唐曉梅，何劍榮，李念斌

（1.上海市嘉定區(qū)河道水閘管理所，上海市 201822；2.上海嘉定水務(wù)工程設(shè)計(jì)有限公司，上海市 201899）

淺析圩區(qū)水文站網(wǎng)布設(shè)規(guī)劃

唐曉梅1，何劍榮2，李念斌2

（1.上海市嘉定區(qū)河道水閘管理所，上海市 201822；2.上海嘉定水務(wù)工程設(shè)計(jì)有限公司，上海市 201899）

圩區(qū)是治理區(qū)域外洪內(nèi)澇問題的重要手段，但現(xiàn)在對圩區(qū)水文監(jiān)測存在缺失。通過分析常用的水文站網(wǎng)規(guī)劃方法對圩區(qū)的適用性，提出了基于水量平衡原則的調(diào)查法，對圩區(qū)水文站網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行研究，并提出了相關(guān)的建議。

圩區(qū)；水文站網(wǎng)；規(guī)劃

0 引言

圩區(qū)是針對低洼易受澇地區(qū)，修筑堤防、水閘、泵站等設(shè)施形成封閉水系的一片區(qū)域，通過水閘、泵站等方式降低該范圍內(nèi)水位，從而達(dá)到防洪、除澇的目的。圩區(qū)的建設(shè)從很大程度上緩解了圩區(qū)的外洪內(nèi)澇問題，不但可以防止洪水外侵，還可以在圩內(nèi)發(fā)生水澇的時(shí)候及時(shí)排除澇水，保障圩內(nèi)正常的生產(chǎn)生活秩序，大大提高了圩區(qū)的抗洪除澇能力，達(dá)到了防汛安保的目的。

嘉定區(qū)主要圩區(qū)分布在江橋、外岡、工業(yè)區(qū)、南翔、真新、嘉定鎮(zhèn)等六個(gè)街鎮(zhèn)，現(xiàn)狀共建有13個(gè)圩區(qū)（見圖1），控制總面積達(dá)4 614 hm2（其中排澇耕地面積1 037.07 hm2，占圩內(nèi)面積的22.4.0%），排澇水泵總流量 114.74 m3/s。根據(jù)嘉定區(qū)水務(wù)“十三五”規(guī)劃（防汛除澇及水資源調(diào)度）主要項(xiàng)目計(jì)劃，擬新建封浜老鎮(zhèn)區(qū)圩區(qū)、上海國際汽車城圩區(qū)、蕰藻浜以南圩區(qū)等3個(gè)圩區(qū)，其中，蕰藻浜以南圩區(qū)面積達(dá)到了100.36 km2。

這些圩區(qū)的建成將在嘉定區(qū)防洪除澇中發(fā)揮極大的作用。然而長期以來，對這些圩區(qū)的水情監(jiān)測存在缺失，造成現(xiàn)有的圩區(qū)調(diào)度方案主要依靠人員經(jīng)驗(yàn)判斷。在一般的暴雨情況下，各自為陣尚能夠確保單個(gè)圩區(qū)的防汛安全。但在極端情況下，限于嘉定區(qū)的整體除澇能力不強(qiáng)，全區(qū)域面臨內(nèi)澇危險(xiǎn)的情況下，如何科學(xué)、有效、有序地進(jìn)行圩區(qū)除澇是一個(gè)亟待解決的問題。因此，有必要在已建及規(guī)劃圩區(qū)進(jìn)行水文站點(diǎn)的布設(shè)，為判斷圩區(qū)除澇效果、圩區(qū)水環(huán)境監(jiān)測、制定科學(xué)調(diào)度方案提供依據(jù)。本文著眼于此，對圩區(qū)水文站網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行一定的研究。

圖1 嘉定區(qū)現(xiàn)狀圩區(qū)分布圖

1 水文站網(wǎng)規(guī)劃的原則與“最優(yōu)站網(wǎng)”

水文站網(wǎng)是指在流域或區(qū)域內(nèi)，由適當(dāng)數(shù)量的各類水文測站構(gòu)成的水文監(jiān)測資料收集系統(tǒng)。按觀測功能可分為流量站網(wǎng)、水位站網(wǎng)、雨量站網(wǎng)等。站網(wǎng)規(guī)劃的主要原則是根據(jù)需要和可能，著眼于依靠站網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，發(fā)揮站網(wǎng)整體功能，提高站網(wǎng)產(chǎn)出的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。站網(wǎng)結(jié)構(gòu)是指不同的觀測項(xiàng)目、設(shè)站位置、觀測年限和觀測精度的水文站之間的有機(jī)結(jié)合，協(xié)調(diào)運(yùn)作方式[1]。

不同觀測項(xiàng)目的站網(wǎng)布設(shè)應(yīng)綜合考慮，如平原地區(qū)的流量站點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)按照水量平衡和區(qū)域代表相結(jié)合的原則進(jìn)行；雨量站點(diǎn)的布設(shè)要求應(yīng)能控制月年降水量和暴雨特征值在大范圍內(nèi)的分布規(guī)律，而配套雨量站則可與小河站及區(qū)域代表站同步配套觀測；水質(zhì)站網(wǎng)則因其功能特點(diǎn)要求布置于特定的河道位置。水文測站的選擇應(yīng)達(dá)到建站目的和滿足觀測精度的要求，應(yīng)選在岸線平順穩(wěn)定，代表性好的位置，避開回水和受水工建筑物影響的地方。

水文站網(wǎng)規(guī)劃的主要原則是“根據(jù)需要和可能，著眼于依靠站網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，發(fā)揮站網(wǎng)的整體功能，提高站網(wǎng)產(chǎn)出的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益”。而具體原則主要是點(diǎn)、線、面三個(gè)原則。點(diǎn)的原則即站址選擇要有代表性，主要設(shè)置在重要地區(qū)，如重要城鎮(zhèn)、河流分汊處、重要支流入流處等；線的原則即在干流沿線的任何地點(diǎn)，以滿足流量遞變率所需的精度來考量設(shè)計(jì)布站數(shù)目；面的原則即在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮水文分區(qū)，考慮水量平衡和合理的站網(wǎng)密度。

水文站網(wǎng)布設(shè)的理想狀態(tài)是“最優(yōu)站網(wǎng)”，即在一定精度標(biāo)準(zhǔn)和財(cái)政約束條件下，整體功能達(dá)到最強(qiáng)的水文站網(wǎng)，或在一定投入下，產(chǎn)出的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益最高的水文站網(wǎng)。站網(wǎng)規(guī)劃的目的就是要使站網(wǎng)達(dá)到最優(yōu)，最優(yōu)站網(wǎng)就是一個(gè)處于不斷完善過程的站網(wǎng)。一個(gè)理想的站網(wǎng)，應(yīng)該是在符合國民經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的前提下，充分考慮水資源開發(fā)利用對水文信息在量上及質(zhì)上的要求；滿足遠(yuǎn)景規(guī)劃及近期開發(fā)的需要，并對水文預(yù)報(bào)及水文分析計(jì)算提供足夠精度的水文依據(jù)，使資料收集的重復(fù)程度最小化。

2 常用的水文站網(wǎng)規(guī)劃方法及適用性

隨著站網(wǎng)布設(shè)的不斷優(yōu)化，以最優(yōu)站網(wǎng)為高度，國內(nèi)外很多專家學(xué)者對水文站網(wǎng)的布設(shè)做了各種研究，提出了很多布設(shè)方法。目前水文站網(wǎng)布設(shè)的研究方法主要有：卡拉謝夫法、最優(yōu)內(nèi)插法、模糊數(shù)學(xué)法、克里格法、測站間測法、NARI法、方格法等[2-4]。

卡拉謝夫法用于確定一個(gè)流量站網(wǎng)中測站的數(shù)量范圍。其最優(yōu)站網(wǎng)規(guī)劃準(zhǔn)則分為臨界最小面積準(zhǔn)則、梯度準(zhǔn)則和相關(guān)準(zhǔn)則。主要采用梯度準(zhǔn)則和相關(guān)準(zhǔn)則來確定區(qū)域代表站最佳控制面積。最優(yōu)內(nèi)插法是以結(jié)構(gòu)函數(shù)為基礎(chǔ)的站網(wǎng)布局優(yōu)化方法，用于確定一個(gè)水文站網(wǎng)的觀測站點(diǎn)的最小空間密度?？死锔穹ㄊ歉鶕?jù)水文過程的空間相關(guān)結(jié)構(gòu)，來確定最優(yōu)站點(diǎn)位置的方法。模糊數(shù)學(xué)法主要是采用模糊數(shù)學(xué)中的聚類分析和貼近度方法，對區(qū)域代表站的設(shè)置進(jìn)行分析。NARI法又名區(qū)域性資料站網(wǎng)分析法，是用流量特征值與自然地理特征值的回歸關(guān)系作為區(qū)域化的劃分手段。測站間測法是利用兩個(gè)流量站記錄的相關(guān)關(guān)系，將保留的測站的資料轉(zhuǎn)換到中斷的測站。方格法是利用降雨徑流的分布模型，考慮了時(shí)間、空間和測量的誤差來控制區(qū)域化的精度的方法。

目前常用的多種水文站網(wǎng)布設(shè)方法中，最優(yōu)內(nèi)插法、克里格法、測站間測法等都需計(jì)算年徑流深。由于圩區(qū)的特性，其產(chǎn)匯流特性與單受洪水影響的地區(qū)不同，河流主要受到上游來水、降雨和水利控制工程的多重影響，水流條件復(fù)雜，河流流態(tài)屬于非穩(wěn)定流態(tài)。其集水面積和徑流深也難以進(jìn)行準(zhǔn)確的估算，因此這些方法就無法適用。

而模糊數(shù)學(xué)法、方格法、NARI法都屬于需要結(jié)合自然地理特征進(jìn)行分析的方法，主要適合于面積較大、站網(wǎng)布設(shè)密度稀少的內(nèi)陸地區(qū)，適用性也顯不足?？梢哉f，目前尚沒有系統(tǒng)的完全適用于圩區(qū)水文站網(wǎng)的分析方法。

3 圩區(qū)水文站網(wǎng)規(guī)劃的特殊性

（1）圩區(qū)控制面積小。

嘉定區(qū)已建成圩區(qū)13個(gè)，控制面積69 210畝。其中江橋西片圩區(qū)和望新圩區(qū)面積為34 308畝，占到了全部已建圩區(qū)的49.6%。其余很多是控制面積僅幾百畝的小圩區(qū)。這些小型圩區(qū)通過圈圩筑堤有效抵抗了洪水的侵害，但是從生態(tài)系統(tǒng)上看，這種做法破壞了河網(wǎng)水系的完整性，阻斷了自然水域生態(tài)系統(tǒng)和水體自然流動(dòng)的交換，水體無法更新，水體的富營養(yǎng)化加劇，水質(zhì)下降，對水環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。此外，圩區(qū)內(nèi)的耕地使用化肥農(nóng)藥，導(dǎo)致氮、鉀、磷等元素增多，這些元素不僅在圩區(qū)農(nóng)田中的數(shù)量增加，在水域中的含量也是急速增長，對流域水體造成了污染。

（2）圩區(qū)控制工程多。

由于嘉定區(qū)地處平原河網(wǎng)地區(qū)，河道縱橫交錯(cuò)，為了封閉圩區(qū)建設(shè)了大量的泵、閘水利控制工程，如外岡望新圩區(qū)共設(shè)置泵閘11座。在排澇期間，通過這些泵閘向圩外河道進(jìn)行排水，造成了河道的無序流動(dòng)，水體流動(dòng)的方向受到水利控制工程的排水效率影響，流速方向不定，傳統(tǒng)的流量測驗(yàn)在此失去作用。

（3）圩區(qū)與骨干河道的聯(lián)系緊密。

圩區(qū)與圩外河道的空間拓?fù)潢P(guān)系是關(guān)聯(lián)關(guān)系，表現(xiàn)為圩區(qū)與圩外河道之間的水量交換關(guān)系。圩區(qū)與一條或多條圩外河道相關(guān)聯(lián)，多個(gè)圩區(qū)也可關(guān)聯(lián)同一條河流，所以圩區(qū)與河道可以是“一對一”、“一對多”或“多對一”的關(guān)系，圩堤上的涵、閘、泵站則是使圩區(qū)與好外河道發(fā)生關(guān)聯(lián)的媒介。

而泵站強(qiáng)排會(huì)對行洪河道造成額外防洪壓力，可能威脅到按現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的堤防安全。由于河道水流的相互頂托，通過泵站強(qiáng)排方式行洪的河道水位高于自由排水的河道，并且水位變化幅度明顯增大，并且如果多個(gè)圩區(qū)同時(shí)向一條河道行洪，水位抬升幅度從上游至下游會(huì)呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，對下游的防洪壓力也逐步增大。行洪河道的洪峰到來時(shí)間也會(huì)相對自由排水河道有所提前，這給下游河道行洪排澇造成了壓力。

4 針對圩區(qū)水文站網(wǎng)規(guī)劃的研究

（1）水文站網(wǎng)規(guī)劃觀測要素側(cè)重于水位、降雨量、水質(zhì)。

由于現(xiàn)有圩區(qū)往往是原區(qū)域地勢較低經(jīng)常發(fā)生內(nèi)澇、該區(qū)域又是重要的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)或居民生活區(qū)，人民群眾比較關(guān)注。由于圩區(qū)的特殊性，即控制面積小，容易產(chǎn)生水環(huán)境問題；水利控制工程多，無法采用流量測驗(yàn)；與圩外河道聯(lián)系緊密；所以，站網(wǎng)規(guī)劃上要側(cè)重于水位、降雨量、水質(zhì)的觀測要素。水質(zhì)的布設(shè)要有利于對圩區(qū)水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)進(jìn)行圩內(nèi)圩外水體溝通。水位站點(diǎn)的布設(shè)主要是對圩區(qū)整體水位進(jìn)行監(jiān)測，判斷圩區(qū)的內(nèi)澇情況，為有效調(diào)度提供依據(jù)。降雨量作為水位觀測項(xiàng)目的配套，主要是為研究圩區(qū)產(chǎn)匯流提供數(shù)據(jù)。由于本地區(qū)內(nèi)圩區(qū)控制面積較小，這些觀測可以統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)。

（2）站網(wǎng)規(guī)劃的方法主要采用基于水平衡原則的調(diào)查法[5]。

調(diào)查法是為了達(dá)到設(shè)想的目的，制定某一計(jì)劃全面或比較全面地收集研究對象某一方面情況的各種材料，并據(jù)此作出分析、綜合，得到某一結(jié)論的研究方法。

圩區(qū)是一個(gè)相對封閉的水體，可以基于采用水量平衡的原則對水體進(jìn)行調(diào)查研究，采用的主要步驟主要為：首先根據(jù)目的確定布設(shè)范圍：再通過所定范圍內(nèi)的河道進(jìn)行分析，然后結(jié)合實(shí)際情況，布設(shè)合理的臨時(shí)水位、流量調(diào)查斷面進(jìn)行調(diào)查；接著根據(jù)所測得的各河道水位、水量、流量等調(diào)查結(jié)果，進(jìn)行分析研究，最后根據(jù)實(shí)際需求，對測站進(jìn)行合理布設(shè)。

（3）圩內(nèi)圩外水文站網(wǎng)規(guī)劃相結(jié)合。

由于內(nèi)澇時(shí)，圩區(qū)的強(qiáng)排會(huì)造成圩外行洪河道的水位抬升，因此在圩外行洪河道需要建立水位監(jiān)測點(diǎn)。另一方面，雖然可以通過圩內(nèi)的水位監(jiān)測，結(jié)合圩區(qū)庫容曲線計(jì)算得到一個(gè)近似的外排水量，但由于平原產(chǎn)匯流的復(fù)雜性，該數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性不高，對制定科學(xué)的圩區(qū)調(diào)度方案參考意義有限，因此有必要建立圩外河道流量監(jiān)控站點(diǎn)。綜上，為實(shí)現(xiàn)水資源管理需要，涉及圩區(qū)行洪的主要河道應(yīng)當(dāng)布設(shè)相關(guān)站點(diǎn)，起到河道水量控制功能，實(shí)現(xiàn)從外周界的水量平衡轉(zhuǎn)向內(nèi)部配置的轉(zhuǎn)變。這些站點(diǎn)規(guī)劃應(yīng)與全區(qū)域的水文站點(diǎn)規(guī)劃相結(jié)合，避免重復(fù)建設(shè)。

5 結(jié)論

（1）本文通過對現(xiàn)有水文站網(wǎng)規(guī)范方法的分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有水文站網(wǎng)布設(shè)的研究方法在圩區(qū)不適用，提出了采用基于水量平衡原則的調(diào)查法對圩區(qū)水文站網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行分析研究。

（2）針對圩區(qū)的特殊性，本文建議在圩區(qū)水文站網(wǎng)規(guī)劃時(shí)重點(diǎn)考慮水位、水質(zhì)、降雨量的觀測項(xiàng)目。

（3）由于圩區(qū)排水對圩外行洪河道的影響，建議在圩區(qū)水文站網(wǎng)規(guī)劃時(shí)與全區(qū)域水文站網(wǎng)規(guī)劃相結(jié)合。

[1]SL 34-2013,水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則[S].

[2]錢學(xué)偉.關(guān)于卡拉謝夫法相準(zhǔn)則的分析論證[J].水文,1994(5): 23-28

[3]肖益民,梅匯海.站網(wǎng)規(guī)劃的隨機(jī)模型方法應(yīng)用探討[J].水文, 2006(1):76-68

[4]水利部水文司.水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則實(shí)用方法[M].南京:河海大學(xué)出版社,1993.

[5]丘汀萌,胡鳳彬,廖勁紅,等.流量測次精簡對現(xiàn)有小河站網(wǎng)度的檢驗(yàn)[J].水文,1997(增):46-50.

P336

B

1009-7716（2017）08-0119-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.037

2017-06-01

唐曉梅（1987-）,女,江蘇高淳人，工程師，從事水利工程管理工作。