寶應(yīng)抽水站抗旱調(diào)水時(shí)三陽河輸水流量率定分析

孫正蘭， 王 成， 李江艷， 王 江， 沙 慧

(江蘇省江都水利工程管理處， 江蘇 揚(yáng)州 225200)

1 工程概況

為了滿足南水北調(diào)東線一期工程抽引江水北送達(dá)到500 m3/s的規(guī)劃要求，寶應(yīng)抽水站(以下簡(jiǎn)稱寶應(yīng)站)于2003年9月開工建設(shè)，2005年10月竣工投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)流量100 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程 7.6 m，配套電機(jī)功率3 400 kW，總裝機(jī)容量13 600 kW；與江都4座泵站共同組成南水北調(diào)東線第一級(jí)抽水站。南水北調(diào)東線各工程相對(duì)位置見圖1。

圖1 南水北調(diào)東線各工程位置示意

寶應(yīng)站位于江蘇省寶應(yīng)縣氾水鎮(zhèn)境內(nèi)，上游為里運(yùn)河(京杭大運(yùn)河江蘇段)，下游為里下河地區(qū)的潼河。長(zhǎng)江水通過江都西閘、江都東閘引入新通揚(yáng)運(yùn)河，在江都東閘下游11 km處有三陽河分叉河道將新通揚(yáng)運(yùn)河長(zhǎng)江水引入潼河供寶應(yīng)站抽引江水北送。距離分叉處500 m的三陽河上有宜陵北閘1座，建于1975年9月，主要作用是防止新通揚(yáng)運(yùn)河高水侵入三陽河兩岸大片低田，干旱時(shí)可控制引長(zhǎng)江水北調(diào)灌溉和沖淤，洪澇時(shí)又是三陽河及周邊地區(qū)排澇的主要通道，現(xiàn)已成為南水北調(diào)東線水源工程之一寶應(yīng)站輸水的控制工程。距離分叉處下游450 m的新通揚(yáng)運(yùn)河上有宜陵閘1座，建于1963年7月，主要作用是解決新通揚(yáng)運(yùn)河高低地之間的引、排水矛盾，并可與宜陵北閘配合使用選擇引、排新通揚(yáng)運(yùn)河或三陽河水流[1]。

江都東閘既是南水北調(diào)寶應(yīng)站調(diào)水的源頭，也是長(zhǎng)江水自流東引里下河腹部地區(qū)的重要口門。江都東閘水文站為國(guó)家重要水文站，水位流量關(guān)系曲線定線精度為一類[2]。宜陵閘、宜陵北閘在工程建成投入運(yùn)行時(shí)均設(shè)有水文站，后因上述3座控制性水閘區(qū)間面積小，水流受工程頻繁控制、流速流向流態(tài)波動(dòng)不穩(wěn)定，尤其是宜陵閘、宜陵北閘上下游經(jīng)常處于小水位差狀態(tài)，給推流精度帶來較大影響[3]，導(dǎo)致區(qū)間水量不平衡而被降級(jí)或撤銷。宜陵北閘水文站于1980年降級(jí)為水位站，1997年5月撤銷；宜陵閘水文站于1999年降級(jí)為水位站，觀測(cè)至今。

在宜陵閘向東約35 km，2002年建成投入運(yùn)行的泰州引江河高港樞紐，提高了向里下河和通南地區(qū)的灌排標(biāo)準(zhǔn)，也使得淮北地區(qū)旱情嚴(yán)重時(shí)江都東閘的引水量能充分保證寶應(yīng)站最大能力抽引江水北送，為提高泵站效能、最大程度發(fā)揮泵站經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益奠定了基礎(chǔ)。近年來，由于寶應(yīng)站運(yùn)行管理的需要，江蘇省防指經(jīng)常要求臨時(shí)性巡測(cè)三陽河實(shí)時(shí)水情。本文根據(jù)寶應(yīng)站近年來抗旱運(yùn)行期間在三陽河實(shí)測(cè)的流量資料，分析針對(duì)宜陵閘不同控制工況、三陽河無任何水文設(shè)施情況下宜陵北閘下游斷面的水位流量關(guān)系，旨在為掌握三陽河水流情勢(shì)、更好地服務(wù)于寶應(yīng)站運(yùn)行管理提供技術(shù)依據(jù)。

2 流量監(jiān)測(cè)與率定

2.1 流量施測(cè)

寶應(yīng)站抽水北送抗旱時(shí)，宜陵北閘閘門均提出水面運(yùn)行，宜陵閘根據(jù)三陽河水情需要進(jìn)行控制。在2013年、2017年和2019年蘇北地區(qū)旱情較嚴(yán)峻期間，為測(cè)試三陽河輸水流量是否滿足寶應(yīng)站最大能力抽引江水北送，按江蘇省防指要求，江都水利工程管理處水文站在三陽河上順直穩(wěn)定河段、距離宜陵北閘約500 m的下游設(shè)置測(cè)流斷面[4]，用聲學(xué)多普勒流速儀(簡(jiǎn)稱ADCP)監(jiān)測(cè)河道流量。每測(cè)次流量均按規(guī)范要求為至少連續(xù)2個(gè)半測(cè)回流量的平均值[5]，多數(shù)測(cè)次為連續(xù)4個(gè)半測(cè)回流量的平均值，共實(shí)測(cè)穩(wěn)定流量82次，其中宜陵閘閘門開高2.0 m及以上時(shí)53次，閘門開高0.7～1.0 m時(shí)29次。宜陵北閘下游流量實(shí)測(cè)及分流比情況見表1。

為了計(jì)算宜陵北閘下游斷面流量占江都東閘總口門引水流量的分流比，根據(jù)江都東閘與宜陵閘上、下游水位過程線推求水流傳播時(shí)間，平均約為30 min[6]，即采用宜陵北閘流量實(shí)測(cè)時(shí)間提前30 min的江都東閘流量和宜陵北閘斷面流量計(jì)算。2013年5月11～31日，宜陵閘13孔閘門全部出水，江都東閘下游與宜陵閘上游水位差較小，變幅為0.03～0.14 m，相應(yīng)流量變幅為71.2～146 m3/s，宜陵北閘分流江都東閘引水流量為46%～69%，平均分流56%。2017年6月16至24日和2019年7月19～21日，宜陵閘13孔閘門開高以2.0 m控制，江都東閘下游與宜陵閘上游水位差較大，變幅為0.13～0.33 m，相應(yīng)流量變幅為141～294 m3/s，宜陵北閘分流為51%～78%， 平均分流61%。2019年7月22至23日，宜陵閘13孔閘門較短時(shí)間以開高1.0 m控制，僅施測(cè)流量3次，水位差變化較小，為0.16～0.19 m，相應(yīng)流量平均為255 m3/s，宜陵北閘分流比約為71%。2019年7月23～28日和11月20至22日，宜陵閘13孔閘門開高均為0.7 m控制，共施測(cè)流量26次，水位差變幅為0.03～0.29 m，相應(yīng)流量變幅為129～300 m3/s，宜陵北閘分流比為75%～100%，平均分流91%[7]。

表1 實(shí)測(cè)宜陵北閘下游流量及分流比

實(shí)測(cè)資料表明，宜陵閘閘門開高越小，通過宜陵北閘的流量越大；在宜陵閘閘門控制一定的情況下，江都東閘下游與宜陵閘上游水位差越大，宜陵北閘實(shí)測(cè)流量也越大，分流比相應(yīng)增大。

2.2 水位流量關(guān)系率定

點(diǎn)繪分析宜陵北閘下游斷面輸水流量與相應(yīng)江都東閘、宜陵閘的水位，發(fā)現(xiàn)江都東閘下游與宜陵閘上游水位差和宜陵北閘下游斷面的輸水流量具有較好的相應(yīng)性，測(cè)點(diǎn)分布呈明顯的點(diǎn)帶關(guān)系，宜陵閘開高在2.0 m及以上和0.7～1.0 m時(shí)各為點(diǎn)帶系列。2013年5月11至31日因閘門全部出水，水位差較小、水位流量點(diǎn)據(jù)均位于點(diǎn)帶下部，而閘門開高2.0 m時(shí)的水位流量點(diǎn)據(jù)均位于點(diǎn)帶中上部，但2種工況下的點(diǎn)據(jù)基本呈一個(gè)系列，故合并定線。開高1.0 m時(shí)流量測(cè)次太少，且與開高0.7 m時(shí)的點(diǎn)帶系列偏小不大，故將閘門開高0.7～1.0 m時(shí)的水位流量點(diǎn)據(jù)合并定線。

分別對(duì)兩系列進(jìn)行線性擬合計(jì)算，宜陵閘開高在2.0 m及以上時(shí)，點(diǎn)據(jù)線性擬合確定性系數(shù)為0.96，表明具有很高的相關(guān)性。宜陵閘開高為0.7～1.0 m時(shí)，點(diǎn)據(jù)線性擬合確定性系數(shù)為0.76，具有較高的相關(guān)性；開高1.0 m時(shí)3個(gè)流量測(cè)次均位于擬合關(guān)系線偏小一側(cè)，水位流量點(diǎn)據(jù)的分布真實(shí)反映了河道水流情勢(shì)。不同工況下宜陵北閘下游水位流量關(guān)系曲線見圖2。

對(duì)線性擬合的水位流量關(guān)系線進(jìn)行檢驗(yàn)和定線精度評(píng)定，3種檢驗(yàn)均符合規(guī)范要求；其中宜陵閘開高2.0 m及以上時(shí)的水位流量關(guān)系曲線定線精度為二類，開高0.7～1.0 m控制時(shí)的水位流量關(guān)系曲線定線精度為三類。水位流量關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見表2。

圖2 不同工況下宜陵北閘下游水位-流量關(guān)系曲線

3 分析與建議

3.1 定線精度分析

流量施測(cè)期間，宜陵閘上游最高水位為2.37 m，最低為1.15 m，平均為1.70 m，宜陵閘閘底板高程為-2.0 m(文中高程均為廢黃河口基面)。

表2 水位-流量關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算

當(dāng)宜陵閘閘門全部出水時(shí)，過閘水流為淹沒堰流；閘門開高為2.0 m時(shí)，宜陵閘上、下游基本水尺斷面水位落差為0.04～0.29 m，過閘水流流態(tài)大多為淹沒或半淹沒堰流，閘門對(duì)水流的控制作用較小。當(dāng)宜陵閘閘門對(duì)水流不控制或控制作用較小時(shí)，江都東閘下游與宜陵閘上游之間的水位落差和與宜陵北閘下游測(cè)流斷面之間的水位落差基本一致，因此，江都東閘下游與宜陵閘上游之間的水位落差與宜陵北閘下游的流量也就具有較高的一致性，建立的水位流量關(guān)系曲線標(biāo)準(zhǔn)差以及95%的隨機(jī)不確定度均較小，定線精度達(dá)到二類精度以上水文站的要求。

當(dāng)閘門開高在0.7～1.0 m時(shí)，宜陵閘過閘水流為淹沒孔流，閘門對(duì)水流的控制作用較大，水流受阻導(dǎo)致宜陵閘上游水位壅高，此時(shí)江都東閘下游與宜陵閘上游之間的水位落差小于江都東閘下游與宜陵北閘下游測(cè)流斷面之間的水位落差，因而江都東閘下游與宜陵閘上游的水位差和宜陵北閘下游流量的相應(yīng)性也就較差，水位流量關(guān)系曲線的標(biāo)準(zhǔn)差和95%的隨機(jī)不確定度均較大，定線精度基本為三類水文站的要求?？梢?，宜陵閘閘門控制作用越小，江都東閘下游與宜陵閘上游水位差和宜陵北閘下游斷面流量的相應(yīng)性越高，水位流量關(guān)系曲線的定線精度也越高，反之則較低。

以上分析可知，在不同控制工況下提高水位流量關(guān)系線的定線精度，即提高河道水位與流量的相應(yīng)性，關(guān)鍵是提高與宜陵北閘下游流量相一致的水位落差精度。三陽河長(zhǎng)約66.5 km，順直較穩(wěn)定且無分叉支流，具有較好的水位觀測(cè)條件。

3.2 實(shí)施建議

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，水多時(shí)不能淹、水少時(shí)無旱災(zāi)成為新時(shí)期防汛防旱工作的高標(biāo)準(zhǔn)要求，不斷完善的水利防洪防旱工程體系正不斷改變?cè)泻拥赖乃榍閯?shì)，原有的水文站網(wǎng)布局已不能滿足變化條件下新的區(qū)域工程運(yùn)用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要[7]，實(shí)時(shí)監(jiān)控三陽河輸水水情是確保寶應(yīng)站安全運(yùn)行和效能發(fā)揮的前提，因此，在三陽河上布設(shè)水位觀測(cè)設(shè)施、根據(jù)防洪抗旱情勢(shì)開展流量巡測(cè)從而把握宜陵北閘下游的過流情況是必要的。

宜陵閘由于受下游35 km處泰州高港樞紐自流引江水北送里下河腹部地區(qū)的影響，在大潮汛時(shí)，下游水位經(jīng)常有壅高現(xiàn)象。在宜陵閘閘門提出水面運(yùn)行時(shí)，水流壅高有時(shí)可影響到上游基本水尺斷面，上、下游水位常出現(xiàn)倒比降，因此，宜陵閘上、下游水位與過閘流量的相應(yīng)性較差。根據(jù)三陽河上的水位落差與宜陵北閘下游實(shí)測(cè)流量建立水位流量關(guān)系曲線，不僅定線精度將會(huì)大大提高到一類精度，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)掌握宜陵閘的過流情況，為區(qū)域水利工程科學(xué)精準(zhǔn)調(diào)度、水資源合理分配提供技術(shù)支撐。

4 結(jié) 論

2019年蘇北地區(qū)雖遭受60年未遇的氣象性干旱，但完善的水利工程體系確保了蘇北人民群眾生活生產(chǎn)有序，雖有旱情卻無旱災(zāi)。本文基于寶應(yīng)站抗旱調(diào)水期間多年的實(shí)測(cè)資料，揭示了在工程不同控制狀態(tài)下三陽河輸水流量的變化規(guī)律；針對(duì)區(qū)域現(xiàn)有各工程運(yùn)行情況下河道水流情勢(shì)進(jìn)行了分析，并就變化條件下如何調(diào)整水文站點(diǎn)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)監(jiān)控區(qū)域水情，使水文工作適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的新需要提出了建議，對(duì)區(qū)域防汛抗旱、水資源合理配置、工程安全運(yùn)行和精準(zhǔn)調(diào)度都具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。