仲兆林
(江蘇省水文水資源勘測局常州分局,江蘇常州 213001)
引江濟太是太湖綜合治理的需要,尤其新溝河、新孟河等工程實施后,可通過引江濟太促進太湖水體流動,改善太湖水質。通過對澡港河多年來水位流量、泥沙等方面的實測資料分析,可研究澡港河叉河分流比,進一步優(yōu)化工程調水方案,規(guī)劃樞紐工程的建設,確保城市防洪安全,合理利用水資源,改善區(qū)域水環(huán)境、水生態(tài)。
本文通過研究圣維南方程組在感潮河道水文測驗中的應用,分析影響感潮河道的水文因素,采用一潮推流法進行流量定線,進一步研究兩河的水位、流量的變化,從而得出其分流比的變化規(guī)律。
常州地處江蘇省東南部,東臨太湖,北依長江,區(qū)域水網密布。澡港河在淥安洲東側進入長江,是武澄西引排工程中連接長江和大運河的重要通江河道之一。澡港河支流眾多,1996年完成河道拓浚工程,上游圩塘鎮(zhèn)段裁彎取直,下游于龍虎塘以北的胡莊處分流,形成兩股水流:一股沿澡港河往西南經過常州高新區(qū)流入市區(qū)關河;另一股沿老澡港河東支往東南經洪福村北首穿過永匯河后流入北塘河,再經過橫塘河、丁塘港、三山港等北塘河支流部分流入大運河中,部分流到江陰境內。為了掌握澡港樞紐引排水對常州城市防洪除澇的影響程度,掌握澡港河和老澡港河東支的分流比的變化規(guī)律,本文采用不同時期實測水文資料,通過類比分析,探討澡港河龍虎塘胡莊分汊口處分流比的變化,對區(qū)域水資源調度、城市防洪、水環(huán)境改善的影響進行分析。
明渠非恒定漸變流的基本方程為圣維南方程組:
式中:
s—流程;
t—時間;
z—水位;
A—過水斷面面積;
Q—流量。
由于河網地區(qū)水流情況復雜,使得河網地區(qū)的分流比關系也相對復雜,澡港河又是受長江潮汐影響的感潮河道,感潮河道的流量變化在考慮圣維南方程包含的影響因素外,還需考慮澡港河與老澡港東支之間潮量、水面比降、含沙量、糙率等水力因素的變化造成的兩河間的分流比的變化。當兩河道的各水力因素同步增大或者減小時,分流比不會發(fā)生變化;當兩河道水力因素變化不一致時,會導致分流比產生變化。
2.1.1 潮量
澡港河屬感潮河道,主要來水為引長江水,多年平均引江水達3.89億m3。汛期5~9月引水量占全年引水量60%左右。在豐水年,沿江各閘從長江引水量相對較小,排水量相對較大,在枯水年引水量較多。潮量是影響新老澡港河分流比的重要因素,大潮期,引江水量大,分流比變化較大,主河道(新澡港河)流量較大,過水通道明顯;小潮汛期,潮量較小,流速相對較緩,兩側分流變化不大。
2.1.2 水面比降
河道比降(河床比降)是指沿水流方向單位水平距離河床高程差,一般山區(qū)河道比降較大,平原河道比降較小。水面比降,亦稱水面坡降、坡度,一般情況下都指水面縱比降(下文同),即:河段水面沿河流方向的高程差與相應的河流長度之比,以千分率或萬分率表示。
潮流段的水面比降,由于受到潮汐影響,比降比較復雜,低潮時水面比降大于高潮時,汛期水面比降大于枯水期,潮位高時水面比降大于潮位低時。
2.1.3 來沙量
江水是澡港河的主要水源,長江水含沙量高,引水同時將江水挾帶的泥沙帶入河道中,這是內河淤積的重要因素。大潮期,水流速大,挾沙能力強,河床除槽頂端外,一般以沖為主,水體含沙量較高;小潮期,水流速小,挾沙能力低,水流含沙量小,河床以淤積為主。
2.2.1 斷面布設及斷面面積變化
2008年8月在澡港河及東支分汊口處分別布設了流量監(jiān)測斷面進行同步流量監(jiān)測。在斷面布設中考慮到支流、潮汐、泥沙等因素的影響,準備率定出兩河分流比變化規(guī)律,故將澡港河斷面布設在西湖塘橋處,而老澡港河東支斷面布設在盤龍圓橋處。
采用鉛魚加測繩法進行大斷面測量,以水位為基準,每2 m測一個點,根據(jù)實測斷面資料計算兩斷面面積比與水位變化關系如圖1。
由于澡港河河槽常年處于沖刷狀態(tài),澡港河在同水位下河底較深,過水斷面面積較老澡港河東支大,面積比成曲線分布,但隨著水位增大,逐漸變緩。
2.2.2 測驗方法
測驗時序上考慮:從2008年8月份開始,時空分布均勻,根據(jù)降水、水面比降的變化連續(xù)監(jiān)測。
潮汛周期變化考慮:根據(jù)大、小潮汛不同在兩布設斷面進行同步流量、潮量監(jiān)測。隨著月球、太陽和地球三者所處相對位置不同,潮汐除周日變化以外,并以一月為周期形成一月中兩次大潮和兩次小潮。在朔(初一)、望(十五)日,由于月球、太陽和地球運行位置處于一直線上,月球和太陽的引潮力相互疊加,此時海面升降最大,形成一月中兩次最高的高潮和最低的低潮,稱為大潮。在上弦日(初七或初八)與下弦日(廿二或廿三),由于月球、太陽和地球相互運行的位置接近直角三角形,月球、太陽對地球的引潮力相互消減,此時海面升降最小,稱為小潮。
2.3.1 流量測驗分析
通過2008年以來近33次流量監(jiān)測資料的分析,兩條河道在不同潮汐的情況下,分流比發(fā)生變化,且根據(jù)監(jiān)測資料計算分析,有比較明顯的規(guī)律:
長江大潮汛期,澡港河及其東支同步實測16次流量,根據(jù)實測資料建立澡港河西湖塘橋斷面流量與總流量的關系如圖2。
長江小潮汛期,澡港河及其東支同步實測17次流量,根據(jù)實測資料建立澡港河西湖塘橋斷面流量與總流量的關系如圖3。
由圖2、圖3兩相關關系圖可知,除出現(xiàn)個別沒有代表意義的極端情況測點外,在大潮汛期,新澡港河的流量占總流量的0.7左右;小潮汛期,新老澡港河分流相當,約各占一半。
2.3.2 潮量測驗分析
為更有效地對分流比進行分析研究,2009年7~12月同步監(jiān)測澡港河及東支的引排潮量,實測引排水量及占總量統(tǒng)計計算如表1。
圖1 斷面面積比與水位變化關系圖
圖2 大潮汛期澡港河西湖塘橋斷面流量與總流量關系圖
圖3 小潮汛期澡港河西湖塘橋斷面流量與總流量關系圖
根據(jù)表1實測成果分析,在大小潮汛期,新老澡港河引排水量比變化是與流量比變化一致的,即:在大潮汛期,澡港河的引排水量占總量的0.7左右;小潮汛期,澡港河分流各占一半。
2.3.3 影響分析
拓浚澡港河是流域綜合治理的需要,是常州城市防洪的需要,是流域和地區(qū)供水的需要,是常州經濟發(fā)展的需要。澡港河拓浚工程完成后,能提高引江能力,也擴大了排水出路,將武澄錫地區(qū)上游洪水迅速就近排入長江,減輕了常武地區(qū)及北塘河沿線圩區(qū)的防洪除澇壓力。澡港河東支樞紐的實施,將更有利于常州城區(qū)防洪大包圍的建設。
澡港河多年平均引排水量約3.5億m3,通過對其分流比分析研究后,澡港河年平均出入常州市區(qū)水量達2.1億m3左右。我們可以在干旱年份進行合理引排調度,保證工業(yè)用水、農業(yè)灌溉用水和生活用水,同時在向太湖補充水源及改善航運條件、河道水質污染狀況方面發(fā)揮作用。
引江濟太是運用水利手段改善太湖流域水環(huán)境的一個重要措施,流域水利工程體系將長江清水調入太湖流域,通過水資源的優(yōu)化調度,提高流域水資源承載能力,增加水環(huán)境容量,緩解流域水質型缺水矛盾,遏制流域水環(huán)境惡化趨勢,最終達到改善太湖和流域河網水環(huán)境的目的。通過對澡港河及其東支一年以來實測資料的分析研究,特別考慮潮汐、水面比降等影響其分流比的重要水力因素,初步得出以下認識:
表1 實測澡港河及東支同步引排水量監(jiān)測成果統(tǒng)計表
(1)感潮河道中,潮汐的變化是其分流比中最重要的影響因素;水面比降也受潮汐的影響,大潮汛期,水面比降大,分流比大;小潮汛期,水面比降小,分流比小。
(2)澡港河及其東支分流比:大潮汛期 7∶3;小潮汛期 5∶5。