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(cè)驗(yàn)是水文業(yè)務(wù)工作的重要組成部分，在感潮河道的測(cè)驗(yàn)工作中，流量測(cè)驗(yàn)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(cè)20個(gè)潮次，一般1個(gè)潮次要測(cè)5個(gè)小時(shí)左右，最長(zhǎng)可達(dá)8、9個(gè)小時(shí)。在遇洪水時(shí)，樞紐翻排水期間還要進(jìn)行實(shí)測(cè)排水量。為了適用現(xiàn)代水文改革發(fā)展的需要，通過(guò)開(kāi)展流量綜合定線后，一方面，在年際總量與時(shí)段（逐月、逐日）總量控制精度得到滿足要求情況下，水文測(cè)驗(yàn)工作可以采用駐測(cè)、巡測(cè)、遙測(cè)、委托觀測(cè)等相結(jié)合的方式，借助先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)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(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。另一方面可以解放生產(chǎn)力，開(kāi)展流量間測(cè)，進(jìn)一步加強(qiáng)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(diào)度，進(jìn)一步開(kāi)展區(qū)域的水文規(guī)律和水文情報(bào)預(yù)報(bào)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(zhǎng)江，西為金壇丘陵地區(qū)，南與宜興市接壤，區(qū)域內(nèi)地勢(shì)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(shì)比較復(fù)雜，是長(zhǎng)江中下游地區(qū)典型的平原水網(wǎng)區(qū)。全長(zhǎng)6300多公里的長(zhǎng)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(zhǎng)江自安徽省蕪湖以下河段在天文大潮時(shí)均有回水雍高現(xiàn)象，有明顯的與潮汐相應(yīng)的水位變化過(guò)程。尤其是鎮(zhèn)江以下河段，當(dāng)長(zhǎng)江回水雍高時(shí)，水位往往高于內(nèi)河水位，受沿江閘壩的控制起到調(diào)節(jié)內(nèi)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(yīng)的水位變化過(guò)程，稱其為感潮河道。

　　長(zhǎng)江流經(jīng)常州段全長(zhǎng)約為18公里，境內(nèi)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(yùn)河相通，所控制的區(qū)域西與丹陽(yáng)為界，東北與江陰相接，東以三山港為界，東西長(zhǎng)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(zhì)上同屬于感潮河道，是引長(zhǎng)江水進(jìn)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(zhǎng)江水源，滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航運(yùn)、飲用等需要，同時(shí)改善常州境內(nèi)水質(zhì)。

　　五條感潮河道的基本情況是：新孟河在鎮(zhèn)江揚(yáng)中市西來(lái)橋鎮(zhèn)西夾江處入口，建有小河新閘控制，在常州武進(jìn)區(qū)奔牛鎮(zhèn)入大運(yùn)河。全長(zhǎng)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(zhì)，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(zhǎng)江下游約6公里，由常州市祿安洲入口，在連江橋入大運(yùn)河，全長(zhǎng)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(mén)開(kāi)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(shè)施，在防汛抗旱中可產(chǎn)生較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(kāi)挖，新建澡港樞紐于2002年投入運(yùn)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(shè)立，主要監(jiān)測(cè)德勝河引排水量。通過(guò)對(duì)其他三條河道的引排水量開(kāi)展巡測(cè)比測(cè)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(guān)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(zhǎng)江回水雍高而水源流向感潮河道所形成的。潮汐運(yùn)動(dòng)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(nèi)，有兩次漲落潮過(guò)程；漲潮流歷時(shí)短于落潮流歷時(shí)；漲潮流與落潮流的最大流速都出現(xiàn)在相應(yīng)的高潮和低潮前；漲落潮轉(zhuǎn)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(dǎo)：

　　其中：B——斷面寬度

　　h0——1/2潮差

　　h——半潮水位時(shí)的水深

　　根據(jù)許多資料分析及公式可見(jiàn)，h對(duì)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(gè)主要因素外，漲、落潮憩流水位及出現(xiàn)時(shí)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(shí)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(zhǎng)江水源出入水量。一般情況下，在長(zhǎng)江落潮時(shí)，內(nèi)河水位高于閘外長(zhǎng)江水位，節(jié)制閘等關(guān)閉閘門(mén)，防止內(nèi)河水源經(jīng)感潮河道向長(zhǎng)江逸失，內(nèi)河水網(wǎng)區(qū)通過(guò)河道之間的調(diào)蓄作用，可以保持水位的穩(wěn)定。在長(zhǎng)江漲潮時(shí)，內(nèi)河水位低于閘外長(zhǎng)江水位，節(jié)制閘等開(kāi)啟，長(zhǎng)江水源通過(guò)感潮河道向內(nèi)河水網(wǎng)區(qū)補(bǔ)充水量。引水量的大小與長(zhǎng)江上游來(lái)水、潮流強(qiáng)度有密切的關(guān)系，如在汛期的天文感潮期間（一般為農(nóng)歷初三、十八前后），閘外長(zhǎng)江水位遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)河水位，引潮水量較大。不僅如此，受閘門(mén)啟閉以及自身下墊面（河寬、河深、河床底質(zhì)與形狀等）的約束作用，感潮河道實(shí)際出現(xiàn)的潮水位和潮量過(guò)程又進(jìn)一步變形，如閘門(mén)開(kāi)啟較小時(shí)可以削減感潮洪峰。感潮河道的底水較高時(shí)，容易產(chǎn)生頂托作用，影響長(zhǎng)江水源的引入。汛期降雨量特別大時(shí)（一般在6月下旬），內(nèi)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(kāi)關(guān)閘措施：在長(zhǎng)江漲潮時(shí)關(guān)閘擋水，落潮時(shí)開(kāi)閘排水。

　　按照感潮河道節(jié)制閘或水利樞紐的管理養(yǎng)護(hù)要求以及常州市區(qū)境內(nèi)的正常需水要求，閘門(mén)啟閉一般在閘內(nèi)外水位相平時(shí)進(jìn)行，即在憩流期進(jìn)行，以保證最大可能地引入水量。這樣，開(kāi)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(guò)對(duì)小河新閘水文站、魏村水文站多年的流量實(shí)測(cè)資料的分析，節(jié)制閘門(mén)的開(kāi)啟情況對(duì)進(jìn)入閘門(mén)的潮量有影響（如削減潮峰等），但測(cè)驗(yàn)斷面距離閘門(mén)遠(yuǎn)，感潮水流又具有緩變流的特點(diǎn)，閘門(mén)的約束作用對(duì)測(cè)驗(yàn)斷面上的水位流量關(guān)系影響較小，測(cè)驗(yàn)斷面上的開(kāi)閘穩(wěn)定水位、有效波高（測(cè)驗(yàn)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(guān)系，且為主要的影響因素。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在引排水量的施測(cè)時(shí)必須考慮不同來(lái)水、不同潮汛的漲落潮流的特點(diǎn),也就是時(shí)空分布要合理,能夠反映閘門(mén)開(kāi)啟后的全年出流全貌。因此，在潮量定線計(jì)算中主要考慮能反映不同潮汛潮流強(qiáng)度的高（低）潮位（）、反映內(nèi)河水位高低的開(kāi)閘穩(wěn)定水位（）以及兩者之差（即有效波高）。用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述：。另外根據(jù)我國(guó)河流水位流量關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，較采用冪指數(shù)關(guān)系表達(dá)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(yīng)用原理就出于此。在實(shí)際工作中，常用圖解法率定出Ｋ、α、β、γ。不同感潮河道對(duì)感潮流的約束作用不同，相應(yīng)的Ｋ、α、β、γ也有所不同。

　　因此，從感潮河道的水流特性來(lái)看，引排水量主要決定于以下幾個(gè)因素：①潮汐的強(qiáng)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(qiáng)度；②堰閘的調(diào)節(jié)控制：節(jié)制閘門(mén)的開(kāi)啟情況（如孔數(shù)、高度、頻度）；③開(kāi)閘水位：主要反映內(nèi)河水位的頂托作用；④內(nèi)河水網(wǎng)區(qū)或者長(zhǎng)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(cè)驗(yàn)和計(jì)算感潮河道的引排水量及流量定線時(shí)，應(yīng)該考慮上述因素的影響。

　　3、降水徑流因素

　　降水徑流過(guò)程雖然多數(shù)用線性關(guān)系來(lái)處理，但呈非線性關(guān)系已被人們所認(rèn)同，降雨～徑流的關(guān)系主要依賴于流域的結(jié)構(gòu)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(duì)感潮河道的水位流量關(guān)系產(chǎn)生一定影響，在豐、平、枯水的不同年份，長(zhǎng)江上游來(lái)水大小不一，以及長(zhǎng)江下游潮汐強(qiáng)度逐年有所變化，導(dǎo)致“一潮推流法”公式中K、α、β、γ值會(huì)因不同年份而不同，在一定范圍內(nèi)變化擺動(dòng)。在同一年份內(nèi)，常州市區(qū)降水較大時(shí)，會(huì)使內(nèi)河水網(wǎng)區(qū)水位抬升，對(duì)潮量的進(jìn)出產(chǎn)生一定影響。

　　常州區(qū)域內(nèi)的感潮河道只有二、三十公里左右長(zhǎng)，控制區(qū)域較小，均在200平方公里以下。區(qū)域內(nèi)地面植被、土壤、地質(zhì)因素單一，占主導(dǎo)地位的某單項(xiàng)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(cuò)，相鄰河道之間影響較大，導(dǎo)致匯流方向不統(tǒng)一，產(chǎn)、匯參數(shù)變化快，因此對(duì)某一感潮河道，不能形成明顯的降水徑流關(guān)系。同時(shí)，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(wàn)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(qiáng)度可不必作為參數(shù)考慮到感潮河道的水位流量關(guān)系中。但降水后內(nèi)河水位比較高時(shí)施測(cè)二、三潮次，使K、α、β、γ值更能準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況。

　　四、綜合定線分析

　　運(yùn)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(guān)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(guān)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(qiáng)，德勝河上的魏村水文站為省級(jí)流量控制站，水文資料序列長(zhǎng)，校測(cè)資料已經(jīng)達(dá)到規(guī)范要求5年以上，下面就結(jié)合魏村閘水文站的多年定線開(kāi)展綜合定線分析。

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

　　由于潮水波屬于運(yùn)動(dòng)波，且感潮河道無(wú)旁側(cè)入流。慣性項(xiàng)可以忽略不計(jì)，即：

　　,（L為計(jì)算河段長(zhǎng)）

　　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(dāng)較大時(shí)（河道相對(duì)窄深），h對(duì)R的影響較大，進(jìn)而影響Q，即Q對(duì)h呈冪指數(shù)函數(shù)形式。由于水位Z與水深h有直接關(guān)系，Q亦對(duì)Z呈冪指數(shù)函數(shù)形式,且河道越相對(duì)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(duì)于比較寬淺的河道，根據(jù),，在同一水深下，越寬的河道過(guò)水面積A越大，相應(yīng)的過(guò)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(duì)L有較明顯的線性關(guān)系,L越大,在Q與水位Z的關(guān)系式中,常數(shù)項(xiàng)就越大(以上式中含義及詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程略)。

　　對(duì)于感潮河道，一潮引水平均流量（最大流量）是開(kāi)閘時(shí)瞬時(shí)流量的加權(quán)平均:Q=∑ciQI，Q與QI有線性關(guān)系，顯然，在感潮河道的引潮水位流量關(guān)系中相對(duì)窄深的水位冪指數(shù)小，常數(shù)項(xiàng)大。在排水情況下，開(kāi)閘前穩(wěn)定水位的影響較大，反映大降水后內(nèi)河水位普漲，水位越高，排水量將越大。

　　運(yùn)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(jì)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(cè)驗(yàn)斷面上的水位流量關(guān)系有所改變，因此僅采用1997年以后的兩個(gè)測(cè)流斷面上（2004年搬遷到下游300米處）的流量實(shí)測(cè)資料和水位流量關(guān)系曲線。式中Z表示下游高潮水位（引水）或開(kāi)閘前穩(wěn)定水位（排水），ΔZ表示Z 與下游開(kāi)閘前穩(wěn)定水位之差（引水）、開(kāi)閘水位與關(guān)閘水位的平均和下游最低水位之差（排水）；一項(xiàng)一般被作為相關(guān)因子α。

　　歷年實(shí)測(cè)資料定線成果說(shuō)明：雖然斷面有變動(dòng)，但整個(gè)測(cè)驗(yàn)河段上潮汐要素與潮流量關(guān)系比較穩(wěn)定，引水相關(guān)因子在10—120之間變動(dòng)，排水相關(guān)因子在5—30之間變動(dòng)，能夠控制大中小潮汛的水量變化，兩種相關(guān)因子在各自變化區(qū)間內(nèi)用歷年推流公式計(jì)算，所得成果相對(duì)誤差控制在±10%以內(nèi)（計(jì)算成果略）。這表明水位流量關(guān)系均可進(jìn)一步開(kāi)展綜合歷年成果進(jìn)行推流。圖解法是綜合定線比較有效的手段，可以運(yùn)用圖解法進(jìn)行綜合關(guān)系分析，圖1為計(jì)算機(jī)點(diǎn)繪在對(duì)數(shù)紙上魏村多年水位平均流量關(guān)系如圖：

　　圖2 為魏村多年水位最大流量關(guān)系如圖

　　備注：其中紅線為歷年綜合關(guān)系線

　　如上兩圖，可見(jiàn)歷年的水位流量關(guān)系線線型一致，分布都密集在一個(gè)區(qū)域中，高、中、低水變幅小，這說(shuō)明水位流量關(guān)系具有良好的相關(guān)性，可以從關(guān)系線中定出一條綜合線，從綜合線上找出低水、高水的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算綜合公式如下：

　　德勝河引水： ：

　　排水：由于受閘門(mén)開(kāi)啟高度及電站翻水影響，無(wú)法綜合定線。

　　為了驗(yàn)證綜合線的合理性，需要通過(guò)歷年的資料和歷年的關(guān)系線來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)，通過(guò)驗(yàn)證（驗(yàn)證過(guò)程包括相對(duì)誤差計(jì)算分析、三項(xiàng)檢驗(yàn)等，具體過(guò)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(guān)因素進(jìn)行相對(duì)偏差分析計(jì)算，一般情況下魏村站的最大的相關(guān)因素在100左右，為了選擇的代表性與實(shí)際相符，偏差檢驗(yàn)時(shí)的高水相關(guān)因素選擇100，中水相關(guān)因素選擇50，低水相關(guān)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(guān)系歷年線與綜合線偏離誤差成果表

　　表2 水位最大流量關(guān)系歷年線與綜合線偏離誤差成果表

　　由以上兩表可見(jiàn)，在高中水時(shí)偏差大些，相對(duì)誤差在[-5.0-5.0]之間的有5次，低水為8次?？v觀9年資料，誤差大的年份發(fā)生在1999年和2004年。99年全長(zhǎng)江流域發(fā)洪水，內(nèi)河引水受洪水的影響較大，關(guān)系線的主要影響因子潮汐因素受到消弱故導(dǎo)致關(guān)系線偏離誤差較大。2004年由于魏村閘閘門(mén)經(jīng)常不正常開(kāi)啟而導(dǎo)致誤差較大?？梢?jiàn)這兩年的資料不具有代表性，在綜合定線時(shí)可以考慮舍棄，但也說(shuō)明在洪水年份，綜合線不能適用，需要進(jìn)行實(shí)測(cè)流量來(lái)定線推流。不考慮以上兩年關(guān)系線后，相對(duì)誤差都在[-8.0-8.0]之間，根據(jù)水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)（第一冊(cè)野外工作）要求，認(rèn)為該綜合定線基本符合要求，由此可見(jiàn)，綜合線在理論上和實(shí)際運(yùn)用上是完全可行的。

　　五、結(jié)束語(yǔ)

　　本文通過(guò)在“一潮推流法”的基礎(chǔ)上再運(yùn)用圖解法開(kāi)展綜合定線分析，通過(guò)理論和實(shí)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(jìn)行流量間測(cè)，減輕測(cè)站的工作量，提高了工作效率。在此分析的基礎(chǔ)上，我們還可以對(duì)有一定系列資料的排水開(kāi)展綜合線分析論證，進(jìn)而在全站區(qū)的感潮河道站推廣開(kāi)展綜合定線分析，使我們測(cè)站的水文工作能適應(yīng)現(xiàn)代化水文發(fā)展的要求，為從測(cè)站傳統(tǒng)水文向現(xiàn)代水文發(fā)展奠定一定的基礎(chǔ)。