常州沿江感潮河道站流量綜合定線分析

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　　一、目的

　　流量測驗是水文業(yè)務工作的重要組成部分，在感潮河道的測驗工作中，流量測驗工作尤為重要，為滿足年度定線要求，每年引水和排水至少要各測20個潮次，一般1個潮次要測5個小時左右，最長可達8、9個小時。在遇洪水時，樞紐翻排水期間還要進行實測排水量。為了適用現(xiàn)代水文改革發(fā)展的需要，通過開展流量綜合定線后，一方面，在年際總量與時段（逐月、逐日）總量控制精度得到滿足要求情況下，水文測驗工作可以采用駐測、巡測、遙測、委托觀測等相結合的方式，借助先進的科學技術手段，既能滿足水量平衡原則和區(qū)域代表原則，又控制感潮河道的總出入水量，更好地為社會經(jīng)濟發(fā)展服務。另一方面可以解放生產(chǎn)力，開展流量間測，進一步加強基本站、輔助站、委托站等的統(tǒng)一管理，人力物力的統(tǒng)一調度，進一步開展區(qū)域的水文規(guī)律和水文情報預報的分析與研究。

　　二、區(qū)域概述

　　常州地處江蘇省東南部，東臨太湖，北依長江，西為金壇丘陵地區(qū)，南與宜興市接壤，區(qū)域內地勢低平，水網(wǎng)密布，湖蕩溝塘眾多，河道相互貫通，水量交換頻繁，水文情勢比較復雜，是長江中下游地區(qū)典型的平原水網(wǎng)區(qū)。全長6300多公里的長江流經(jīng)常州，多年平均入海水量9760億立方米，是其下游平原水網(wǎng)區(qū)的重要水源。受天文潮汐的影響，長江自安徽省蕪湖以下河段在天文大潮時均有回水雍高現(xiàn)象，有明顯的與潮汐相應的水位變化過程。尤其是鎮(zhèn)江以下河段，當長江回水雍高時，水位往往高于內河水位，受沿江閘壩的控制起到調節(jié)內河水位。這些河道由于間接地受海洋潮汐的影響，有明顯的與潮汐相應的水位變化過程，稱其為感潮河道。

　　長江流經(jīng)常州段全長約為18公里，境內西向東有浦河、新孟河、剩銀河、德勝河、澡港河等五條主要通江河道，五條河道南與大運河相通，所控制的區(qū)域西與丹陽為界，東北與江陰相接，東以三山港為界，東西長約40公里，南北約20公里，面積約750平方公里，占常州市區(qū)面積的40%，地面高程約5-9米（吳淞基面，以下同）。五條河道在性質上同屬于感潮河道，是引長江水進入常州市區(qū)的重要水道，每年可以提供約20億立方米的長江水源，滿足工農業(yè)生產(chǎn)、航運、飲用等需要，同時改善常州境內水質。

　　五條感潮河道的基本情況是：新孟河在鎮(zhèn)江揚中市西來橋鎮(zhèn)西夾江處入口，建有小河新閘控制，在常州武進區(qū)奔牛鎮(zhèn)入大運河。全長約21.4公里，河寬約60米，河底中心高程約-0.60米，河床為粘土質，兩岸河堤較高，可抵御7米以下的潮水；年引水量約為5-6億立方米，排水量一般約為引水量的十分之一。德勝河在新孟河入口沿長江下游約6公里，由常州市祿安洲入口，在連江橋入大運河，全長約20.7公里，河寬約70米，河底中心高程約-1.00米，正常情況下其引排水量約為新孟河的1.5倍；1996年在入江口新建魏村水利樞紐后，下游兩岸不能抵御6米以上的潮水，因而閘門開啟受到限制，引水量也受到限制。魏村水利樞紐配有翻水發(fā)電設施，在防汛抗旱中可產(chǎn)生較大的社會經(jīng)濟利益。孟河與剩銀河由于淤積影響，河床抬高，引排水量較少。澡港河經(jīng)開挖，新建澡港樞紐于2002年投入運行，引排水量約為德勝河的三分之二。魏村閘水文站1973年經(jīng)省水文總站設立，主要監(jiān)測德勝河引排水量。通過對其他三條河道的引排水量開展巡測比測后，基本能控制五條河道的總出入水量。

　　三、影響感潮河段水位流量關系的主要因素

　　1、潮汐因素

　　感潮河道的水位流量變化主要是受海洋潮汐的頂托影響以及長江回水雍高而水源流向感潮河道所形成的。潮汐運動具有周期性，主要由天體引力產(chǎn)生的。在常州感潮河段的潮汐和潮流一般屬于非正規(guī)的半日周期潮，其水文特性是：一天文日內，有兩次漲落潮過程；漲潮流歷時短于落潮流歷時；漲潮流與落潮流的最大流速都出現(xiàn)在相應的高潮和低潮前；漲落潮轉換之間有一段憩流期。根據(jù)理想的水平矩形渠道中潮流各要素推導：

　　其中：B——斷面寬度

　　h0——1/2潮差

　　h——半潮水位時的水深

　　根據(jù)許多資料分析及公式可見，h對Q影響很小，幾乎可以視為常數(shù)，主要是潮差h0的影響，潮差是影響潮流量的重要因素。

　　除了潮差這個主要因素外，漲、落潮憩流水位及出現(xiàn)時間是反映河水流量與潮流量相互影響變化的因素之一。漲、落潮流歷時亦是反映潮水與河水影響變化的因素

　　2、工程因素

　　在感潮河道上一般建有節(jié)制閘等水利工程控制長江水源出入水量。一般情況下，在長江落潮時，內河水位高于閘外長江水位，節(jié)制閘等關閉閘門，防止內河水源經(jīng)感潮河道向長江逸失，內河水網(wǎng)區(qū)通過河道之間的調蓄作用，可以保持水位的穩(wěn)定。在長江漲潮時，內河水位低于閘外長江水位，節(jié)制閘等開啟，長江水源通過感潮河道向內河水網(wǎng)區(qū)補充水量。引水量的大小與長江上游來水、潮流強度有密切的關系，如在汛期的天文感潮期間（一般為農歷初三、十八前后），閘外長江水位遠遠高于內河水位，引潮水量較大。不僅如此，受閘門啟閉以及自身下墊面（河寬、河深、河床底質與形狀等）的約束作用，感潮河道實際出現(xiàn)的潮水位和潮量過程又進一步變形，如閘門開啟較小時可以削減感潮洪峰。感潮河道的底水較高時，容易產(chǎn)生頂托作用，影響長江水源的引入。汛期降雨量特別大時（一般在6月下旬），內河水網(wǎng)區(qū)的產(chǎn)流多，水位易超出警戒范圍。為了防汛排澇，節(jié)制閘等采取相反的開關閘措施：在長江漲潮時關閘擋水，落潮時開閘排水。

　　按照感潮河道節(jié)制閘或水利樞紐的管理養(yǎng)護要求以及常州市區(qū)境內的正常需水要求，閘門啟閉一般在閘內外水位相平時進行，即在憩流期進行，以保證最大可能地引入水量。這樣，開閘期間，感潮河道的流量變化比較符合閘外潮流變化的一般規(guī)律。另外，通過對小河新閘水文站、魏村水文站多年的流量實測資料的分析，節(jié)制閘門的開啟情況對進入閘門的潮量有影響（如削減潮峰等），但測驗斷面距離閘門遠，感潮水流又具有緩變流的特點，閘門的約束作用對測驗斷面上的水位流量關系影響較小，測驗斷面上的開閘穩(wěn)定水位、有效波高（測驗斷面上的最大水位與穩(wěn)定水位之差）與潮量的大小有密切關系，且為主要的影響因素。根據(jù)經(jīng)驗，在引排水量的施測時必須考慮不同來水、不同潮汛的漲落潮流的特點,也就是時空分布要合理,能夠反映閘門開啟后的全年出流全貌。因此，在潮量定線計算中主要考慮能反映不同潮汛潮流強度的高（低）潮位（）、反映內河水位高低的開閘穩(wěn)定水位（）以及兩者之差（即有效波高）。用數(shù)學語言描述：。另外根據(jù)我國河流水位流量關系的經(jīng)驗公式，較采用冪指數(shù)關系表達上面函數(shù)，即。江蘇省沿江感潮河道的定線推流中常采用的“一潮推流法”，其應用原理就出于此。在實際工作中，常用圖解法率定出Ｋ、α、β、γ。不同感潮河道對感潮流的約束作用不同，相應的Ｋ、α、β、γ也有所不同。

　　因此，從感潮河道的水流特性來看，引排水量主要決定于以下幾個因素：①潮汐的強弱：高潮位或低潮位，分別反映不同潮汛的潮汐大小和漲潮流（引水）或落潮流（排水）的潮流強度；②堰閘的調節(jié)控制：節(jié)制閘門的開啟情況（如孔數(shù)、高度、頻度）；③開閘水位：主要反映內河水位的頂托作用；④內河水網(wǎng)區(qū)或者長江上游受暴雨或洪水的影響；⑤感潮河道自身的下墊面因素。測驗和計算感潮河道的引排水量及流量定線時，應該考慮上述因素的影響。

　　3、降水徑流因素

　　降水徑流過程雖然多數(shù)用線性關系來處理，但呈非線性關系已被人們所認同，降雨～徑流的關系主要依賴于流域的結構特征，主要是流域上下游的情況和流域下墊面條件，但是也明顯受到氣候變化等各方面的影響。

　　降水對感潮河道的水位流量關系產(chǎn)生一定影響，在豐、平、枯水的不同年份，長江上游來水大小不一，以及長江下游潮汐強度逐年有所變化，導致“一潮推流法”公式中K、α、β、γ值會因不同年份而不同，在一定范圍內變化擺動。在同一年份內，常州市區(qū)降水較大時，會使內河水網(wǎng)區(qū)水位抬升，對潮量的進出產(chǎn)生一定影響。

　　常州區(qū)域內的感潮河道只有二、三十公里左右長，控制區(qū)域較小，均在200平方公里以下。區(qū)域內地面植被、土壤、地質因素單一，占主導地位的某單項因素可以靈敏地直接影響徑流的形成與變化，而且在水網(wǎng)地區(qū)，河網(wǎng)密度高，河道縱橫交錯，相鄰河道之間影響較大，導致匯流方向不統(tǒng)一，產(chǎn)、匯參數(shù)變化快，因此對某一感潮河道，不能形成明顯的降水徑流關系。同時，這部分徑流占全年引入潮量的比例很低，如小河新閘水文站多年平均降水量為1044.4毫米，多年平均蒸發(fā)量為880.1毫米，多年平均凈雨產(chǎn)流約為3286萬立方米，僅占新孟河多年平均引水量的5 %。因此，降水大小與強度可不必作為參數(shù)考慮到感潮河道的水位流量關系中。但降水后內河水位比較高時施測二、三潮次，使K、α、β、γ值更能準確地反映實際情況。

　　四、綜合定線分析

　　運用在潮水河流量定線的方法有多種，如“一潮推流法”、合軸相關法等，但江蘇感潮閘壩站中“一潮推流法”是比較合理可行的流量定線方式。

　　沿江感潮河段水位流量間的關系比較類似，德勝河在地理位置上位于五條河道的中間，屬于骨干河道，區(qū)域代表性強，德勝河上的魏村水文站為省級流量控制站，水文資料序列長，校測資料已經(jīng)達到規(guī)范要求5年以上，下面就結合魏村閘水文站的多年定線開展綜合定線分析。

　　感潮水流同天然河道的洪水波變化過程一樣，屬于非恒定漸變流，是內因與外因綜合作用的結果，可用圣維南方程表示：

　　由于潮水波屬于運動波，且感潮河道無旁側入流。慣性項可以忽略不計，即：

　　,（L為計算河段長）

　　根據(jù)曼寧公式及,,假定L為感潮河道水面寬度，h為平均水深，則：。

　　顯然，當較大時（河道相對窄深），h對R的影響較大，進而影響Q，即Q對h呈冪指數(shù)函數(shù)形式。由于水位Z與水深h有直接關系，Q亦對Z呈冪指數(shù)函數(shù)形式,且河道越相對窄深，Z的冪指數(shù)越大，即前述冪指數(shù)（α、β、γ）越大。

　　另一方面，對于比較寬淺的河道，根據(jù),，在同一水深下，越寬的河道過水面積A越大，相應的過水流量Q也就越大，在其它要素（如糙率、河底比降、水面比降，流速等）相同的情況下，由于一般天然河道L≥h、R≈h≈，，即Q相對L有較明顯的線性關系,L越大,在Q與水位Z的關系式中,常數(shù)項就越大(以上式中含義及詳細推導過程略)。

　　對于感潮河道，一潮引水平均流量（最大流量）是開閘時瞬時流量的加權平均:Q=∑ciQI，Q與QI有線性關系，顯然，在感潮河道的引潮水位流量關系中相對窄深的水位冪指數(shù)小，常數(shù)項大。在排水情況下，開閘前穩(wěn)定水位的影響較大，反映大降水后內河水位普漲，水位越高，排水量將越大。

　　運用“一潮推流法”推流法原理，定出德勝河1997年—2005年逐年引排水量的計算公式如下：

　　1997年引水：：

　　排水：：

　　1998年引水：：

　　排水：：

　　1999年引水：：

　　排水：：

　　2000年引水：：

　　排水：：

　　2001年引水：：

　　排水： ：

　　2002年 引水：：

　　排水：：

　　2003年 引水：：

　　排水：：

　　2004年引水：：

　　排水：：

　　2005年引水：：

　　排水：：

　　由于德勝河入江口下游1公里處于1996年新建水利樞紐，原有測驗斷面上的水位流量關系有所改變，因此僅采用1997年以后的兩個測流斷面上（2004年搬遷到下游300米處）的流量實測資料和水位流量關系曲線。式中Z表示下游高潮水位（引水）或開閘前穩(wěn)定水位（排水），ΔZ表示Z 與下游開閘前穩(wěn)定水位之差（引水）、開閘水位與關閘水位的平均和下游最低水位之差（排水）；一項一般被作為相關因子α。

　　歷年實測資料定線成果說明：雖然斷面有變動，但整個測驗河段上潮汐要素與潮流量關系比較穩(wěn)定，引水相關因子在10—120之間變動，排水相關因子在5—30之間變動，能夠控制大中小潮汛的水量變化，兩種相關因子在各自變化區(qū)間內用歷年推流公式計算，所得成果相對誤差控制在±10%以內（計算成果略）。這表明水位流量關系均可進一步開展綜合歷年成果進行推流。圖解法是綜合定線比較有效的手段，可以運用圖解法進行綜合關系分析，圖1為計算機點繪在對數(shù)紙上魏村多年水位平均流量關系如圖：

　　圖2 為魏村多年水位最大流量關系如圖

　　備注：其中紅線為歷年綜合關系線

　　如上兩圖，可見歷年的水位流量關系線線型一致，分布都密集在一個區(qū)域中，高、中、低水變幅小，這說明水位流量關系具有良好的相關性，可以從關系線中定出一條綜合線，從綜合線上找出低水、高水的兩個節(jié)點，通過計算綜合公式如下：

　　德勝河引水： ：

　　排水：由于受閘門開啟高度及電站翻水影響，無法綜合定線。

　　為了驗證綜合線的合理性，需要通過歷年的資料和歷年的關系線來進行檢驗，通過驗證（驗證過程包括相對誤差計算分析、三項檢驗等，具體過程略），合格率都在75％以上。根據(jù)歷年資料分析，選用高、中、低水代表的相關因素進行相對偏差分析計算，一般情況下魏村站的最大的相關因素在100左右，為了選擇的代表性與實際相符，偏差檢驗時的高水相關因素選擇100，中水相關因素選擇50，低水相關因素選擇10，年度線和綜合線的誤差偏離誤差如下表1和表2：

　　表1 水位平均流量關系歷年線與綜合線偏離誤差成果表

　　表2 水位最大流量關系歷年線與綜合線偏離誤差成果表

　　由以上兩表可見，在高中水時偏差大些，相對誤差在[-5.0-5.0]之間的有5次，低水為8次。縱觀9年資料，誤差大的年份發(fā)生在1999年和2004年。99年全長江流域發(fā)洪水，內河引水受洪水的影響較大，關系線的主要影響因子潮汐因素受到消弱故導致關系線偏離誤差較大。2004年由于魏村閘閘門經(jīng)常不正常開啟而導致誤差較大?？梢娺@兩年的資料不具有代表性，在綜合定線時可以考慮舍棄，但也說明在洪水年份，綜合線不能適用，需要進行實測流量來定線推流。不考慮以上兩年關系線后，相對誤差都在[-8.0-8.0]之間，根據(jù)水文測驗手冊（第一冊野外工作）要求，認為該綜合定線基本符合要求，由此可見，綜合線在理論上和實際運用上是完全可行的。

　　五、結束語

　　本文通過在“一潮推流法”的基礎上再運用圖解法開展綜合定線分析，通過理論和實際成果的分析后，定出魏村水文站引水的兩根綜合線（水位平均流量和水位最大流量），從而可以在今后的工作中進行流量間測，減輕測站的工作量，提高了工作效率。在此分析的基礎上，我們還可以對有一定系列資料的排水開展綜合線分析論證，進而在全站區(qū)的感潮河道站推廣開展綜合定線分析，使我們測站的水文工作能適應現(xiàn)代化水文發(fā)展的要求，為從測站傳統(tǒng)水文向現(xiàn)代水文發(fā)展奠定一定的基礎。