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泗河書院橡膠壩對書院水文站的影響及對策探討

紀(jì)杰善牛淼趙曉旭時(shí)延慶

一、泗河簡介

1.河流概況

泗河是南四湖湖東地區(qū)一條大型山洪河道，全長159km，干流長度89.5km，流域面積2366km2。泗河共有大小支流32條，流域面積在100km2以上的一級支流5條。泗河干流現(xiàn)有黃陰集閘、泗河大閘、紅旗閘等9處閘壩。

2.流域水文氣象特征

泗河流域?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，流域多年平均年降雨量700mm左右，年內(nèi)分配不均勻，其中6～9月降雨量占全年降雨量的70%以上。該流域以低渦切變及臺風(fēng)雨影響為主，暴雨大而且集中，洪水峰高量大，洪水過程線呈尖瘦型。洪水多發(fā)生在7、8月份。泗河書院站實(shí)測最大洪峰流量4020m3/s。

二、書院水文站

書院水文站是泗河干流唯一控制站，是國家重點(diǎn)水文站。該站至入湖口距離約62km，設(shè)立于1955年7月，該站集水面積1542km2。

該站測驗(yàn)河段較順直，兩岸有部分石護(hù)坡，河面寬約240m，河槽內(nèi)無水生植物，河床為沙質(zhì)，受洪水沖淤變化不明顯。

該站測驗(yàn)項(xiàng)目有降水量、蒸發(fā)量、冰情、水位、流量、泥沙、普通測量等。

三、書院橡膠壩

橡膠壩屬薄壁柔性結(jié)構(gòu)，是隨著高分子合成材料的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型水工建筑物。因其節(jié)約三材、造價(jià)較低、施工簡易、運(yùn)行方便等優(yōu)點(diǎn)，近年來許多城市周邊河道建設(shè)了大量橡膠壩并投入運(yùn)行。

2012年6月，作為引水入城工程的一部分，泗河書院水文站基本水尺斷面（測流斷面）下游約650m建成書院橡膠壩。該壩壩長150m，壩高4m，死水位62.74m，正常蓄水位66.24m，相應(yīng)庫容157.4萬m3，其中死庫容2.3萬m3。該壩平時(shí)上下游水位差約3～4m，回水長度約5km。

圖1　書院站逐月平均水位過程線及月降水量柱狀圖

圖2　書院站2003～2014年水位～流量關(guān)系散點(diǎn)圖

四、橡膠壩建設(shè)前后水文站水文情勢變化

1.水位過程的變化

經(jīng)點(diǎn)繪書院站2003～2014年逐月平均水位過程線及月降水量柱狀圖（圖1），可以看出自2012年下半年該站水位整體抬升，之前水位在64m左右，2012年下半年以后水位在67m左右，水位整體升高了約3m。年內(nèi)水位變幅由之前的1m左右，變?yōu)?m左右。

2.水位～流量關(guān)系的變化

經(jīng)點(diǎn)繪書院站2003～2014年水位～流量關(guān)系散點(diǎn)圖（圖2），可以看出建壩前后水位流量關(guān)系發(fā)生了明顯變化，點(diǎn)據(jù)分離，建壩后點(diǎn)據(jù)明顯集中于圖的左上部。2013年、2014年泗河流域降水較少，書院站未發(fā)生明顯的洪水過程，但因橡膠壩的攔蓄，水位明顯升高，流量卻很小。

五、橡膠壩對水文工作的影響

一是水位資料的代表性變差。書院橡膠壩建設(shè)后，其回水長度達(dá)5km，書院水文站距橡膠壩僅650m左右。在枯水期，書院站水位本應(yīng)較低，但受書院橡膠壩的攔蓄影響，水位被抬升，又受橡膠壩放水和漏水的影響，水位驟降或波動。水位的這些變化已經(jīng)不能代表河道水位的天然變化過程，水位資料的代表性變差。

二是低水流量測驗(yàn)較為困難。建壩前，該站測流斷面河底基本是裸露的，一般有一至兩股水流，水面較窄，水深較淺，通過涉水測流或纜道測流即可完成流量測次。建壩后，整個(gè)斷面被淹沒，斷面水深2～3m，水面寬達(dá)200m左右，1m3/s來水流量所對應(yīng)的斷面平均流速僅為0.002m/s，遠(yuǎn)低于普通轉(zhuǎn)子式流速儀的測速下限。因此在橡膠壩充水情況下，在原測流斷面進(jìn)行小流量測驗(yàn)是很困難的。

三是難以建立穩(wěn)定的水位流量關(guān)系。書院站原水位流量關(guān)系較好，基本呈單一線。橡膠壩建設(shè)后，因壩上水位被人為抬高，無流量或小流量時(shí)水位也可能較高，因此難以建立穩(wěn)定的水位流量關(guān)系，尤其是低水水位流量關(guān)系更難建立。

四是原有的洪水預(yù)報(bào)方案適應(yīng)性受到影響。書院橡膠壩建設(shè)后，改變了原來的產(chǎn)匯流規(guī)律，改變了原有的水位～流量關(guān)系，原有的洪水預(yù)報(bào)方案已不能適應(yīng)現(xiàn)狀條件。

橡膠壩建設(shè)后，改變了原來的產(chǎn)匯流規(guī)律，改變了天然徑流的的年內(nèi)、年際分配規(guī)律，對書院水文站的水文測驗(yàn)、水文資料整編和洪水預(yù)報(bào)造成了明顯影響。

六、對策探討

1.測驗(yàn)斷面遷移

低水時(shí)，在書院橡膠壩下游或不受回水影響的上游適宜河段設(shè)立臨時(shí)測流斷面，建立臨時(shí)斷面的低水水位～流量關(guān)系，滿足低水流量測驗(yàn)和資料整編的需要。

2.利用水力學(xué)公式法推求橡膠壩下泄流量

可將橡膠壩視為寬頂堰，根據(jù)水力學(xué)堰流公式：Q=mBH（2gH）1/2

式中：m—流量系數(shù)，B—溢流寬度，H—壩上水頭。

由經(jīng)過一段時(shí)間率定得到的m等參數(shù)，推求橡膠壩下泄流量。應(yīng)在書院橡膠壩壩上設(shè)立自動觀測設(shè)備，已解決壩上水頭的觀測問題。

3.徑流還原

將橡膠壩攔蓄水體視為小型水庫，在壩上、壩下安裝水位自動觀測設(shè)備，由壩上水位的變化過程及已知的水位～庫容關(guān)系，計(jì)算蓄水變量，再加上橡膠壩下泄流量，反推“入庫”流量過程。

4.修訂洪水預(yù)報(bào)方案

書院站的產(chǎn)匯流規(guī)律發(fā)生明顯改變，原有的洪水預(yù)報(bào)方案已不能適應(yīng)現(xiàn)狀條件，因此應(yīng)收集分析建壩后系列暴雨洪水資料，重新修訂洪水預(yù)報(bào)方案■

（作者單位：山東省濟(jì)寧市水文局272000）