長江口水資源開發(fā)利用研究

長江口水資源開發(fā)利用研究

上海計(jì)劃在21世紀(jì)初建設(shè)一個(gè)以浦東發(fā)展為龍頭的國際經(jīng)濟(jì)、金融、貿(mào)易和航運(yùn)中心的國際大城市。城市建設(shè)將導(dǎo)致巨大發(fā)展，城市供水能力也將增加。同時(shí)，我們還必須改善自來水的水質(zhì)。黃浦江上游水源在水量和水質(zhì)上均難以滿足上海的發(fā)展需要。尋找新的優(yōu)質(zhì)水源,勢在必行。上海位于長江口南岸,長江水量豐沛,具有得天獨(dú)厚的條件。但長江河口淡水資源利用需要研究兩大問題:雖然長江口主槽水質(zhì)優(yōu)于黃浦江上游,由于上海的工業(yè)廢水和生活污水向長江口南岸水域排放,南岸邊灘存在污染帶,這個(gè)污染帶的擴(kuò)散稀釋規(guī)律如何,對河口水質(zhì)造成的影響程度如何;第二個(gè)問題是長江口咸潮入侵的強(qiáng)度及時(shí)空變化規(guī)律。1洪季5月至10月長江是中國最大的河流,全長6300km,流域面積為180萬km2,年徑流總量9240億m3,大通站(距口門約620km)多年年平均流量為2.93萬m3/s,約為黃浦江的100倍,徑流量分配主要集中在洪季(5月至10月),占全年的71.7%,7月最大;枯季(11月至翌年4月)僅占28.3%,2月最小。長江口為中等潮汐強(qiáng)度的三角洲河口,位于口門附近的中浚潮位站多年平均潮差2.66m,最大為4.62m,口門外為正規(guī)半日潮,口門內(nèi)為不正規(guī)半日淺海潮。長江口鹽水入侵上界可達(dá)徐六涇,自徐六涇至吳淞口為南支河段,全長約70km,該河段上段有白茆沙,中有扁擔(dān)沙,下有中央沙,把南支河段分隔成分汊河道,南分汊為主汊道,水深8~11m。過吳淞口后長江口南支由長興島分隔為南北港,九段沙又把南港分為南北槽。南北槽、北港均存在最大渾濁帶和攔門沙,攔門沙灘頂水深多在6.0m左右。吳淞口至南槽口門4#燈標(biāo)約75km(圖1)。2現(xiàn)場觀測和研究方法2.1水樣、廢水的監(jiān)測分析方法對長江口水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測,一般在7~8月和1~3月期間進(jìn)行兩個(gè)航次,取表、中、底水樣(相對水深Z/H=0.0,0.5,0.9),pH、DO在現(xiàn)場測試。水樣于觀測當(dāng)天送到實(shí)驗(yàn)室,實(shí)驗(yàn)室測試項(xiàng)目有COD,BOD5,NH3-N,NO-2-N,NO-3-N,TOC,Cu,Pb,Hg,As,酚、油類等。分析方法按照中國國家環(huán)境保護(hù)局頒發(fā)的《水和廢水的監(jiān)測分析方法》執(zhí)行。另外為了了解掌握長江的南岸陸域排入長江口的污染物擴(kuò)散狀態(tài),采用了航空遙感調(diào)查、物理模型試驗(yàn)和利用示蹤物跟蹤測定等技術(shù)手段。2.2氯離子濃度自動監(jiān)測儀自1978年以來,在長江口的關(guān)鍵岸段設(shè)立岸邊觀測點(diǎn),觀測歷時(shí)大多達(dá)1~2個(gè)月,同時(shí)在水域用測量船定點(diǎn)觀測流速、流向、鹽度,歷時(shí)大多為一個(gè)完整的大小潮周期。近幾年,還研制了氯離子濃度自動監(jiān)測儀,定時(shí)觀測鹽度(每隔半小時(shí)自動記錄一個(gè)鹽度值)。在加強(qiáng)現(xiàn)場觀測的基礎(chǔ)上,對鹽水入侵的時(shí)空變化特性進(jìn)行了詳細(xì)分析,尋找其規(guī)律性。對其規(guī)律性初步認(rèn)識后,采用了數(shù)理統(tǒng)計(jì)、二維數(shù)值模擬、ARMAX模型+MARKOV模型等數(shù)學(xué)方法,推算最長連續(xù)超標(biāo)天數(shù)(一天24小時(shí)內(nèi)若有20個(gè)小時(shí)以上的氯度值超過某一指標(biāo)值,則這一天作為超標(biāo)天數(shù)統(tǒng)計(jì)),取得了較好的效果。3結(jié)果與討論3.1污水?dāng)U散和污水沿程分布從四川省攀枝花市到上海19個(gè)城市江段搜集到的長江干流多年監(jiān)測資料分析表明,按中國國家河流水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的綜合評價(jià),長江水質(zhì)基本上保持在II類至III類,水質(zhì)處于清潔、尚清潔的良好狀態(tài)。這得益于長江水量大、流速快、自凈能力強(qiáng)。吳淞口以上的南支南岸河段,主要有石洞口(也稱西區(qū)排污口)、瀏河口兩個(gè)污水排放處。為掌握其排放濃度和擴(kuò)散稀釋過程,有關(guān)單位曾做過調(diào)查、試驗(yàn)和測定工作。如上海市航空遙感綜合調(diào)查辦公室對瀏河口至石洞口水域污染源擴(kuò)散影響范圍進(jìn)行的遙感調(diào)查,南京水利科學(xué)研究院為研究西區(qū)排污口和瀏河口在漲落潮時(shí)污水?dāng)U散影響程度所作的物理模型試驗(yàn),以及華東師范大學(xué)為研究西區(qū)排污口污水隨潮上溯的漂流測定等。通過上述幾種技術(shù)手段調(diào)查研究,得到如下幾點(diǎn)認(rèn)識:寶鋼水庫下游有一條污染帶,落潮時(shí)該污染帶最大縱向擴(kuò)散長度約10km,漲潮時(shí)最大縱向擴(kuò)散長度約6km,污染帶橫向?qū)挾?50~1000m;寶鋼水庫上游瀏河口排出的污水,落憩時(shí)污染帶擴(kuò)散長度最長可達(dá)5km,寬度500~800m。污水排出后對長江口南支南岸邊灘造成一定的局部污染,但未構(gòu)成大面積范圍的影響,對建設(shè)水源未構(gòu)成威脅。目前上海市有關(guān)部門已經(jīng)在石洞口興建污水處理廠,同時(shí)瀏河口排污量也將得到控制。南支南岸水域的水質(zhì)可望得到改善。圖2為徐六涇至小九段河段,CODMn、DO、NH3-N的沿程分布狀況1。圖中縱坐標(biāo)Pi為評價(jià)項(xiàng)目的單項(xiàng)污染指數(shù),Pi=Ci/SiCi-評價(jià)項(xiàng)目的實(shí)測濃度(mg/l);Si——評價(jià)項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)(mg/l)。圖2反映了在徐六涇、楊林附近,CODMn、NH3-N濃度較低,向下游Pi沿程增加,在黃浦江出口、吳淞口下游水域出現(xiàn)較高濃度值,這是由于受黃浦江排出的污水影響,再往東,小九段附近Pi有所下降。同時(shí),值得一提的是沿吳淞口下游3km斷面,五條垂線的DO、CODMn、NH3-N的監(jiān)測結(jié)果表明,隨著水深增加和遠(yuǎn)離岸邊,DO的濃度不斷上升,CODMn、NH3-N濃度不斷下降,反映了黃浦江排出的污水影響范圍主要集中在近岸的淺水段。這一現(xiàn)象與長江口南支河段的情況是一致的。1999年洪、枯季,作者曾在長江口布設(shè)觀測點(diǎn),每個(gè)測點(diǎn)在漲憩和落憩時(shí)刻取表、中、底三層各5kg水樣,除pH、DO現(xiàn)場測試外,其余水樣即送實(shí)驗(yàn)室測試COD、BOD5、NH3-N、NO-2-N、NO-3-N、TPb、TCd、TCu、TOC等污染物元素的含量。根據(jù)1999年洪、枯季大、小潮在漲、落憩監(jiān)測的水質(zhì)污染物濃度的平均值,按《GBZB1-1999地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,所測的NO-3-N、NO-2-N、NH3-N、TCd、TCu、TPb等濃度尚屬Ⅰ、Ⅱ類,但個(gè)別化學(xué)元素濃度在Ⅱ類以上,例TP、石油類等。應(yīng)指出的是,對長江口水質(zhì)的評價(jià),應(yīng)全面綜合考慮,不能把某些瞬時(shí)觀測值或某一測點(diǎn)某一斷面,或某一二個(gè)污染指標(biāo)作為長江口的總體污染現(xiàn)狀,同時(shí)對將來長江流域污染物的排放總量、污水治理程度以及長江口的納污及自凈能力,要有個(gè)科學(xué)預(yù)測,只有這樣,才能得到較為符合客觀情況的結(jié)論,提出相應(yīng)的治理方案。3.2連續(xù)超標(biāo)天數(shù)所謂受鹽水入侵影響是指水體中的氯度值超過100mg/L。本文主要研究兩個(gè)內(nèi)容:一個(gè)是咸潮入侵的時(shí)空變化規(guī)律;另一個(gè)是對選定的某一水域,預(yù)測最長連續(xù)超標(biāo)天數(shù)。南支—南港鹽水入侵源主要有北支高鹽水倒灌和外海海水隨漲潮流從北港、南槽以及北槽上溯兩類來源。自50年代后期開始,北支演變?yōu)闈q潮槽水道,枯季大潮,有大量鹽水倒灌南支,對南支、南港、北港的氯度值上升產(chǎn)生極為明顯的影響。據(jù)實(shí)測資料計(jì)算,1987年2月16~17日在兩個(gè)潮周期內(nèi),進(jìn)入南支的鹽量達(dá)1.47×104t2。3.2.1月內(nèi)鹽水入侵規(guī)律潮周日變化長江口鹽度與潮位有一定的位相差,而與流速的位相接近,并且鹽度與流速的關(guān)系視鹽水來源不同而呈兩種類型。若鹽水入侵源以北支倒灌為主,氯度峰、谷值分別出現(xiàn)在落憩、漲憩附近;若鹽水入侵源主要來自口外漲潮流,則氯度峰、谷值分別出現(xiàn)在漲憩、落憩附近。半月變化長江口潮汐在半月中出現(xiàn)一次大潮和一次小潮,相應(yīng)地,日平均鹽度值也出現(xiàn)一個(gè)高值區(qū)和一個(gè)低值區(qū)。它們之間的關(guān)系較為復(fù)雜,可概括成三種類型:一種是高鹽區(qū)出現(xiàn)在大潮期,低鹽區(qū)出現(xiàn)在小潮期;另一種是大潮期鹽度低,小潮期鹽度高;第三種是高鹽區(qū)出現(xiàn)在小潮或小潮后的尋常潮期間,低鹽區(qū)仍出現(xiàn)在大潮期。北支和南、北槽常出現(xiàn)第一種類型,第二類常出現(xiàn)在吳淞口以上的南支主槽;南、北港上段位于河口中部,來自上、下游的鹽水都在這里交匯,第二、三種類型在該水域都有可能出現(xiàn)。季節(jié)變化長江徑流有明顯的洪、枯季變化,鹽度也有洪、枯季變化。位于長江口南槽口門處的引水船測站的多年實(shí)測資料表明,二月份鹽度最高,表層月平均鹽度為20.9,七月份最低為8.85(表1)。年際變化上述咸水入侵規(guī)律只是在平水、枯水及特枯年份的枯季才有較明顯的表現(xiàn)。若在豐水年,外海鹽水入侵只能抵達(dá)高橋以下河段,高橋以上(北支除外)水域全年受徑流控制,氯度多在100mg/L以下(表2)。同時(shí)由于上游流量偏豐,進(jìn)入北支的徑流量相應(yīng)增多,遏制了北支鹽水對南支的倒灌,南支主槽氯度多在50mg/L以下。據(jù)對大通水文站50多年的流量資料,繪制皮—Ⅲ型曲線,發(fā)現(xiàn)豐水年約占26%,平水年約占47%,枯水年與特枯水年分別占23%、4%。平水流量變幅大,出現(xiàn)年份最多,由表3可見:(1)1974至1975年枯季咸潮入侵強(qiáng)度最大,主要原因是70年代是北支高鹽水倒灌南支最為嚴(yán)重的年份。70年代未開始,北支倒灌南支有所減弱;(2)高橋站位于吳淞口下游6km,1981~1982及1983~1984年枯季,吳淞站受咸程度遠(yuǎn)低于高橋,反映了在平水年,咸潮入侵鋒抵達(dá)高橋河段,吳淞口以上水域基本上受徑流控制。枯水年份長江口南港鹽水入侵強(qiáng)度增加,受咸歷時(shí)加長,就1986~1987年枯季而言,高橋連續(xù)超過250mg/L和400mg/L的最長天數(shù)分別為36、24天,約為吳淞站的3倍。特枯年份出現(xiàn)的機(jī)率很少,但它對長江河口的鹽水入侵影響很大,尤其對取水工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),至關(guān)重要。1978~1979年的長江口鹽水入侵,在歷史上是比較嚴(yán)重的,1978年8月吳淞就受到咸潮入侵,9月25日氯度超過250mg/L,直至1979年5月19日后才降至250mg/L以下,歷時(shí)近9個(gè)月,氯度大于250mg/L的連續(xù)天數(shù)近3個(gè)月。高橋站的鹽水入侵強(qiáng)度與吳淞相近,反映了在特枯年份條件下,高橋至吳淞縱長6km的水域,其受咸程度是接近的。3.2.2流作用的深刻性橫斷面在同一河槽的橫斷面上,長江口主槽氯度變幅大于岸邊淺水。在復(fù)式河槽的橫斷面,以漲潮流作用為主的漲潮槽鹽度高于以落潮流作用為主的落潮槽?？v斷面存在三條鹽度梯度急劇變化分界線。一條以橫沙島東灘為洪季鹽水入侵影響到達(dá)的上界;另一條為高橋斷面,為豐水年的枯季鹽水入侵鋒所至的上界;第三條為七丫口斷面,因受白茆沙體的阻隔,北支倒灌鹽水的主體經(jīng)白茆沙北水道下泄,在七丫口上首與南水道落潮流匯合下泄,七丫口以上水體含氯度主要來自少量的白茆沙漫灘過來的鹽水,形成七丫口上下游明顯的鹽度梯度。4計(jì)算長度連續(xù)超過規(guī)定天的計(jì)算在潮汐河口取水,為避免咸潮影響,需筑庫蓄水,庫容的確定至關(guān)重要,它取決于城市用水量以及水庫所在水域的最長連續(xù)超標(biāo)天數(shù)。4.1流量特性的確定通過吳淞測站的多年氯度資料與大通站對應(yīng)年份的流量分析計(jì)算,發(fā)現(xiàn)大通流量與吳淞氯度之間有良好的相關(guān)關(guān)系,圖3表示,大通站每年出現(xiàn)1.8×104m3/s以下流量的天數(shù)愈多,吳淞站出現(xiàn)大于250mg/L的小時(shí)數(shù)也愈多。確定水庫庫容,還需要回答最長連續(xù)超標(biāo)天數(shù)。為此,對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了多次分析計(jì)算,發(fā)現(xiàn)最長連續(xù)超標(biāo)天數(shù)(D)與大通站枯季平均流量(Q1)和大通站年最小日平均流量(Q2)有較好的相關(guān)關(guān)系:D=0.038EXP(A/Q1Q2)A=3.57×103,R=0.934.2水流方程和鹽度平衡方程利用水體連續(xù)方程、動量方程及鹽度平衡方程求解。對于水流方程選用正交曲線網(wǎng)格下的ADI法離散計(jì)算;對鹽度平衡方程選用全隱式的控制體積法求解。計(jì)算范圍上界取自天生港,下界至122°35′E,全長218km。4.3數(shù)據(jù)模型的建立利用平面二維數(shù)值模型計(jì)算長江口各處的氯度分布,是一種確定性模型方法,然而,觀測站獲得的數(shù)據(jù)實(shí)際上是受隨機(jī)因素影響的,利用隨機(jī)模型分析實(shí)測數(shù)據(jù)可能是一種有效的途徑。高橋站有20多年的鹽度觀測資料,但青草沙水源地的鹽度資料相對短缺,采用ARMAX(外源自回歸滑動平均模型),把高橋站鹽度作為系統(tǒng)輸入,青草沙水域鹽度作為系統(tǒng)輸出,建立它們之間動態(tài)變化的數(shù)學(xué)模型。目的在于利用高橋站的長系列鹽度資料延拓青草沙水源地相應(yīng)時(shí)間的鹽度值,然后再用Markov模型計(jì)算出在不同流量保證的條件下,青草沙水源地最長連續(xù)不宜取水天數(shù)。綜合上述幾種數(shù)學(xué)方法,得到青草沙水源地在長江大通流量保證率為90%、95%、99%的條件下,最長連續(xù)不宜取水天數(shù)分別為42~44天、62~70天、85~90天,這與實(shí)際情況基本相符。5研究了長江口鹽水入侵的觀點(diǎn)80年代初興建的上海寶山鋼鐵總廠(簡稱寶鋼)是中國建國以來一項(xiàng)特大工程,舉國矚目。如何解決寶鋼的水源,曾經(jīng)是一個(gè)復(fù)雜的科技難題。原來的設(shè)計(jì)方案選擇遠(yuǎn)離寶鋼72km的淀山湖作為水源地。寶鋼位于長江口南支南岸,為什么不選用長江河口為水源地,反要舍近求遠(yuǎn)?原來寶鋼對水源的水質(zhì)有很高的要求,尤其對氯離子含量有嚴(yán)格的規(guī)定,最高<200mg/L,年平均值<50mg/L。寶鋼河段地處河口區(qū),枯季常受外海鹽水入侵和北支高鹽水倒灌過境影響,氯離子濃度常超過200mg/L。寶鋼的干部、科技人員參閱了有關(guān)長江口鹽水入侵的研究文獻(xiàn)3,經(jīng)過反復(fù)探索和論證,加深了認(rèn)識,提出了“避咸潮取水,蓄淡水保質(zhì)”的取水原則,由淀山湖引水方案改為長江引水方案。寶鋼長江引水工程由取水系統(tǒng)、調(diào)蓄水庫和輸水系統(tǒng)三大部分組成。取水系統(tǒng)由三座直徑12m的蘑菇形全潛式取水頭;三根直徑3m、各長210m的重力進(jìn)水管;一座直徑40m、總高近30m的江中式取水泵房;六根直徑2m、各長100m的壓力出水管;一座水庫內(nèi)消能池等部分組成。為了避開淺水污水帶影響,取水頭設(shè)置在-5.0m等深線外側(cè)。調(diào)蓄水庫是用土石壩結(jié)構(gòu)圍地筑成,總庫容量為1100萬m3,水面面積為164萬m2,所用土地為長江口的潮灘,外堤壩建在零米等深線。輸水系統(tǒng)主要有輸水泵站和兩根直徑為1.2m