望虞河排水能力初步研究

董巖芳， 聞余華， 鮑建騰

(1.江蘇省水文水資源勘測局， 江蘇 南京 210029； 2.河海大學(xué)， 江蘇 南京 210098；3.江蘇省水旱災(zāi)害防御調(diào)度指揮中心， 江蘇 南京 210029)

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，太湖流域生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水需求越來越大,也使得望虞河引排水形勢發(fā)生顯著變化。2002年，水利部太湖流域管理局等有關(guān)單位正式實施“引江濟(jì)太”調(diào)水工程，望虞河作為連接太湖與長江的主要通道，一方面可以將長江水引入太湖，加快水體交換，改善太湖水質(zhì)；另一方面可以將太湖洪水、區(qū)域澇水排入長江，減少太湖流域因洪澇災(zāi)害帶來的損失[1]。目前，關(guān)于“引江濟(jì)太”引水情況的研究成果較為豐富，但對于其自然情況下排水能力實際情況的研究分析較少。望虞河的排水能力受多種因素的綜合影響，本文通過對相關(guān)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，旨在歸納主要因素對望虞河排水能力影響的具體規(guī)律。望虞河排水涉及太湖洪水排泄和望虞河兩岸澇水排泄，影響太湖流域洪水調(diào)度決策。進(jìn)行望虞河排水能力分析不僅有利于太湖流域防洪排澇工作的展開，更能為該流域防洪調(diào)度一體化提供決策服務(wù)。

1 工程概況及水文站設(shè)置

1.1 望虞河工程概況

望虞河位于江蘇省境內(nèi)，南起太湖邊的沙墩口，在常熟耿涇口流入長江，全長62.3 km，沿線地形平坦，底寬約72～94 m，河底高程-3 m。望虞河西部為澄錫虞高地，地面高程約4.5～5.5 m，東部為陽澄淀柳區(qū)，地面高程約3.5 m。作為太湖的主要引排水通道，當(dāng)洪澇發(fā)生時，望虞河承泄太湖洪水，外排澄錫虞高地澇水。在干旱情況下，望虞河從長江引水入太湖，補(bǔ)充太湖水資源量。望虞河工程兼顧防洪、排澇、供水、航運(yùn)效益，于1991年11月開工，2006年4月通過竣工驗收。工程由總長60.8 km的河道、干流上游的望亭水利樞紐、下游的常熟水利樞紐、兩岸支流口門控制建筑物組成[2]。

望亭水利樞紐位于望虞河和京杭大運(yùn)河交匯處，是望虞河水量進(jìn)出太湖最近的控制工程，采用“上槽下洞”立體交叉的布置形式，設(shè)計流量為400 m3/s。常熟水利樞紐距望虞河入江口1.6 km，作為望虞河連接長江的控制建筑物，是太湖泄洪和供水的主要控制性工程之一。常熟水利樞紐中間設(shè)置泵站，可進(jìn)行雙向抽水，用于引水和排水，共有9臺設(shè)計流量為20 m3/s的機(jī)組。另外泵站下層流道可實現(xiàn)自由引排水，設(shè)計流量125 m3/s。泵站兩側(cè)各設(shè)置1個節(jié)制閘，設(shè)計流量375 m3/s。常熟水利樞紐采用閘泵聯(lián)合調(diào)度方式，在長江潮位影響下，只有閘門關(guān)閉時，才使用泵站進(jìn)行抽排水。由于常熟水利樞紐位于望虞河下游，既是“引江濟(jì)太”的龍頭工程，又是望虞河排水入江的最后一道控制性口門，因此望虞河的引排水能力主要取決于常熟水利樞紐引排水能力[3-4]。

1.2 望虞河相關(guān)水文站設(shè)置

望虞河是“引江濟(jì)太”調(diào)水試驗工程的主干道之一，其警戒水位為3.80 m，保證水位為4.20 m。望虞河干流主要布設(shè)了5個水文站點(diǎn)，望虞閘水文站位于望虞河常熟水利樞紐，觀測閘上引排水量，張橋水文站處于望虞河中部，甘露水位站位于鵝真蕩下游，琳橋水位站位于西塘河與望虞河交界處，望亭(立交)水文站位于望亭水利樞紐，觀測望虞河進(jìn)出太湖水量。另外，徐六涇水文站位于常滸河入江口，監(jiān)測長江潮位。

2 影響望虞河排水能力主要因素分析

望虞河排水能力受到多種因素的綜合影響，目前對其排水能力的研究較少，關(guān)于其影響因素的探索空間還很大，次要影響因素包括河道情況、海平面變化、外江水位。主要影響因素為上游水位和長江潮位。

2.1 河道情況的影響

河道情況主要包括河道形狀、比降、淤積情況，不同形狀的河道過流能力不同，梯形河道過流能力大于扁圓形河道，河道比降也影響河道的排水能力。曼寧公式為

(1)

式中：V為流速，m/s；k為轉(zhuǎn)換常數(shù)，國際單位制中值為1；n為糙率；R為水力半徑，m；S為坡度，即比降。

由式(1)可知，當(dāng)河道糙率和過流斷面形狀一定時，比降越大，河道的過流能力越大；王桂風(fēng)等[3]在望虞河擴(kuò)大方案研究中發(fā)現(xiàn)，河道淤積會使其過水面積減小，沿線水位雍高，部分河段出現(xiàn)阻水現(xiàn)象，影響其排水能力。

2.2 海平面變化的影響

王臘春等[5]通過分析海平面變化對太湖流域排澇的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)長江口海平面上升，望虞河的排澇過程會受到一定程度的影響，外排水量減小。

2.3 外江水位的影響

王躍奎等[6]通過分析2009年望虞河泄洪影響因素發(fā)現(xiàn)，持續(xù)降雨會導(dǎo)致外江水位長期高于望虞河水位，由于外江水位的頂托作用，常熟水利樞紐排水能力下降。

2.4 上游水位和長江潮位的影響

望虞河排水能力同時受上游水位和長江潮位的影響，上游水位的變化導(dǎo)致上下游水位差改變，進(jìn)而影響其排水能力，長江口海域潮汐的頂托作用也會阻礙望虞河排水。選取2020年7月24日至30日張橋站流量、張橋站日平均水位、徐六涇日平均高潮、望虞河日平均排水流量(表1)進(jìn)行分析。其中張橋站流量代表望虞河中段的行洪能力，張橋站日平均水位代表上游水位，徐六涇日平均高潮代表長江潮位情況，常熟水利樞紐日平均排水流量代表望虞河日平均排水流量[7-8]。

表1 望虞河2020年典型洪水期日平均流量、水位和高潮一覽

由表1可知，張橋站位于望虞河中段，受潮汐影響較小，其流量只能代表河道中段行洪能力，與常熟水利樞紐日平均排水流量不呈線性關(guān)系。如2020年7月30日長江高潮位相對較低，張橋站流量324 m3/s最小，而常熟水利樞紐日平均排水流量395 m3/s最大。因此，張橋站的流量不能真正反映望虞河的排水能力。

另外還發(fā)現(xiàn)，望虞河同水位下，長江潮位越高，其排水流量越小，反之亦然。如2020年7月26日至30日張橋站日平均水位介于4.04～4.10 m，基本處在同級水位。7月26日平均高潮4.85 m相對較高，對應(yīng)的排水流量338.2 m3/s最小，7月30日平均高潮4.08 m相對最低，對應(yīng)的排水流量395.1 m3/s最大。同級潮位下，望虞河水位越高，其排水流量越大，反之亦然。如2020年7月25日至26日平均高潮4.83～4.85 m，基本處在同級潮位。7月25日張橋水位4.12 m，明顯高于7月26日的4.04 m，對應(yīng)的排水流量7月25日383.7 m3/s明顯大于7月26日的338.2 m3/s。為準(zhǔn)確揭示影響望虞河排水能力的主要因素，本文將選取更多代表性數(shù)據(jù)，采用多元回歸等分析方法，研究望虞河的排水能力。

3 數(shù)據(jù)來源及分析方法

3.1 數(shù)據(jù)來源及處理

張橋站位于望虞河中段，其平均水位對望虞河水位有一定的代表性。徐六涇位于常滸河入江口，其潮位能夠代表長江潮汐的變化情況。望虞閘上水位能代表一潮推流法中的內(nèi)河水位。選取張橋站、徐六涇、望虞閘3個代表站2015—2020年的水文資料并進(jìn)行分析，來研究望虞河排水能力。由于受到長江潮汐的影響，望虞河的水位、流量不呈簡單線性關(guān)系，并且沒有相應(yīng)公式來計算瞬時流量，因此將望虞河的水位、潮位和排水流量過程概化為日過程，統(tǒng)一采用日平均數(shù)據(jù)。一般來說，望虞河水位不高的情況下，望虞閘不全部開閘排水。當(dāng)望虞河水位較高，達(dá)到或超過警戒水位3.80 m(張橋)以上時，望虞閘閘門全開，全力搶排。受潮汐頂托影響，當(dāng)長江水位高于內(nèi)河水位時，望虞閘關(guān)閘，啟用泵站抽排入江。因此本次選擇的樣本均為張橋站日平均水位在警戒水位3.80 m以上的數(shù)據(jù)，相應(yīng)的排水流量為河道最大排水流量，以獲得真實的望虞河排水能力。

3.2 多元回歸法

從徐六涇潮位數(shù)據(jù)中挑選每日2個高潮水位，取其平均高潮作為每日高潮水位。將2015—2020年望虞河日平均排水流量、張橋站日平均水位、徐六涇日平均高潮數(shù)據(jù)資料進(jìn)行回歸分析，建立望虞河排水流量和上游水位、長江潮位的回歸方程。若回歸方程的相關(guān)系數(shù)低，則回歸效果不佳；若相關(guān)系數(shù)較高，則回歸效果較好。在本次回歸分析時，對少部分不合理的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，最后確定了44組樣本。2015年選取了6月19日至7月21日共10組樣本，張橋站日平均水位為3.81～4.47 m，徐六涇日平均高潮為4.17～4.85 m，望虞河日平均排水流量為320.6～687.5 m3/s；2016年選取了6月28日至7月26日共19組樣本，張橋站日平均水位為3.81～4.55 m，徐六涇日平均高潮為3.88～5.09 m，望虞河日平均排水流量為342.6～621.5 m3/s；2020年選取了7月6日至8月3日共15組樣本，其中張橋站日平均水位為3.82～4.48 m，徐六涇日平均高潮為3.86～5.29 m，望虞河日平均排水流量為338.2～505.3 m3/s。

回歸分析的R2為0.741，回歸情況較好，用其來分析上游水位和長江潮位對望虞河排水能力的影響具有可靠性?；貧w方程為

y=302.43x1-93.42x2-390.67

(2)

式中，y為望虞河日平均排水流量，m3/s；x1為張橋站日平均水位，m；x2為徐六涇日平均高潮，m。

由式(2)可知，望虞河排水能力與上游水位呈正相關(guān)，與長江潮位成呈負(fù)相關(guān)。上游水位的回歸系數(shù)為302.43，長江潮位的回歸系數(shù)為-93.42，可知上游水位對望虞河排水能力的影響約是長江潮位對其影響的3倍，相當(dāng)于上游水位上升0.10 m和長江潮位下降0.30 m對望虞河排水能力的影響是大致相同的。

3.3 一潮推流法

一潮推流法是潮汐要素與一次開閘(引水或排水)的平均流量相關(guān)整編推流的方法，是目前較為成熟的推流方法之一。一個落潮期從平潮開始排水至落潮憩流止，期間每小時測流1次。當(dāng)閘上水位即內(nèi)河水位高于長江潮位時，望虞閘排水。當(dāng)長江潮位與內(nèi)河水位一致時開啟閘門或關(guān)閉閘門，將此時的水位作為穩(wěn)定水位Z，一個落潮期的最低潮位記為Z低，則波高ΔZ=Z-Z低。開閘時間記為T1，關(guān)閘時間記為T2，則一潮歷時為T2-T1。望虞閘的一潮推流法平均排水流量通用公式為

Q=KZα△Zβ

(3)

式中，Q為排水流量，m3/s；Z為穩(wěn)定水位，m；ΔZ為波高，m；K為系數(shù)；α、β為指數(shù)，根據(jù)當(dāng)年實測資料率定得到。

由于徐六涇一日有2個低潮，相應(yīng)地有2個排水期。按照式(3)計算一日第一潮的平均排水流量，再乘以一潮歷時將其轉(zhuǎn)化為排水量，記為排水量1。按照相同方法得到一日第二潮的排水量，記為排水量2。將一日內(nèi)兩潮排水量相加，再加上當(dāng)日泵站抽排水量，得到一潮推流日排水量。

3.4 兩種方法的比較

選擇2015年、2016年、2020年大水年典型洪水期，將一潮推流法與多元回歸法計算得到的日排水量結(jié)果進(jìn)行比較，見表2。

表2 一潮推流與多元回歸推流結(jié)果對比

可以看出2015年、2016年、2020年大水年典型洪水期，一潮推流法與多元回歸法計算得到的日排水量相差不大，相對誤差較小，可以認(rèn)為采用多元回歸法由上游水位和長江潮位根據(jù)回歸方程計算的流量結(jié)果較為可靠，能代表望虞河的排水能力。

多元回歸法側(cè)重根據(jù)回歸方程來分析上游水位和長江潮位對望虞河排水能力影響的具體規(guī)律。該法計算過程簡單，應(yīng)用起來較為方便。一潮推流法側(cè)重根據(jù)長江潮位和閘上水位之間的關(guān)系，采用望虞閘既有的推流公式來計算排水量。在實際應(yīng)用過程中，每年的一潮推流公式中的系數(shù)K和指數(shù)α、β都需要當(dāng)年20次以上實測流量資料率定得到，且計算過程較為復(fù)雜。

4 研究結(jié)論

望虞河的排水能力受包括上游水位、長江潮位、河道情況等多種因素的綜合影響，本文對上游水位和長江潮位2個主要因素進(jìn)行了多元回歸分析，由其與望虞河排水流量建立的回歸方程可知，望虞河的排水能力與上游水位和長江潮位有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，且上游水位對望虞河排水能力的影響約是長江潮位對其影響的3倍。與上游水位呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)上游水位上升時，上下游水位差增大，望虞河排水能力增強(qiáng)。與長江潮位呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)長江潮汐的頂托作用增強(qiáng)時，望虞河排水能力減弱。

采用多元回歸法進(jìn)行望虞河排水能力的分析有一定的可靠性和代表性，但還需要更多的可靠數(shù)據(jù)作為支撐，進(jìn)一步分析以提高其準(zhǔn)確性。望虞河排水能力的影響因素十分復(fù)雜，未來需要對更多因素進(jìn)行定性和定量分析，以更準(zhǔn)確地反映其排水能力。