長江感潮河段沿線城市設(shè)計潮水位的計算與分析
——以儀征市為例

蘇 晨，胡繼剛，王 琴，孫 晨，魯培文

(1.河海大學設(shè)計研究院有限公司，南京 210098；2.南京瑞迪建設(shè)科技有限公司，南京 210098；3.儀征市水務(wù)局，江蘇 揚州 211400)

0 引 言

2020年7月長江中下游迎來了歷史最高潮位，南京下關(guān)站潮位達8.79m(2020年7月20日)(廢黃河高程，下同)，超歷史最高水位0.38m；儀征泗源溝閘閘下潮位達7.59m(2020年7月21日)，超歷史最高水位0.33m，給沿線城市防汛工作帶來了一次大考驗，事實證明這是一次成功的考驗，也是對過去幾十年長江防洪建設(shè)成效的肯定。但造成長江中下游高水位這一現(xiàn)象的深層次原因更加值得我們思考：隨著長江中下游經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，城市化過程不斷擴張，城市下墊面特性發(fā)生很大的變化，由于不透水面積的增加，導致地表徑流量增加，洪峰流量增大，徑流系數(shù)加大，雨水產(chǎn)匯流時間縮短，增大洪峰流量，加之近年來由于氣候條件的變化，造成長江流域外洪內(nèi)澇的不利遭遇發(fā)生概率增大[1]。長江的設(shè)計潮位決定了防洪工程的設(shè)計標準，是保證長江防洪工程功能穩(wěn)定發(fā)揮的最重要因素，是保障長江防洪能力的決定性因素。

當前，國內(nèi)外學者對長江潮位的研究包括長江感潮河段洪潮遭遇組合概率分析、長江南京潮水位站近百年高潮位變化特征及成因分析、三峽工程蓄水前后長江河口段潮汐特征變化分析、江蘇省沿江排澇設(shè)計潮位和潮型研究等[2-5]。在2020年7月長江中下游大洪水以來，還沒有關(guān)于長江潮位的分析研究，文章將以儀征市長江感潮段設(shè)計潮位的計算為例，結(jié)合2020年7月長江大洪水，分析在長江大保護的大背景下新時期長江潮位的計算方法。

1 儀征市長江潮位計算與分析

1.1 基本情況

儀征市位于江蘇省中西部，長江下游北岸。南瀕長江，與江寧及丹徒縣隔江相望，東臨邗江，西界六合，北與安徽天長和江蘇高郵市接壤，市域總面積903km2。地處長江沖積平原，地勢西北高東南低，區(qū)域內(nèi)地貌類型屬長江河谷侵蝕堆積階地和河漫灘平原，可分為丘陵、崗地、平原圩區(qū)三類，土質(zhì)多為砂壤土和粉砂土，局部洼地有黏壤土。全市降雨量年內(nèi)分配不均勻，主要集中在汛期5-9月，降雨量年際變化較大。儀征市地跨長江、淮河兩大流域，境內(nèi)地勢低洼，受理位置、水文氣象地形地貌等因素的影響，城市受到江淮洪水、山洪、內(nèi)澇的多重威脅，防洪安全是儀征城市建設(shè)的首要任務(wù)。

長江儀征段西起小河口，東至軍橋閘，長29.7km，流經(jīng)青山、真州，新城、樸席等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，分屬長江鎮(zhèn)揚河段的儀征水道(小河口-世業(yè)洲洲頭)和世業(yè)洲岔道。境內(nèi)長江上承大通來水，處于大通至江口感潮段的中部，長江多年平均年徑流量8891億m3，年徑流量最豐的1954年達13590億m3，最枯的1978年僅6780億m3，豐枯極值比為2.0，大通多年平均流量28200m3/s，最大洪峰流量92600m3/s(1954年8月1日)，枯水季節(jié)最小流量4620m3/s(1979年1月31日)，汛期(5-10月)平均流量39700m3/s。潮水位隨流量大小和潮汐影響而變化，歷史上沿江最高潮位：泗源溝7.59m(2020年7月21日)。潮水位的高低，是考慮儀征江堤防洪及內(nèi)部排水設(shè)計的基礎(chǔ)依據(jù)。

1.2 長江潮位計算與分析

1.2.1 潮位觀測資料及特性

區(qū)域內(nèi)及鄰近的沿江潮位觀測站有三個：泗源溝站、瓜洲站和三江營站，其中三江營站觀測系列較長，觀測資料比較完整，是進行潮位分析的主要站點。

境內(nèi)長江位于長江河口和大通感潮界的中部，潮型屬非正規(guī)半日潮混合型，漲潮歷時3h，落潮歷時9h，潮差為東大西小，低水位時潮差大，高水位時潮差小，長江流量越大，潮差越小。多年平均潮差，三江營為1.18m，泗源溝為0.87m，長江最高潮位受大通來量和天文、氣象潮以及淮河來水的綜合影響。

1.2.2 設(shè)計潮位分析計算

1)設(shè)計潮位頻率分析：

根據(jù)儀揚河流域多年發(fā)生年最大三日暴雨同期四天長江三江營平均潮位，采用皮爾遜Ⅲ型曲線進行頻率計算，再根據(jù)三江營與瓜洲、泗源溝站潮位相關(guān)關(guān)系推算得出相應(yīng)的瓜洲、泗源溝平均潮位，最后依據(jù)兩站同等潮位時的平均潮差推算出瓜洲閘、泗源溝閘的高、低潮位。潮位頻率分析計算成果見表1。

表1 三江營、瓜洲閘下、泗源溝閘下潮位計算成果表 m

2)典型年潮位：

建國以來，內(nèi)部暴雨與同期長江高潮位遭遇的有1954年，1975年、1991年及2020年。其中1954年、19 91年及2020年所遭遇的長江潮位保證率較大，為便于分析比較，現(xiàn)將1954年、1991年、2020年作為典型年，其暴雨同期瓜洲、泗源溝長江高、低潮及其平均潮位見表2。

表2 1954年、1991年、2020年三日暴雨同期四天長江潮位表 m

3)設(shè)計潮位(型)的確定：

行洪水面線計算時，閘下設(shè)計潮位，采用典型年(1991年、2020年)實測(72h)潮位過程線，其他組合計算潮位按1991年潮型縮放。

河道堤防設(shè)計斷面主要由河道行洪水力計算確定，根據(jù)本區(qū)暴雨與長江較高潮位關(guān)系分析，其同期發(fā)生頻率<50%，如完全采用同期同頻，標準太高，很不經(jīng)濟，工程實施難度也比較大。為此，根據(jù)防洪需要和實施可能，從偏安全的角度，確定河道和堤防、校核設(shè)計潮位如下：

堤防設(shè)計和校核采用的潮位：本地20a(50a)一遇設(shè)計(校核)洪水，長江平均潮位泗源溝閘下6.28m，瓜洲閘下5.69m，暴雨同期潮位頻率介于1%到2%之間；日最高潮位泗源溝閘下6.81m，瓜洲閘下6.51m，相當于5a一遇的年最高潮位。為保證防洪安全，對儀揚河堤防，還應(yīng)考慮另一種較為不利的洪潮組合作為校核：本地20a一遇山洪，潮位采用長江2020年實測潮型。最高潮位為：泗源溝閘下7.59m，平均潮位：泗源溝閘下7.02m。

河道設(shè)計和校核采用潮位：本地20a(50a)一遇設(shè)計(校核)洪水，潮位采用72a儀揚河整治規(guī)劃時數(shù)據(jù)，其平均潮位泗源溝閘下5.9m；瓜洲閘下5.5m，暴雨同期潮位頻率介于20%到50%之間，日最高潮位泗源溝閘下6.16m，瓜洲閘下5.86m。

1.2.3 暴雨、洪水、潮位特征分析

長江高潮位大流量，再加本地山洪暴發(fā)，這是儀征防洪排澇最不利的組合，1954年、1991年、2020年都是這種情況，盡管2020年本地降雨雨量不足20a一遇，但長江同期平均潮位達泗源溝閘7.02m，如遇20a一遇以上暴雨，形勢將更為嚴峻。

區(qū)域內(nèi)的暴雨洪水呈現(xiàn)暴漲緩落，雙峰或多峰型，主峰偏后，前峰抬高底水、后峰則遇江潮頂托，因而退水過程滯緩，造成內(nèi)河持續(xù)高水位的不利形勢，這對城市的威脅尤其嚴重。以1991年洪水為實例，內(nèi)河從5.0m水位漲至最高6.94m，經(jīng)從7月2日-11日10天，最大漲幅7月11日8時至12時4小時0.45m。但從6.94m退至5.00m時間從7月11日-25日，歷時14d，本次洪水前后持續(xù)24d。其主要原因是暴雨同期江潮水位泗源溝閘下最低潮位均在5.87m以上，自排嚴重受阻，逼高內(nèi)河水位。這種情況隨著城市規(guī)模的不斷擴大，內(nèi)部抽排動力增加，城市水位還將有所抬高。

1.2.4 防洪方案

長江堤防及沿線通江穿堤建筑物是儀征防御長江洪水的重要屏障，也是儀征市城市防洪南線的主體工程，目前按50a一遇的標準進行的江堤“達標”建設(shè)已基本完成，但還存在薄弱環(huán)節(jié)，仍需進行堤防凹段，小型病險涵閘除險加固和防沖治坍護岸工程。具體規(guī)劃工程為：青山引河至沙河閘段(樁號為93+946-108+200)主江堤頂高程9.9-9.7m，胥浦河、儀揚河、潘家河閘下港堤及青山引河內(nèi)部港堤堤頂高程比同段主江堤降低0.5m(堤頂加高有困難的，可建設(shè)擋浪墻，擋浪墻段土堤頂高程至少高于設(shè)計洪水位0.5m，擋浪墻凈高≤1.20m)，堤頂寬度主江堤為6m，閘下港堤為5m，在背水坡▽5.5m設(shè)平臺，平臺寬7m，堤防坡度平臺以上1∶3，平臺以下邊坡1∶5。

2 結(jié)果與討論

文章以儀征市長江感潮段為例，結(jié)合2020年洪水對其設(shè)計潮位進行了分析計算，總結(jié)了新時期長江中下游感潮河段潮位分析計算的技術(shù)要點，具體如下：

1)受上游蓄水工程影響，長江出現(xiàn)高潮位的幾率逐漸增大，加之由于社會經(jīng)濟發(fā)展引起的下墊面變化，本地暴雨與長江高潮位同時出現(xiàn)幾率相比以往有所增加，在長江中下游感潮河段潮位分析計算應(yīng)充分考慮這一自然變化規(guī)律。

2)高標準的本地洪水與2020年長江中下游最高潮位的洪水組合用于確定設(shè)計潮位易產(chǎn)生余量過大，造成資源浪費。建議采用1991年長江中下游最高潮位進行設(shè)計潮位計算，采用2020年長江中下游最高潮位進行校核。