潮汐河口江心避咸蓄淡水库总体布局及水质保障技术优化方案

1）问题提出

本节主要涉及咸潮入侵规律、水库总体布局、河势评估、水库运行调度、库区水质保障等相关研究问题。

（1）咸潮入侵。咸潮入侵是感潮河口的一个重要特征。对于河口咸潮入侵的研究始于20世纪50—60年代，经历了观测资料的基础分析阶段、数值模型基础研究阶段、以观测为基础通过数模和物模进行深入研究阶段。国内外对咸潮入侵均做了相当多的研究，其中咸潮入侵的原理、分析方法和手段具有一定的借鉴意义。但由于咸潮入侵除受径流和潮流相互作用外，还受到河口平面形态、河床冲淤、沙洲变迁、局部流态等影响，每个河口的咸潮入侵均有其特殊性。长江口北支咸潮倒灌，加剧了长江口咸潮入侵的复杂性，尤其是南北港分流口青草沙水域咸淡水运动规律的复杂性。历史上的观测资料、数值分析成果主要偏重于长江口南支南岸、北槽深水航道水域等“几个点”，没有覆盖青草沙水域。此外，还需要研究代表典型年盐度过程，得到最长连续不宜取水时间，以确定水库及取水建筑规模。

（2）河势评估与水库总体布局。长江口青草沙水库所在河段是长江口区近百年来滩槽变化频繁、河床冲淤较为剧烈的河段，河势演变规律十分复杂。在南北港分流口区域圈围建库，一方面需要考虑工程实施可能对河势产生的影响，另一方面要考虑河势的变化也会对工程本身安全带来影响，需要提出相应的工程应对措施。

目前针对潮汐河口河势评估及工程影响预测的分析方法主要有实测资料分析、数学模型研究和物理模型试验等。实测资料分析主要是依据河势演变历史资料分析河势的演变方向和发展规律，从而预测河势的未来发展趋势。随着科学技术的发展和计算方法的不断进步，数学模型研究和物理模型试验在潮汐河口河势评估及工程影响预测领域得到了迅猛发展。目前，数模和物模已经发展成开展潮汐河口河势评估及工程影响预测研究工作的两个重要手段。

青草沙水库地处南北港分流口，沙洲变动频繁，位置敏感，互动因素较多，演变规律与趋势预报困难，又直接影响到南北港分流分沙变化，工程位置又邻近上海长江大桥、一些重要企业和长江口深水航道，应综合分析，采用多种研究手段，并行研究，达成共识。

（3）运行调度。如何最大限度地发挥水库效益，一直是水库调度研究的主要方向之一。总的来说，水库调度运行的研究发展较快，其调度方式和模型不断发展完善，但其成果主要集中于为解决洪水问题而进行的防洪调度、为缓解库区水沙问题而进行的冲沙调度，以及水库的兴利调度，对于河口型水库的避咸、改善水质及节能调度研究和实践经验较少。

青草沙水库为河口避咸蓄淡型水库，主要工程任务是向上海市供应原水，工程特殊的取水环境使得其调度运行方式与国内外大多数水库的调度运行方式有很大的差别。长江口水域水动力条件十分复杂，水质变化、咸潮入侵以及河势演变等直接影响避咸蓄淡水库取水的可靠性，取水口位置和取水方式的合理选择是直接影响水库供水安全、取水建筑物规模和水库运行成本的关键。如何选择合理的调度形式、优化调度方案，则有待于根据青草沙水库具体环境，在借鉴已有的有限经验情况下，进行研究和分析。

（4）库区水质保障。湖库富营养化的研究主要采用现场实测资料、室内试验、数值模拟分析等进行。防止富营养化手段主要有物理方法、化学方法、生态方法等。青草沙水库是供水水库，水量大，决定了防止水体富营养化的方法只能是合理调度、设计适宜库型，以增加水体流动，并辅以生态方法等。

长江口水体中营养盐浓度较高，水库具有浅水型湖泊的特点，水库建成后库区水流变缓，具有富营养化风险，易导致库区水质恶化。须通过库型优化、引排布局、优化水库调度并辅以建立良性生态系统等措施保持和改善库区水质。

2）技术方法

（1）咸潮入侵。

①盐度监测系统建立：建立长江口盐度遥测系统。

②全潮同步水文、盐度监测：针对长江上游来水量小、北支水沙盐倒灌较为严重的特殊时期，如1999年、2002年枯水季节，在长江口南北支等河段开展全潮同步水文、盐度监测。

③实测资料统计与分析：分析长江口咸潮入侵影响因素、咸潮入侵时空规律、北支咸潮倒灌的影响、青草沙水域咸潮入侵的特征。

④咸潮入侵过程分析：建立三维盐度数学模型，确定代表典型年盐度过程。

（2）河势评估与水库总体布局。

①水文测验、水下地形监测：在水库及周边区域开展水文监测、水下地形测量。(www.xing528.com)

②河势演变分析：在调研、总结已有成果的基础上，结合最新实测资料，系统分析南北港分流口河段的涨落潮特点，揭示相关河段水沙运动特性、水沙变化发展趋势。

在总结近百年来工程区域河床演变基本规律和收集历史上不同时期的海图和地形图的基础上，研究自19世纪中叶后期北港形成以后，南北港分流口通道随着分汊口沙洲的上延或下移出现的频繁演变过程及其发展趋势。

③数值模拟与物理模型试验：建立数学模型，并结合河演分析和长江口整体定床、动床物理模型试验等技术手段，进行河势影响评估。

（3）运行调度。

①取水口、排水口、输水口合理选址。

②水库运行典型潮型分析。

③水库调度模型建立。

（4）库区水质保障。

①分析藻类过度繁殖的水库水力停留时间：总结已有成果，建立藻类生长概念模型，分析青草沙水库藻类过度繁殖的水力停留时间。

②取排水建筑物合理布局与水体调活：取水建筑物、排水建筑物、输水建筑物在平面上合理布局和库区疏浚，促进水体流动，减少水体在库区的停留时间。

③优化调度：根据藻类生长特点，增加水体流动，提高或降低水位运行。

3）研究成果

（1）长江口咸潮入侵受径流量、潮汐、平面形态、风应力、科里奥利力和口外陆架环流等的综合作用，具有显著的时空变化特点。其中上游流量和口外潮汐是长江口咸潮入侵最主要的影响因素。长江口北支咸潮倒灌增加了长江口咸潮入侵规律的复杂性。南支上游水域的盐度主要受北支倒灌影响，越向上游，盐度越高。南北港下游水域的盐度则主要受外海咸潮入侵的直接影响，越向外海，盐度越高。青草沙水域受北支咸潮倒灌与外海咸潮入侵的共同影响，位于长江口盐度马鞍形平面分布的低谷区，是建设避咸蓄淡水库的理想库址。

（2）采用改进的三维ECOM-si数值模型，确定了在97％取水保证率下1978—1979年代表典型年的盐度过程，其中最长不宜取水时间出现在1978年12月18日至1979年2月24日，青草沙水库取水口水域最长连续不宜取水时间为68d。

（3）根据河势演变分析、数学模型和物理模型综合研究成果，复演和预测了各特定水文条件下中央沙和青草沙水域水库堤坝工程实施后的流场和河床变化情况，认为2007年前后青草沙水域河势较为稳定，长江口南北港分流口正处于周期性的“冲淤进退、上提下移”中的“冲”与“下移”临界点，南北港分流口河势已向不稳定发展过渡，是建库和南北港分流口整治的较好时机。实施青草沙水库堤坝工程对长江口地区防洪排涝、南北港分流口河势、南北港河势、长江口深水航道、北港上海长江大桥主通航孔及长兴岛南岸重大工程无明显不利影响。工程固定了新桥通道的下边界，阻止了中央沙头的后退，为南北港分流口整治工程的实施创造了有利条件。青草沙水库坝线布置方案符合国务院批准的《长江口综合整治开发规划》。

（4）结合水库工程特点，充分利用潮汐动力，研究实现了“泵闸联动、自流为主”的节能环保型取排水方式。发挥青草沙水库位于江心河口、水质优良、潮汐动能充足等优势，考虑咸潮入侵规律、水库富营养防治等因素，响应国家节能减排的战略方针，突破了以往已建避咸蓄淡水库单一泵站取水模式，加设水闸，充分利用潮汐动力，补充自流取、排（输）水方式。非咸潮期利用上、下游水闸联动自流引排水，咸潮期利用泵提蓄水，在咸潮间隙可补淡水时段采用泵闸联合运行抢补淡水，大大降低了水库运行能耗，减少了运行成本。同时，上、下游水闸规模和布置综合考虑了水库水质保持和提升需求，制定了水闸运行与增加库内水体流动性、增强抵御富营养化能力的调度运行策略。

（5）通过疏浚引流、优化调度等措施，改善了库区流态，防止藻类过度繁殖。