常州沿江感潮河道站流量综合定线分析

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　　一、目的

　　流量测验是水文业务工作的重要组成部分，在感潮河道的测验工作中，流量测验工作尤为重要，为满足年度定线要求，每年引水和排水至少要各测20个潮次，一般1个潮次要测5个小时左右，最长可达8、9个小时。在遇洪水时，枢纽翻排水期间还要进行实测排水量。为了适用现代水文改革发展的需要，通过开展流量综合定线后，一方面，在年际总量与时段（逐月、逐日）总量控制精度得到满足要求情况下，水文测验工作可以采用驻测、巡测、遥测、委托观测等相结合的方式，借助先进的科学技术手段，既能满足水量平衡原则和区域代表原则，又控制感潮河道的总出入水量，更好地为社会经济发展服务。另一方面可以解放生产力，开展流量间测，进一步加强基本站、辅助站、委托站等的统一管理，人力物力的统一调度，进一步开展区域的水文规律和水文情报预报的分析与研究。

　　二、区域概述

　　常州地处江苏省东南部，东临太湖，北依长江，西为金坛丘陵地区，南与宜兴市接壤，区域内地势低平，水网密布，湖荡沟塘众多，河道相互贯通，水量交换频繁，水文情势比较复杂，是长江中下游地区典型的平原水网区。全长6300多公里的长江流经常州，多年平均入海水量9760亿立方米，是其下游平原水网区的重要水源。受天文潮汐的影响，长江自安徽省芜湖以下河段在天文大潮时均有回水雍高现象，有明显的与潮汐相应的水位变化过程。尤其是镇江以下河段，当长江回水雍高时，水位往往高于内河水位，受沿江闸坝的控制起到调节内河水位。这些河道由于间接地受海洋潮汐的影响，有明显的与潮汐相应的水位变化过程，称其为感潮河道。

　　长江流经常州段全长约为18公里，境内西向东有浦河、新孟河、剩银河、德胜河、澡港河等五条主要通江河道，五条河道南与大运河相通，所控制的区域西与丹阳为界，东北与江阴相接，东以三山港为界，东西长约40公里，南北约20公里，面积约750平方公里，占常州市区面积的40%，地面高程约5-9米（吴淞基面，以下同）。五条河道在性质上同属于感潮河道，是引长江水进入常州市区的重要水道，每年可以提供约20亿立方米的长江水源，满足工农业生产、航运、饮用等需要，同时改善常州境内水质。

　　五条感潮河道的基本情况是：新孟河在镇江扬中市西来桥镇西夹江处入口，建有小河新闸控制，在常州武进区奔牛镇入大运河。全长约21.4公里，河宽约60米，河底中心高程约-0.60米，河床为粘土质，两岸河堤较高，可抵御7米以下的潮水；年引水量约为5-6亿立方米，排水量一般约为引水量的十分之一。德胜河在新孟河入口沿长江下游约6公里，由常州市禄安洲入口，在连江桥入大运河，全长约20.7公里，河宽约70米，河底中心高程约-1.00米，正常情况下其引排水量约为新孟河的1.5倍；1996年在入江口新建魏村水利枢纽后，下游两岸不能抵御6米以上的潮水，因而闸门开启受到限制，引水量也受到限制。魏村水利枢纽配有翻水发电设施，在防汛抗旱中可产生较大的社会经济利益。孟河与剩银河由于淤积影响，河床抬高，引排水量较少。澡港河经开挖，新建澡港枢纽于2002年投入运行，引排水量约为德胜河的三分之二。魏村闸水文站1973年经省水文总站设立，主要监测德胜河引排水量。通过对其他三条河道的引排水量开展巡测比测后，基本能控制五条河道的总出入水量。

　　三、影响感潮河段水位流量关系的主要因素

　　1、潮汐因素

　　感潮河道的水位流量变化主要是受海洋潮汐的顶托影响以及长江回水雍高而水源流向感潮河道所形成的。潮汐运动具有周期性，主要由天体引力产生的。在常州感潮河段的潮汐和潮流一般属于非正规的半日周期潮，其水文特性是：一天文日内，有两次涨落潮过程；涨潮流历时短于落潮流历时；涨潮流与落潮流的最大流速都出现在相应的高潮和低潮前；涨落潮转换之间有一段憩流期。根据理想的水平矩形渠道中潮流各要素推导：

　　其中：B——断面宽度

　　h0——1/2潮差

　　h——半潮水位时的水深

　　根据许多资料分析及公式可见，h对Q影响很小，几乎可以视为常数，主要是潮差h0的影响，潮差是影响潮流量的重要因素。

　　除了潮差这个主要因素外，涨、落潮憩流水位及出现时间是反映河水流量与潮流量相互影响变化的因素之一。涨、落潮流历时亦是反映潮水与河水影响变化的因素

　　2、工程因素

　　在感潮河道上一般建有节制闸等水利工程控制长江水源出入水量。一般情况下，在长江落潮时，内河水位高于闸外长江水位，节制闸等关闭闸门，防止内河水源经感潮河道向长江逸失，内河水网区通过河道之间的调蓄作用，可以保持水位的稳定。在长江涨潮时，内河水位低于闸外长江水位，节制闸等开启，长江水源通过感潮河道向内河水网区补充水量。引水量的大小与长江上游来水、潮流强度有密切的关系，如在汛期的天文感潮期间（一般为农历初三、十八前后），闸外长江水位远远高于内河水位，引潮水量较大。不仅如此，受闸门启闭以及自身下垫面（河宽、河深、河床底质与形状等）的约束作用，感潮河道实际出现的潮水位和潮量过程又进一步变形，如闸门开启较小时可以削减感潮洪峰。感潮河道的底水较高时，容易产生顶托作用，影响长江水源的引入。汛期降雨量特别大时（一般在6月下旬），内河水网区的产流多，水位易超出警戒范围。为了防汛排涝，节制闸等采取相反的开关闸措施：在长江涨潮时关闸挡水，落潮时开闸排水。

　　按照感潮河道节制闸或水利枢纽的管理养护要求以及常州市区境内的正常需水要求，闸门启闭一般在闸内外水位相平时进行，即在憩流期进行，以保证最大可能地引入水量。这样，开闸期间，感潮河道的流量变化比较符合闸外潮流变化的一般规律。另外，通过对小河新闸水文站、魏村水文站多年的流量实测资料的分析，节制闸门的开启情况对进入闸门的潮量有影响（如削减潮峰等），但测验断面距离闸门远，感潮水流又具有缓变流的特点，闸门的约束作用对测验断面上的水位流量关系影响较小，测验断面上的开闸稳定水位、有效波高（测验断面上的最大水位与稳定水位之差）与潮量的大小有密切关系，且为主要的影响因素。根据经验，在引排水量的施测时必须考虑不同来水、不同潮汛的涨落潮流的特点,也就是时空分布要合理,能够反映闸门开启后的全年出流全貌。因此，在潮量定线计算中主要考虑能反映不同潮汛潮流强度的高（低）潮位（）、反映内河水位高低的开闸稳定水位（）以及两者之差（即有效波高）。用数学语言描述：。另外根据我国河流水位流量关系的经验公式，较采用幂指数关系表达上面函数，即。江苏省沿江感潮河道的定线推流中常采用的“一潮推流法”，其应用原理就出于此。在实际工作中，常用图解法率定出Ｋ、α、β、γ。不同感潮河道对感潮流的约束作用不同，相应的Ｋ、α、β、γ也有所不同。

　　因此，从感潮河道的水流特性来看，引排水量主要决定于以下几个因素：①潮汐的强弱：高潮位或低潮位，分别反映不同潮汛的潮汐大小和涨潮流（引水）或落潮流（排水）的潮流强度；②堰闸的调节控制：节制闸门的开启情况（如孔数、高度、频度）；③开闸水位：主要反映内河水位的顶托作用；④内河水网区或者长江上游受暴雨或洪水的影响；⑤感潮河道自身的下垫面因素。测验和计算感潮河道的引排水量及流量定线时，应该考虑上述因素的影响。

　　3、降水径流因素

　　降水径流过程虽然多数用线性关系来处理，但呈非线性关系已被人们所认同，降雨～径流的关系主要依赖于流域的结构特征，主要是流域上下游的情况和流域下垫面条件，但是也明显受到气候变化等各方面的影响。

　　降水对感潮河道的水位流量关系产生一定影响，在丰、平、枯水的不同年份，长江上游来水大小不一，以及长江下游潮汐强度逐年有所变化，导致“一潮推流法”公式中K、α、β、γ值会因不同年份而不同，在一定范围内变化摆动。在同一年份内，常州市区降水较大时，会使内河水网区水位抬升，对潮量的进出产生一定影响。

　　常州区域内的感潮河道只有二、三十公里左右长，控制区域较小，均在200平方公里以下。区域内地面植被、土壤、地质因素单一，占主导地位的某单项因素可以灵敏地直接影响径流的形成与变化，而且在水网地区，河网密度高，河道纵横交错，相邻河道之间影响较大，导致汇流方向不统一，产、汇参数变化快，因此对某一感潮河道，不能形成明显的降水径流关系。同时，这部分径流占全年引入潮量的比例很低，如小河新闸水文站多年平均降水量为1044.4毫米，多年平均蒸发量为880.1毫米，多年平均净雨产流约为3286万立方米，仅占新孟河多年平均引水量的5 %。因此，降水大小与强度可不必作为参数考虑到感潮河道的水位流量关系中。但降水后内河水位比较高时施测二、三潮次，使K、α、β、γ值更能准确地反映实际情况。

　　四、综合定线分析

　　运用在潮水河流量定线的方法有多种，如“一潮推流法”、合轴相关法等，但江苏感潮闸坝站中“一潮推流法”是比较合理可行的流量定线方式。

　　沿江感潮河段水位流量间的关系比较类似，德胜河在地理位置上位于五条河道的中间，属于骨干河道，区域代表性强，德胜河上的魏村水文站为省级流量控制站，水文资料序列长，校测资料已经达到规范要求5年以上，下面就结合魏村闸水文站的多年定线开展综合定线分析。

　　感潮水流同天然河道的洪水波变化过程一样，属于非恒定渐变流，是内因与外因综合作用的结果，可用圣维南方程表示：

　　由于潮水波属于运动波，且感潮河道无旁侧入流。惯性项可以忽略不计，即：

　　,（L为计算河段长）

　　根据曼宁公式及,,假定L为感潮河道水面宽度，h为平均水深，则：。

　　显然，当较大时（河道相对窄深），h对R的影响较大，进而影响Q，即Q对h呈幂指数函数形式。由于水位Z与水深h有直接关系，Q亦对Z呈幂指数函数形式,且河道越相对窄深，Z的幂指数越大，即前述幂指数（α、β、γ）越大。

　　另一方面，对于比较宽浅的河道，根据,，在同一水深下，越宽的河道过水面积A越大，相应的过水流量Q也就越大，在其它要素（如糙率、河底比降、水面比降，流速等）相同的情况下，由于一般天然河道L≥h、R≈h≈，，即Q相对L有较明显的线性关系,L越大,在Q与水位Z的关系式中,常数项就越大(以上式中含义及详细推导过程略)。

　　对于感潮河道，一潮引水平均流量（最大流量）是开闸时瞬时流量的加权平均:Q=∑ciQI，Q与QI有线性关系，显然，在感潮河道的引潮水位流量关系中相对窄深的水位幂指数小，常数项大。在排水情况下，开闸前稳定水位的影响较大，反映大降水后内河水位普涨，水位越高，排水量将越大。

　　运用“一潮推流法”推流法原理，定出德胜河1997年—2005年逐年引排水量的计算公式如下：

　　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：：

　　由于德胜河入江口下游1公里处于1996年新建水利枢纽，原有测验断面上的水位流量关系有所改变，因此仅采用1997年以后的两个测流断面上（2004年搬迁到下游300米处）的流量实测资料和水位流量关系曲线。式中Z表示下游高潮水位（引水）或开闸前稳定水位（排水），ΔZ表示Z 与下游开闸前稳定水位之差（引水）、开闸水位与关闸水位的平均和下游最低水位之差（排水）；一项一般被作为相关因子α。

　　历年实测资料定线成果说明：虽然断面有变动，但整个测验河段上潮汐要素与潮流量关系比较稳定，引水相关因子在10—120之间变动，排水相关因子在5—30之间变动，能够控制大中小潮汛的水量变化，两种相关因子在各自变化区间内用历年推流公式计算，所得成果相对误差控制在±10%以内（计算成果略）。这表明水位流量关系均可进一步开展综合历年成果进行推流。图解法是综合定线比较有效的手段，可以运用图解法进行综合关系分析，图1为计算机点绘在对数纸上魏村多年水位平均流量关系如图：

　　图2 为魏村多年水位最大流量关系如图

　　备注：其中红线为历年综合关系线

　　如上两图，可见历年的水位流量关系线线型一致，分布都密集在一个区域中，高、中、低水变幅小，这说明水位流量关系具有良好的相关性，可以从关系线中定出一条综合线，从综合线上找出低水、高水的两个节点，通过计算综合公式如下：

　　德胜河引水： ：

　　排水：由于受闸门开启高度及电站翻水影响，无法综合定线。

　　为了验证综合线的合理性，需要通过历年的资料和历年的关系线来进行检验，通过验证（验证过程包括相对误差计算分析、三项检验等，具体过程略），合格率都在75％以上。根据历年资料分析，选用高、中、低水代表的相关因素进行相对偏差分析计算，一般情况下魏村站的最大的相关因素在100左右，为了选择的代表性与实际相符，偏差检验时的高水相关因素选择100，中水相关因素选择50，低水相关因素选择10，年度线和综合线的误差偏离误差如下表1和表2：

　　表1 水位平均流量关系历年线与综合线偏离误差成果表

　　表2 水位最大流量关系历年线与综合线偏离误差成果表

　　由以上两表可见，在高中水时偏差大些，相对误差在[-5.0-5.0]之间的有5次，低水为8次。纵观9年资料，误差大的年份发生在1999年和2004年。99年全长江流域发洪水，内河引水受洪水的影响较大，关系线的主要影响因子潮汐因素受到消弱故导致关系线偏离误差较大。2004年由于魏村闸闸门经常不正常开启而导致误差较大。可见这两年的资料不具有代表性，在综合定线时可以考虑舍弃，但也说明在洪水年份，综合线不能适用，需要进行实测流量来定线推流。不考虑以上两年关系线后，相对误差都在[-8.0-8.0]之间，根据水文测验手册（第一册野外工作）要求，认为该综合定线基本符合要求，由此可见，综合线在理论上和实际运用上是完全可行的。

　　五、结束语

　　本文通过在“一潮推流法”的基础上再运用图解法开展综合定线分析，通过理论和实际成果的分析后，定出魏村水文站引水的两根综合线（水位平均流量和水位最大流量），从而可以在今后的工作中进行流量间测，减轻测站的工作量，提高了工作效率。在此分析的基础上，我们还可以对有一定系列资料的排水开展综合线分析论证，进而在全站区的感潮河道站推广开展综合定线分析，使我们测站的水文工作能适应现代化水文发展的要求，为从测站传统水文向现代水文发展奠定一定的基础。