老沭河蘇魯省界至塔山閘段河道行洪能力分析

鄭長陵， 李 沛， 王繼龍

(江蘇省水文水資源勘測局徐州分局， 江蘇 徐州 221000)

沭河發(fā)源于山東省沂水縣北部沂山南麓石槽峪北太婆頂，流經(jīng)沂水、莒縣、莒南、臨沂等地至臨沭縣大官莊分為東西兩支。東去稱新沭河，水流經(jīng)過石梁河水庫調(diào)蓄后東下入海；南下稱老沭河，水流流經(jīng)臨沭、郯城、新沂等縣市并在新沂市口頭匯入新沂河?xùn)|下入海。

老沭河山東省境內(nèi)依次建有人民勝利閘、清泉寺攔河閘、龍門橡膠壩、重興攔河閘等4座大型水工建筑物，江蘇境內(nèi)依次建有塔山閘、王莊閘、廣玉壅水壩、邵店壅水壩、口頭壅水壩等5座大型水工建筑物。

老沭河蘇魯省界至塔山閘段河長約16 km，省界下7 km右岸新沂市城區(qū)設(shè)有新安水文站，水文站下游1.5 km右岸有入沭閘與新戴河連通，塔山閘上約1 km左岸有黃墩河匯入。

2011—2019年，老沭河西岸沭河之光、沭河之星、鐘吾公園、沭河之辰等景觀工程先后建成，對新安站上下游約5 km河段的過水?dāng)嗝嬗幸欢ǔ潭扔绊憽闈M足沂沭泗流域水情調(diào)度及新沂市城市防洪等要求，對老沭河蘇魯省界至塔山閘段河道行洪能力進(jìn)行分析[1]。

1 行洪能力分析

河道行洪能力分析一般采用河段代表斷面分析法。新安站是老沭河江蘇境內(nèi)唯一一個水文站，恰位于分析河段中間略偏上位置，也恰在老沭河四大景觀工程區(qū)域內(nèi)，河道寬度相對較窄，常規(guī)堤防標(biāo)準(zhǔn)，該站所在斷面的行洪能力對分析河段的行洪能力有較高的代表性。因此，本文的主要任務(wù)就是分析新安站在不受塔山閘回水影響情況下的水位—流量關(guān)系[2]。

1.1 資料選用及初步分析

選取新安站2019年和2020年不受塔山閘回水影響的39次實(shí)測流量資料，搜集1974—2018年間塔山閘全開及洪峰流量超過1 000 m3/s的全部5次洪峰資料，組成含有44個流量測點(diǎn)的實(shí)測資料系列，經(jīng)初步點(diǎn)繪分析，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)點(diǎn)密集分布且呈現(xiàn)比較規(guī)則的帶狀[1]。

1.2 相關(guān)圖繪制及關(guān)系線線型選配

為便于選配水位—流量關(guān)系線數(shù)學(xué)模型公式，繪圖時以凍結(jié)基面水位為橫坐標(biāo)，以實(shí)測流量為縱坐標(biāo)，繪制水位—流量相關(guān)圖并選配最佳二階多項(xiàng)式關(guān)系線，見圖1。

圖1 老沭河新安站不受塔山閘回水影響時水位—流量關(guān)系

從圖1可看出，在不受塔山閘回水影響時，新安站多年水位 —流量關(guān)系為單一線，選配二階多項(xiàng)式線型時，點(diǎn)線吻合程度好，關(guān)系線相關(guān)系數(shù)高。依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》(SL 247—2012)[3]要求，需進(jìn)一步對關(guān)系線進(jìn)行3種檢驗(yàn)及定線精度評定。

1.3 關(guān)系線檢驗(yàn)及精度評定

對定線實(shí)測點(diǎn)，按水位從低到高順序排列，根據(jù)所得水位—流量關(guān)系線的數(shù)學(xué)模型公式Q=76.972G2-3 681.917G+44 018.100，列表統(tǒng)計(jì)3種檢驗(yàn)及精度評定所需中間變量如表1。

表1 關(guān)系線三種檢驗(yàn)及精度評定所需中間變量

1.3.1 符號檢驗(yàn)

1.3.2 適線檢驗(yàn)

因26=k2≮0.5(n-1)=21.5，故不需做此項(xiàng)檢驗(yàn)，默認(rèn)適線檢驗(yàn)通過。

1.3.3 偏離數(shù)值檢驗(yàn)

│t│=0.48

1.3.4 定線精度評定

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》規(guī)定，精度評定因子關(guān)系線的系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度2項(xiàng)指標(biāo)。

實(shí)測點(diǎn)對關(guān)系線無明顯系統(tǒng)偏離時，系統(tǒng)誤差采用實(shí)測點(diǎn)對關(guān)系線的相對誤差的平均值，即系統(tǒng)誤差P=0.32% 。

根據(jù)定線方法及所在水文站的精度類別，對所定關(guān)系線精度進(jìn)行評定。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179—2015)[4]，新安水文站地處干旱、半干旱地區(qū)，且上游總集水面積超過5 000 km2，屬于一類精度水文站。

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》提供的水位—流量關(guān)系定線精度指標(biāo)要求，建立的G—Q相關(guān)線滿足一類精度水文站ADCP法水位—流量關(guān)系定線精度指標(biāo)要求，見表2。

表2 定線精度評定結(jié)果

從上述分析可知，所定水位—流量關(guān)系線可作為新安站行洪流量測報(bào)實(shí)時在線方案及不受回水影響時的資料整編方案，但對其適應(yīng)水位(流量)級范圍還需進(jìn)一步明確。

1.4 水位—流量關(guān)系線適應(yīng)范圍

1.4.1 推流曲線單向遞增水位范圍分析

由Q=f(G)函數(shù)求Q對G的二階導(dǎo)數(shù)，有Q″=153.944>0，則該關(guān)系線實(shí)際上是開口向上的一元二次拋物線，為滿足水文應(yīng)用單向遞增的要求，僅取其右半支。

由Q=f(G)函數(shù)求流量Q對水位G的一階導(dǎo)數(shù)，有Q′=153.944G-3 681.917，即此為拋物線上任一點(diǎn)處切線的斜率，當(dāng)Q′=0時該拋物線獲得Q極小值，由此解得滿足該水位—流量關(guān)系單向遞增的水位范圍為Gmin=23.917 m，即G≥23.917 m。

1.4.2 推流曲線高低水延長分析

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》，水位—流量關(guān)系線可適當(dāng)作高低水延長使用，高低水延長幅度應(yīng)分別不超過定線實(shí)測流量所占水位變幅的30%、15%，且高低水延長需采用水位面積關(guān)系、水位流速關(guān)系綜合分析等方法進(jìn)行。為減小可能存在的曲線延長推流誤差，對高低水延長幅度均按定線水位變幅的15%控制。定線水位范圍為24.798～30.510 m，由此計(jì)算出關(guān)系線作高低水延長后的水位適用范圍為23.941 m≤G≤31.367 m。

1.4.3 推流曲線適應(yīng)水位范圍確定

求上述兩水位集合的交集，即本推流曲線的適應(yīng)范圍為：23.941 m≤G≤31.367 m，但需要滿足無回水影響的大前提。

1.4.4 推流曲線適應(yīng)流量范圍確定

據(jù)歷史資料記載及洪水調(diào)度方案，當(dāng)預(yù)報(bào)老沭河上游來水可能達(dá)到或超過1 000 m3/s時，塔山閘提前全開啟預(yù)泄洪，故本方案適應(yīng)流量范圍為Q≥1 000 m3/s；當(dāng)確認(rèn)塔山閘對新安站不造成回水影響時，適應(yīng)于各級流量。

2 結(jié)論與建議

(1) 經(jīng)前述分析，在新安站不受塔山閘回水影響狀態(tài)下，新安站1974年以來的水位—流量關(guān)系呈理想的單一線關(guān)系，說明雖然老沭河新沂城區(qū)段建設(shè)的四期景觀工程使部分河段過水?dāng)嗝媛杂锌s小，但總體上對河道行洪能力基本無影響。

(2) 以新安站為代表斷面，老沭河省界至塔山閘段的行洪能力概括如表3所示。

(3) 本方案可作為新安站高洪流量測報(bào)方案：Q=76.972G2-3 681.917G+44 018.1，適應(yīng)范圍為Q≥1 000 m3/s 。

(4) 本方案可作為新安站水文資料整編方案：Q=76.972G2-3 681.917G+44 018.1(適應(yīng)范圍：不受塔山閘回水影響且23.941 m≤G(凍結(jié)基面)≤31.367 m)。