增加。本文通過對(duì)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活以及生態(tài)用水量相關(guān)指標(biāo)的分析和計(jì)算，預(yù)測(cè)了2030年南通市總需水量和高峰期需水量。在此基礎(chǔ)上，通過MIKE11水動(dòng)力模型，模擬了不同方案下主要控制點(diǎn)的水位變化和最低水位。結(jié)果表明：50%和75%用水保證率下引水基本滿足要求，95%用水保證率下需增建60～100m3/s的通呂運(yùn)河泵站以解決用水矛盾。

【關(guān)鍵詞】MIKE11； 需水量； 引水； 泵站

經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源提出了越來越高的要求，水資源的優(yōu)化配置與保護(hù)研究得到了廣泛關(guān)注[1]。南通市經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度一直位于全國(guó)前列，隨著長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶和沿海開發(fā)等戰(zhàn)略的實(shí)施，南通市將持續(xù)保持較高的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度，對(duì)水資源的需求將不斷增長(zhǎng)，同時(shí)生態(tài)文明建設(shè)將進(jìn)一步對(duì)水環(huán)境和水容量提出更高要求，因此遠(yuǎn)期水資源的供需矛盾將更加突出。

南通市依江臨海，但是本地徑流量少，區(qū)域內(nèi)調(diào)蓄能力低，本地水資源的開發(fā)利用主要靠引江補(bǔ)水。而引江水量受長(zhǎng)江來水量和潮位影響，年際變化大，年內(nèi)分配不均，在干旱年和用水高峰期，極易發(fā)生缺水。面對(duì)未來可能發(fā)生的需水矛盾，有必要盡早謀劃布局，提出應(yīng)對(duì)措施。GMS、MIKE等數(shù)學(xué)模型在水資源配置和調(diào)度方面已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[2- 6]，充分展現(xiàn)出了優(yōu)越性和可行性。

1模型建立

1.1MIKE11水動(dòng)力模型

MIKE11水動(dòng)力計(jì)算模型是基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，即一維非恒定流Saint-Venant方程組來模擬河流活河口的水流狀態(tài)。

方程組利用Abbott-Ionescu六點(diǎn)隱式有限差分格式求解。Abbott-Ionescu格式具有穩(wěn)定性好、計(jì)算精度高的特點(diǎn)。離散后的線形方程組用追趕法求解。

1.2河網(wǎng)概化

南通市河網(wǎng)縱橫，為便于計(jì)算，此次水動(dòng)力模型對(duì)區(qū)域內(nèi)河道進(jìn)行概化，將大量對(duì)水動(dòng)力計(jì)算影響不大的四級(jí)以下河道進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，具體做法：按照四級(jí)以下河道的斷面面積，合并到與其臨近的同向三級(jí)河道，將三級(jí)河道斷面進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)大，從而保證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。根據(jù)所收集到的數(shù)據(jù)資料，概化為如圖1所示的河網(wǎng)，共有1400多條段主要河道，參與水動(dòng)力演算。

1.3邊界條件

模型邊界條件主要包括控制建筑物、降雨、潮位和需水量。需水量根據(jù)區(qū)域需水總量按河道輻射面積比例分配到相應(yīng)河段。潮位采用典型年引水期對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)潮位。控制建筑物即沿江和沿?？陂T以及內(nèi)河控制建筑物、引水建筑物主要包括焦港閘、如皋港、碾砣港閘、九圩港閘、南通閘和九圩港泵站。

1.4模型率定

模型采用2013年6月中旬實(shí)測(cè)降雨和潮位資料，根據(jù)分區(qū)域統(tǒng)計(jì)的用水量按比例分配到骨干河道上，并對(duì)每條骨干河道按河長(zhǎng)進(jìn)行流量平均。通過調(diào)整各級(jí)河道糙率，使計(jì)算引水量與實(shí)測(cè)引水量基本相當(dāng)，并且骨干河道水位變化過程與實(shí)測(cè)水位相似。模型率定結(jié)果見表1。各口門引水總量與實(shí)測(cè)引水量誤差在3.76%～9.3%之間。

碾砣港閘與九圩港閘逐日引水量如圖2～圖3所示，日引水量基本接近。丁埝與石港逐日水位變化如圖4～圖5所示，區(qū)域內(nèi)水位變化有著較高的一致性，隨著用水過程的推移，河道水位逐漸下降，在計(jì)算后期由于降雨原因，區(qū)域水位又有適度抬升。

模型的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)情況有著較高程度的一致性與相似性，基本能夠代表實(shí)際引水過程的變化，可以用來進(jìn)行引水預(yù)測(cè)。

2水資源需求分析

根據(jù)規(guī)劃供水范圍內(nèi)的工業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)田面積、居民人口以及灌溉定額等指標(biāo)，計(jì)算規(guī)劃供水范圍內(nèi)的高峰期需水量。

2.1農(nóng)業(yè)用水

預(yù)計(jì)2030年堤內(nèi)耕地面積為677.2萬畝。另根據(jù)沿海灘涂圍墾開發(fā)規(guī)劃，到2020年，南通市在規(guī)劃范圍內(nèi)新圍墾土地119.5萬畝，其中農(nóng)業(yè)用地面積為74.7萬畝，耕地面積按農(nóng)業(yè)用地面積80%計(jì)，則耕地面積增加59.76萬畝。 2030年50%、75%和95%灌溉保證率下，水田的凈灌溉定額分別為350m3/畝、410m3/畝和430m3/畝。隨著節(jié)水工程措施的實(shí)施，2030年灌溉水利用系數(shù)提高到0.68。

2.2工業(yè)用水

工業(yè)需水包括一般工業(yè)和火(核)電工業(yè)需水量。一般工業(yè)需水量采用取水定額法進(jìn)行預(yù)測(cè)，火(核)電工業(yè)需水量采用單位千瓦裝機(jī)取水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。2030年工業(yè)增長(zhǎng)率按照7%～8%進(jìn)行估算，工業(yè)總產(chǎn)值增加至8099.61億～8889.22億元。

2.3生活用水

生活需水按城鎮(zhèn)和農(nóng)村分別進(jìn)行預(yù)測(cè)，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。預(yù)計(jì)2030年末，南通市常住人口達(dá)到879.38萬。

2.4生態(tài)用水

生態(tài)用水是指為維持生態(tài)與環(huán)境功能和進(jìn)行生態(tài)環(huán)境建設(shè)所需要的最小需水量。規(guī)劃區(qū)河道外生態(tài)環(huán)境需水僅考慮城鎮(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)水等，以規(guī)劃水面面積的水面蒸發(fā)量與降水量之差為其生態(tài)環(huán)境需水量。河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量按功能可分為：維持河道基本功能的需水量、通河湖泊濕地需水量和河口生態(tài)環(huán)境需水量。維持河道基本功能的需水量計(jì)算方法采用蒙大拿法，一般占河流年平均流量的20%～50%。此外還包括淋鹽洗堿用水和沖淤保港用水。

根據(jù)測(cè)算，遠(yuǎn)期2030年南通市需水量見表2。

用水高峰期，即6月中旬需水量見表3。由于工業(yè)增加值的不確定性以及未來對(duì)生態(tài)需水的不確定性，將2030年需水量分為高低兩個(gè)水平。

3模擬分析

3.1控制水位要求

根據(jù)南通實(shí)際情況，遇特殊干旱年，沿江平均最低水位不低于1.41m(1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同)，石港、丁埝不低于1.31m，小洋口閘、北凌新閘上最低水位不低于1.21m，東安閘、掘苴閘上最低水位不低于1.11m，遙望港閘上最低水位不低于1.01m。

3.2計(jì)算方案

根據(jù)南通市相關(guān)規(guī)劃，至2020年完成的與引水有關(guān)的工程措施主要有：九圩港泵站的建設(shè)，江海河、遙望港的拓浚工程，以及連申線、通栟線和通揚(yáng)線三級(jí)航道的建設(shè)。2030年繼續(xù)建設(shè)市域干線航道和聯(lián)絡(luò)線支線航道，拓浚丁堡河、馬豐河、興石河、司馬港、新江海河、三和港、頭興港、蒿枝港和南引河，同時(shí)對(duì)區(qū)域內(nèi)骨干河道進(jìn)行復(fù)標(biāo)疏浚。由此形成2020年河道拓浚方案和2030年河道拓浚方案。

此外根據(jù)水位控制情況，適時(shí)增設(shè)通呂運(yùn)河泵站。

3.3結(jié)果分析

a.低引水量工況。2030年低引水量工況下，不同保證率6月中旬主要站點(diǎn)最低水位見表4。

由計(jì)算結(jié)果可知：50%保證率下，引水能夠滿足需水要求，各站點(diǎn)最低水位1.93～1.97m，能夠滿足水位控制要求，水位基本維持在正常水位；75%保證率下，引水能夠滿足需水要求，各站點(diǎn)最低水位1.46～1.50m。

95%保證率下，由于需水量繼續(xù)增加，盡管九圩港泵站彌補(bǔ)了引水量的不足，仍不能滿足供水需求，結(jié)果石港和丁埝水位為1.24m。通過2030年的河道拓浚及復(fù)標(biāo)疏浚，整個(gè)河網(wǎng)水位僅上升2～5cm，石港和丁埝最低水位1.26m，仍不能滿足控制水位要求。在2020年河道拓浚的基礎(chǔ)上，增加通呂運(yùn)河泵站，流量60m3/s，可以解決用水問題，此時(shí)石港最低水位1.34m，丁埝最低水位1.32m，保證了河網(wǎng)水位控制要求。

由此可見，2030年低引水量條件下，需增加60m3/s通呂運(yùn)河泵站，以保證95%供水保證率下的引水需求。

b.高引水量工況。2030年高引水量工況下，不同保證率6月中旬主要站點(diǎn)最低水位見表5。由計(jì)算結(jié)果可知：50%保證率下，引水能夠滿足需水要求，各站點(diǎn)最低水位1.98～2.00m，能夠滿足水位控制要求，水位基本維持在正常水位；75%保證率下，引水能夠滿足需水要求，各站點(diǎn)最低水位1.38～1.41m。

95%保證率下，由于需水量繼續(xù)增加，盡管九圩港泵站彌補(bǔ)了引水量的不足，仍不能滿足供水需求，石港和丁埝水位為1.15m。通過2030年的河道拓浚及復(fù)標(biāo)疏浚，整個(gè)河網(wǎng)水位僅上升4～6cm，石港和丁埝最低水位1.19m，還是不能滿足控制水位要求。在2020年河道拓浚的基礎(chǔ)上，增加通呂運(yùn)河泵站，流量100m3/s，基本可以解決用水問題，此時(shí)石港最低水位1.32m，丁埝最低水位1.31m，保證了河網(wǎng)水位控制要求。

由此可見：2030年高引水量條件下，需增加100m3/s通呂運(yùn)河泵站，以保證95%供水保證率下的引水需求。

4結(jié)語

由于南通市遠(yuǎn)期經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平進(jìn)一步提高，工業(yè)用水量還將持續(xù)上升，同時(shí)隨著生活水平的不斷提高，對(duì)生態(tài)用水的需求量將急劇增加，2030年用水量較2020年還有大幅度增加。

在2020年建設(shè)工程的基礎(chǔ)上，遠(yuǎn)期2030年50%和75%用水保證率下，南通市用水基本能夠滿足。但是95%用水保證率下，沿江引水量明顯不足，無法滿足通航與引水水位要求，建議建設(shè)通呂運(yùn)河泵站，規(guī)模為60～100m3/s，以解決遠(yuǎn)期的需水矛盾。

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Analysis on long-term water diversion demand in Nantong based on MIKE11 hydrodynamic model

HE Cong, WANG Susheng, TAO Xiaodong

(NantongWaterConservancySurveyDesignInstituteCo.,Ltd.,Nantong226006,China)

Abstract：Nantong long-term water demand will be further increased with the development of economy and society. In the paper, total water demand and peak water demand in Nantong in 2030 are predicted through analysis and calculation of related indexes, such as agriculture, industry, life and ecological water consumption. On the basis, water level change and the minimum water level in main control points under different plans are stimulated through MIKE11 hydrodynamic model. The results showed that water diversion under 50% and 75% water consumption assurance rate can meet requirement basically. Tonglu canal pumping station of 60～100m3/s should be constructed additionally under 95% water consumption assurance rate, thereby solving water consumption conflicts.

Key words：MIKE11; water demand; water diversion; pumping station

DOI:10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.02.010

中圖分類號(hào)：TV213

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005- 4774(2016)02- 0035- 05