关于水库建设规模的相关问题探讨
朱俊 郁波
引 言
随着社会经济的发展和人民生活水平的不断提高，对饮水质量的要求越来越高。上海作为典型的水质型缺水的城市，目前供水水源地主要由黄浦江上游、长江口陈行水库以及部分内河和地下水组成。地下水蕴藏量有限，开采量受到严格控制；黄浦江无论是水量还是水质，均不能满足本市发展的需要；长江口陈行水源地库容偏小，避咸蓄淡能力不足。为此，上海将加快实施长江口青草沙和崇明岛东风西沙新水源地建设，提高避咸蓄淡能力，打造“两江并举、多源互补”水源地新格局，确保上海市民饮用水安全。
在此背景下，上海市开展了相关水库建设的前期论证工作。水库的建设规模是水库前期论证的主要工作成果，也是水库调度运行的重要参数，其精度直接影响工程的蓄水效果、调度运行及工程投资等。在受潮汐影响较大的河口地区，普遍认为设计水库调蓄水量主要取决于咸潮期原水供应要求和设计供水保证率条件下最长连续不宜取水天数，并利用经验公式估算水库库容。然而，由于最长不宜取水天数的预测精度难以保证，使得该方法计算出的水库库容可靠性降低，针对上述问题，笔者结合长江口相关水库工程，提出了合理确定水库库容的一些思路和建议，以期为相关决策、建设或设计人员提供参考。
一、咸潮入侵规律与最长连续不宜取水天数
（一）咸潮入侵规律
淡水来源以及淡水量是影响水库库容设计的关键因素之一，而位于潮汐河口的供水水库在枯水期受海水咸潮入侵威胁严重，淡水量与所处水域内盐水倒灌的强弱程度及规律、特性直接相关。因此，咸潮入侵规律是研究潮汐河口供水水库库容的前提条件，是河口水源地水资源开发利用的最大制约因素。
以长江口为例，长江河口系三级分汊四口入海的分汊潮汐河口。从整体上说，长江口的咸潮入侵源只有一个，即外海海水。但由于长江口呈多级分汊多口入海的形势，各汊道的过水断面、分流比、潮波传播速度不同，出现咸潮入侵源的派生现象，使得长江口的盐度分布非常复杂，如图1所示。
图1 长江河口盐水入侵示意
由图1可知，长江口盐水入侵有四条途径：南槽、北槽、北港和北支。一般而言，北支的进潮量约占整个长江口进潮量的25%，但是进入北支的径流量目前只有不到5%，所以北支口门连兴港断面处的盐度几乎与正常海水盐度相当，到北支上段青龙港处，枯季盐度仍然较高，这股高盐水随北支涨潮流上溯至崇头后被推出北支上口，然后绕过崇头倒灌侵入南支，使得南支水域出现盐度超标的现象。如东风西沙水库工程水域咸潮主要来源于北支盐水倒灌，集中发生在大潮前后，最严重的时期为每年枯季的2～3月份，特点是咸潮超标次数多、持续时间长。因此，咸潮入侵规律直接影响了淡水取水时间和淡水取水时机。
（二）最长连续不宜取水天数
根据《中华人民共和国地表水环境质量标准》，集中式生活饮用水地表水源地补充项目氯化物标准限值为0.25g/L。因此，当咸潮期水源地盐度超标（大于0.25g/L）时，水库的取水口不宜取水，该状态下的历时称为连续不宜取水天数，两次连续不宜取水天数之间的间隙期为可取水时间。以东风西沙为例，取近十年来咸潮入侵最为严重的1978—1979年和1998—1999年为典型年对各方案边界条件下的最长持续时间和咸潮期可取淡水时间进行分析。其中，方案1为在现状地形条件下，综合考虑三峡水库运行调度、南水北调工程和沿江引水的影响；方案2为在现状地形条件下，考虑北支中束窄规划全部实施后，综合考虑三峡水库运行调度、南水北调工程和沿江引水的影响。
根据各方案计算得出的咸潮最长持续时间以及咸潮期可取淡水时间的统计见表1。
表1 东风西沙水域咸潮最长持续时间及可取淡水时间 单位：天
二、水库库容的计算方法
水库库容是水库调度的重要参数，它的精度高低直接影响到水库的发电、防洪、灌溉等工程效益。就水库库容的计算方法而言，常规的地形法、断面法、混合法等，耗用的人力、物力较多，且较适合一般的调蓄水库。所谓一般调蓄水库就是指以防洪为主，兼顾供水的一般性水库，如浙江的对河口水库。此类水库的库容计算一般就是根据河流的水文条件、坝址的地形地质条件和各用水部门的需水要求，经综合分析论证，来确定水库的各种特征水位，进而确定相应的库容值。因此类水库一般不涉及咸潮入侵且上游来水量基本可以保证，所以计算依据主要考虑防洪要求。
对于潮汐河口供水水库的库容目前常用的计算方法主要采用用水量平衡法，根据计算手段的不同，大致又可以分为两大类。
（一）公式法
供水水库的库容与供水需求、供水保证率、最长连续不宜取水天数及多年平均蒸发量和降雨量等因素相关，具体计算公式如下：(www.xing528.com)
式中，V为水库调蓄库容（供水库容）；G咸为咸潮期供水规模；L为咸潮期最大连续不宜取水天数；S为原水输送综合损失率；V损为考虑蒸发、降雨和渗漏等影响的水量损失；G非咸为非咸潮期供水规模；Φ为咸潮期原水供水折减系数。
（二）盐度过程调节计算法
《水利工程水利计算规范》（SL104—95）中6.2.1节“供水水库或以供水为主的水库，应通过水库调节计算，提供供水量、调节库容与保证率相互关系的成果，为选择水库规模和特征水位提供依据”的要求。
三、应用与分析
根据上述计算方法，本节拟结合东风西沙水库相关的资料，计算东风西沙水库的设计库容和取水建筑物规模。
首先分析公式法的计算成果。考虑工程区多年平均蒸发量和降雨量基本相当，此外计算分析表明，在采取一定防渗措施后，水库日渗漏率很小，因此设计水库调蓄库容计算不考虑蒸发、降雨和渗漏的影响。东风西沙水库为避咸蓄淡型水库，其设计水库调蓄库容主要取决于咸潮期原水供应要求和设计供水保证率条件下最长连续不宜取水天数。公式中具体参数取值如下。
（一）咸潮期最长连续不宜取水天数L
东风西沙水库咸潮期最长连续不宜取水天数按26天进行设计。
（二）原水输送综合损失率S
原水输送综合损失率与原水输送过程的管网损漏和水厂制水损耗等因素有关。根据资料分析，原水输送过程管网损漏率约为2%（至水厂），自来水水厂制水损耗率约为5%，因此取原水输送综合损失率为7%。
（三）咸潮期原水供水折减系数
根据对市北自来水有限公司2001—2004 年各月份供水量调查，以各年咸潮期平均日供水量与年最高日供水量进行比较，得出咸潮期原水供水折减系数分别为2001年0.81、2002年0.80、2003年0.80、2004年0.80，平均为0.80。因此计算取咸潮期原水供水折减系数为0.80。
根据上述方法和计算参数，可计算不同水平年水库所需调蓄库容（有效库容）为：近期2012年设计有效库容为478.5万立方米，设计总库容为571万立方米，远期2020年设计有效库容为890.2万立方米、设计总库容为983万立方米，取水泵站为16立方米/秒，引水闸闸孔宽10米。
其次，分析盐度过程调节计算成果。东风西沙水库工程所处区域的盐度变化规律，如图2所示。
图2 以1978—1979年为计算典型年时东风西沙工程处盐度变化
由图2可知，该工程所处水域最长咸潮持续时间主要发生在12月中下旬至1月中旬、1月中下旬至2月中旬、2月中下旬至3月中旬，其中两次连续最长不宜取水天数分别为26天、25天，中间可供补水间隙期为3天。由于水库的库容与咸潮入侵集中期氯化物超标时间及过程分布有关，对照图2可知，若3天间隙期的补水量可满足第二个周期不宜取水天数25天的水库正常供水，则水库的有效库容仅需满足第一个周期不宜取水天数26天的咸潮供水量，此时经验公式的计算结果与盐度过程调节计算成果一致，均可满足设计要求。然而，当间隙期补水量不能满足要求时，则需要通过增大取水泵、闸的规模，以使其满足要求或通过增大水库库容满足总不宜取水天数的供水要求。
通过数值模拟计算可得：在水库库容不变的情况下，该工程取水泵站应调整为32米3/秒，引水闸闸孔宽增加至12米。在取水泵站规模和引水闸孔规模不变的情况下，近期2012年设计有效库容扩大至570.5万立方米，设计总库容为663万立方米，远期2020年设计有效库容为982.2万立方米、设计总库容为1075万立方米。对比分析上述两种方法的计算结果，可以看出经验公式带有一定的局限性，该方法当且仅当图2中间隙期3天的补水量可满足第二个连续不宜取水天数25天的供水要求时，其水库库容的计算结果才是合理的。而盐度过程调节计算使用范围更广，其计算结果更可靠，能满足各种咸潮入侵规律下的计算要求，确保了水库库容、取水泵、取水闸等建筑规模之间的协调性，从而优化了工程设计方案。
四、结语
潮汐河口供水水库具有蓄淡避咸的特点，若简单地套用公式法确定水库建设规模，会造成取水建筑物规模与水库规模不匹配的情况，从而无法发挥水库库容的最大效益，浪费工程投资。通过对比研究两种方法的不同计算结果，可见盐度过程调节计算的适用性更广、可靠性更高，对咸潮入侵规律的敏感性也较公式法小。同时，因该计算方法与咸潮入侵规律密切相关，建议在应用该方法时应加强对咸潮入侵规律的研究，尤其是对初始条件和边界条件的研究。
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