感潮閘控口門引排水量計算研究

毛興華 ，陳 澄 ，楊曉斌

（1.上海市水文總站，上海 200232；2.上海市浦東新區(qū)水文水資源管理事務(wù)中心，上海 200129）

0 引言

上海市瀕江臨海，屬于典型的平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，嘉定、寶山、浦東、奉賢、金山等沿江沿海各區(qū)有若干河流通過水閘與長江口、杭州灣等發(fā)生水量交換，是上海市出境水的主要通道。掌握各河流的出入水量情況，對研究上海市出境水資源量，實現(xiàn)全市水資源監(jiān)控全覆蓋，深化最嚴格水資源管理具有重要意義。

在水資源分析評價中，獲得河流某一斷面的水量通常有以下 2 種方式：1） 通過轉(zhuǎn)子式流速儀、ADCP等監(jiān)測流速并計算得到水量；2） 假設(shè)水位與流量存在較好的相關(guān)關(guān)系，獲取監(jiān)測水位，通過水位流量關(guān)系查詢獲得實時流量，再計算某一時段的水量。方式1 可靠性相對較高，但需要開展監(jiān)測，成本較大；方式 2 可以有效降低成本，可對因儀器故障、外部環(huán)境干擾等導致缺測的時段進行插補，獲得完整的水量數(shù)據(jù)，但獲得穩(wěn)定的水位流量關(guān)系難度較大。

近年來，上海市在閘控河流水資源監(jiān)測方面開展了大量工作，取得明顯成效，在建立水位流量關(guān)系方面做了許多嘗試，基本結(jié)論是感潮閘控河道不滿足水位流量的單值關(guān)系，反映了感潮河流的復雜性。本研究在梳理上海市入海河流及水量監(jiān)測現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，選取代表性測站歷年水位、流量、水量資料，分析確定引排水量與上下游水位和水閘工況等影響因素之間的定量關(guān)系，為優(yōu)化低流速、小流量、感潮河流水資源監(jiān)測，深化入海水量分析評價提供可行的技術(shù)思路。

1 入海河流水資源監(jiān)測及影響因素分析

1.1 監(jiān)測概況

上海市大陸片區(qū)共有 24 條主要的入海河流，分別為黃浦江，嘉定區(qū)瀏河、蒲華塘，寶山區(qū)練祁河、新川沙河、顧涇、馬路河，浦東新區(qū)外環(huán)運河、隨塘河、趙家溝、張家浜、川楊河、大治河、赤風港、蘆潮引河、人民塘隨塘河、蘆潮港，奉賢區(qū)中港、金匯港、航塘港、南門港、南竹港，以及金山區(qū)龍泉港和張涇河。

目前，黃浦江，嘉定區(qū)蒲華塘，寶山區(qū)練祁河，浦東新區(qū)隨塘河、張家浜、川楊河、大治河、赤風港和蘆潮引河，奉賢區(qū)中港、南門港、金匯港和南竹港等13 條河流均開展了水量監(jiān)測。

水資源監(jiān)測以 ADCP 在線監(jiān)測為主，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和定期比測率定獲得流量水量成果，在一定程度上保證了成果的準確可靠性。但部分站點誤差相對較大，難以得到滿足整編要求的監(jiān)測成果，主要原因在于：1） 受潮汐潮流影響，往復流特征明顯，小潮期和漲落潮轉(zhuǎn)換期流速較小，但流態(tài)復雜，走航式 ADCP 在極低流速下的測驗精度難以保證，導致難以準確測流；2） 大部分河流受水閘啟閉的控制，不同工況對流量監(jiān)測和分析影響較大；3） 大多數(shù)河流規(guī)模較小，水位落差不明顯，人為影響因素較多，對流量率定和水位流量關(guān)系的建立造成了較大困擾，目前還沒有較成熟的成果。

1.2 影響因素分析

影響感潮水閘過閘流量的主要因素包括閘門上下游水位差、水閘開度、開閘孔數(shù)等。感潮河網(wǎng)地區(qū)在漲落潮轉(zhuǎn)換階段，有可能存在漲潮落潮流和落潮漲潮流等情形，對流量的影響更加復雜。

多年來，感潮閘控河流的流量與影響因素的相關(guān)關(guān)系一直是水資源監(jiān)測研究的難點，大多數(shù)研究都聚焦于斷面流量與上下游水位的關(guān)系上，以找出兩者的定量關(guān)系為目標。仲兆林[1]開展了常州沿江感潮河道水文站水位流量關(guān)系綜合定線分析，通過一潮推流法結(jié)合圖解法開展綜合定線分析，取得了較好效果；顧正華等[2]應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論建立了感潮水閘流量的非線性計算模型，可計算出一次調(diào)水的水閘過水總量；萬曉凌等[3]以水力學公式為基礎(chǔ)，分析水位差流量關(guān)系，為沿江水閘的引水量統(tǒng)計提供了比較精確且簡易可行的方法；周全等[4-5]利用實測水閘流量數(shù)據(jù)，分析了在線監(jiān)測、水文水動力模型和基于水力學多元回歸 3 種方法獲取流量水量數(shù)據(jù)的優(yōu)缺點；常黎明等[6]探討了特定流量條件下平板閘門開啟高度與上游水位之間的關(guān)系，并將計算結(jié)果與實際運行測量結(jié)果進行對比；高晨晨等[7]以上海市龍泉港出海閘為例，基于回歸計算方法分析了淹沒式堰流水位流量關(guān)系，定線精度可達到一類精度標準，并認為可以在受潮汐影響的出海閘水位流量關(guān)系率定中推廣。

2 代表站引排水量計算分析

2.1 基本思路

針對閘控口門的流量和水量，通常做法是直接尋求流量和主要影響因素的相關(guān)關(guān)系，其中最主要的是流量與上下游水位差之間的關(guān)系。但諸多嘗試表明，在感潮河網(wǎng)地區(qū)，這種相關(guān)關(guān)系是不穩(wěn)定且不可靠的，流量與水位差的相關(guān)系數(shù)較低。比較成功的方法是一潮推流法，即在一個漲潮或落潮周期內(nèi)，在水閘運行工況穩(wěn)定（開啟孔數(shù)和開度高度不變）的情況下，流量與上下游水位有相對較好的關(guān)系，但該方法普適性較低，難以推廣應(yīng)用。

從另一個角度講，水資源分析評價關(guān)注的重點實際上是一段時間內(nèi)河流的水量變化，是流量在時段內(nèi)的積分。尋求水量與影響因素的相關(guān)關(guān)系，能夠抵消時段內(nèi)偶然性因素的干擾帶來的誤差，使相關(guān)關(guān)系更加穩(wěn)定、可靠。

因此，可以考慮通過閘控口門水文測站引排水期間所測水量、閘內(nèi)外水位、水閘開度和開啟時間等資料，參照水閘流量理論公式，通過回歸計算方法，分析水量與各要素的相關(guān)關(guān)系，得出水量計算的經(jīng)驗公式。同時通過復相關(guān)系數(shù)和標準偏差判定回歸關(guān)系的準確性和可靠性，最終確定經(jīng)驗公式計算的可行性。

2.2 計算方法

根據(jù) SL 247—1999《水文資料整編規(guī)范》，平底閘半開（淹沒）或全開（自由孔流）狀態(tài)下流量計算公式如下：

式中：Q為過閘引水流量；M2為淹沒式孔流流量系數(shù)；B為閘孔總寬或開啟凈寬；e為閘門開啟高度；?Z為上下游水位差。

可以看出，水閘流量大小與過水斷面面積和上下游水位差有關(guān)。將式（1）應(yīng)用到引排水量計算中，需要考慮引排水時間的長短。同時還要注意，對于感潮河流，閘外是廣闊的河口或海洋，水位受潮汐的直接影響，并不會因為引水或者排水而變化。對于閘內(nèi)水位，由于水域范圍相對較小且封閉，不受潮汐的影響，引排水會導致水位的升高或降低。因此在計算過閘水量時，用閘內(nèi)外水位差是不合適的，用引排水期末和期初閘內(nèi)的水位差作為計算因子更符合實際情況。引排水量計算公式如下：

式中：W為引排水期間的過閘水量；k為水量計算系數(shù)；T為引排水時長；S為水閘過水斷面面積；?Z為引排水期末和期初閘內(nèi)水位差；a，b，c為各參數(shù)對應(yīng)的經(jīng)驗指數(shù)。為便于 Excel 回歸計算，對式（2）取對數(shù)后得到：

式（3）為多元線性關(guān)系式，可通過多元回歸分析得到k，a，b，c的回歸值和復相關(guān)系數(shù)，并計算回歸水量。

本研究以上海市浦東新區(qū) 2019 年川楊河的三甲港閘（閘內(nèi)）站、2020 年大治河的大治河東閘（閘內(nèi)）站的監(jiān)測成果為代表，分析相關(guān)關(guān)系。這 2 處測站都通過 ADCP 監(jiān)測獲得斷面流量，再計算出引排期間的引排水量。

2.3 計算過程與結(jié)果分析

2.3.1 河流基本情況

2.3.1.1 川楊河

川楊河位于上海市浦東新區(qū)南部，全長為 28.7 km，西通黃浦江，東入長江口，是浦東新區(qū)大控制骨干河流和重要的通航河流。川楊河河口寬為 54～64 m，河底寬為 20～30 m，河底高程為 -1.6 m，邊坡比為1 ： 3，常水位在 2.5～2.8 m 之間。

川楊河西端建有楊思水利樞紐，東端建有三甲港節(jié)制閘。后者主要功能為擋潮和引排水，閘孔徑為3 孔 10 m，設(shè)計水位閘內(nèi)最高為 3.0 m，最低為 2.0 m，閘外最高為 6.0 m，最低為 -0.5 m。

2.3.1.2 大治河

大治河橫貫閔行、浦東兩區(qū)，西起黃浦江，東入東海，是浦東新區(qū)主要的排水河流，也是上海市最大的人工河。大治河全長為 39.54 km，河面寬為 102 m，河底寬為 64 m，河底高程為 -2 m，具有航運、灌溉、納潮泄洪、排澇調(diào)蓄、引清調(diào)水等功能。歷史最高水位為 3.65 m。

大治河建有大治河西閘和東閘 2 座水閘樞紐工程；其中：大治河東閘為 6 孔，寬為 10 m；北側(cè)孔為通航孔；南側(cè)另設(shè)魚游道 1 孔，孔徑為 2 m，孔總凈寬為 62 m。

2.3.2 計算過程

2019 年，三甲港閘站共測得 300 次引排水流量水量數(shù)據(jù)，其中排水 13 次，引水 287 次。2020 年，大治河東閘站共測得 169 次數(shù)據(jù)，均為排水數(shù)據(jù)。

首先，對數(shù)據(jù)進行初步的合理性分析，如引水出現(xiàn)內(nèi)河水位下降，或排水出現(xiàn)內(nèi)河水位升高，均為不合理樣本，應(yīng)予剔除。根據(jù)每一次閘門的開啟孔數(shù)和高度，計算水閘過水斷面面積，并計算引排水期間的水位差和引排水歷時，完成數(shù)據(jù)的初步處理。

其次，對引排水量、閘內(nèi)水位差、斷面面積、引排水歷時取對數(shù)，并按式（3）進行引排水量與其他 3 個要素的多元線性回歸分析，求出k，a，b，c的回歸值和復相關(guān)系數(shù)，再根據(jù)式（2）計算水量，并與原實測水量進行比較。

2.3.3 結(jié)果分析

2.3.3.1 回歸分析

經(jīng)計算，2019 年三甲港閘引水水量W1與引水歷時T、斷面面積S和閘內(nèi)水位差 ?Z的相關(guān)關(guān)系如下：

2020 年，大治河東閘排水水量W2與排水歷時T、斷面面積S和閘內(nèi)水位差 ?Z的相關(guān)關(guān)系如下：

三甲港閘站、大治河東閘站 2 處水閘引排水量與歷時、過水斷面面積和水位差的相關(guān)系數(shù)R分別為0.934 和 0.951。實測水量和計算水量的關(guān)系分別如圖1 和 2 所示。經(jīng)計算得出，2 個站分別有 81.7% 和87.0% 的計算水量在 20% 誤差范圍內(nèi)[8]16-18，說明該方法基本可行。

圖1 三甲港閘站回歸計算水量與實測水量關(guān)系圖

圖2 大治河東閘站回歸計算水量與實測水量關(guān)系圖

2.3.3.2 誤差分析

為判別計算引排水量的準確性，分別對單次監(jiān)測結(jié)果，月、年水量的相對誤差和標準偏差等進行分析，結(jié)果如表1 所示?？梢钥闯?，個別單次引排水量回歸計算結(jié)果的相對誤差較大，如三甲港閘站的單次相對誤差最大為 79.0%，大治河東閘站的單次相對誤差最大為 62.8%。2 個站單次回歸結(jié)果的標準偏差分別為15.9% 和 13.1%，滿足 SL 247—1999《水文資料整編規(guī)范》三類精度水文站的精度要求[8]16-18。

表1 三甲港閘站和大治河東閘站引排水量回歸計算誤差分析 %

三甲港閘站和大治河東閘站各月引排水量計算結(jié)果如表2 所示。從月度引排水量來看，由于正負誤差的相互抵消，月度水量的相對誤差大幅減小，均在 25% 以內(nèi)，標準偏差分別為 11.9% 和 7.18%?；貧w計算得到的年度引排水量的相對誤差更小，僅為-1.43% 和 0.95%。說明用本研究的方法計算 1 個時段內(nèi)（月、年）的引排水量，準確性是能夠滿足要求的。

表2 三甲港閘站和大治河東閘站各月引排水量計算結(jié)果

3 結(jié)語

本研究通過尋求實測引排水量與水位、斷面面積、引排水歷時等要素的相關(guān)關(guān)系，得出水量計算的經(jīng)驗公式；對于因各種因素導致監(jiān)測缺失的時段，只要水位、水閘運行記錄完整，就可以利用這種方法進行插補計算，得到相對完整、準確的引排水量，準確把握水資源變化。

在水資源分析評價中，一般以月、年水資源變化情況為重點。用本研究提供的方法計算引排水量，盡管某個具體的引排水量計算過程可能存在較大誤差，但是匯總到月和年時間尺度，誤差相對較小，能夠滿足水資源分析計算要求。

本方法具有一定的普適性，可用于其他閘控河流水量的計算分析，同時避免了傳統(tǒng)水位流量關(guān)系不顯著、不穩(wěn)定帶來的困擾。本研究以水位差、斷面面積、引排水歷時 3 個因素為自變量，探究了與水量之間的復相關(guān)關(guān)系。目前初步分析得到的結(jié)論是：3 個因素都比較敏感，去掉任何 1 個因素，復相關(guān)系數(shù)都會降低。每一個因素在復相關(guān)關(guān)系中的貢獻率和敏感性如何，還需要進一步深入分析。