董巖芳， 聞?dòng)嗳A， 鮑建騰

(1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局， 江蘇 南京 210029； 2.河海大學(xué)， 江蘇 南京 210098；3.江蘇省水旱災(zāi)害防御調(diào)度指揮中心， 江蘇 南京 210029)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，太湖流域生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水需求越來(lái)越大,也使得望虞河引排水形勢(shì)發(fā)生顯著變化。2002年，水利部太湖流域管理局等有關(guān)單位正式實(shí)施“引江濟(jì)太”調(diào)水工程，望虞河作為連接太湖與長(zhǎng)江的主要通道，一方面可以將長(zhǎng)江水引入太湖，加快水體交換，改善太湖水質(zhì)；另一方面可以將太湖洪水、區(qū)域澇水排入長(zhǎng)江，減少太湖流域因洪澇災(zāi)害帶來(lái)的損失[1]。目前，關(guān)于“引江濟(jì)太”引水情況的研究成果較為豐富，但對(duì)于其自然情況下排水能力實(shí)際情況的研究分析較少。望虞河的排水能力受多種因素的綜合影響，本文通過對(duì)相關(guān)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，旨在歸納主要因素對(duì)望虞河排水能力影響的具體規(guī)律。望虞河排水涉及太湖洪水排泄和望虞河兩岸澇水排泄，影響太湖流域洪水調(diào)度決策。進(jìn)行望虞河排水能力分析不僅有利于太湖流域防洪排澇工作的展開，更能為該流域防洪調(diào)度一體化提供決策服務(wù)。

1 工程概況及水文站設(shè)置

1.1 望虞河工程概況

望虞河位于江蘇省境內(nèi)，南起太湖邊的沙墩口，在常熟耿涇口流入長(zhǎng)江，全長(zhǎng)62.3 km，沿線地形平坦，底寬約72～94 m，河底高程-3 m。望虞河西部為澄錫虞高地，地面高程約4.5～5.5 m，東部為陽(yáng)澄淀柳區(qū)，地面高程約3.5 m。作為太湖的主要引排水通道，當(dāng)洪澇發(fā)生時(shí)，望虞河承泄太湖洪水，外排澄錫虞高地澇水。在干旱情況下，望虞河從長(zhǎng)江引水入太湖，補(bǔ)充太湖水資源量。望虞河工程兼顧防洪、排澇、供水、航運(yùn)效益，于1991年11月開工，2006年4月通過竣工驗(yàn)收。工程由總長(zhǎng)60.8 km的河道、干流上游的望亭水利樞紐、下游的常熟水利樞紐、兩岸支流口門控制建筑物組成[2]。

望亭水利樞紐位于望虞河和京杭大運(yùn)河交匯處，是望虞河水量進(jìn)出太湖最近的控制工程，采用“上槽下洞”立體交叉的布置形式，設(shè)計(jì)流量為400 m3/s。常熟水利樞紐距望虞河入江口1.6 km，作為望虞河連接長(zhǎng)江的控制建筑物，是太湖泄洪和供水的主要控制性工程之一。常熟水利樞紐中間設(shè)置泵站，可進(jìn)行雙向抽水，用于引水和排水，共有9臺(tái)設(shè)計(jì)流量為20 m3/s的機(jī)組。另外泵站下層流道可實(shí)現(xiàn)自由引排水，設(shè)計(jì)流量125 m3/s。泵站兩側(cè)各設(shè)置1個(gè)節(jié)制閘，設(shè)計(jì)流量375 m3/s。常熟水利樞紐采用閘泵聯(lián)合調(diào)度方式，在長(zhǎng)江潮位影響下，只有閘門關(guān)閉時(shí)，才使用泵站進(jìn)行抽排水。由于常熟水利樞紐位于望虞河下游，既是“引江濟(jì)太”的龍頭工程，又是望虞河排水入江的最后一道控制性口門，因此望虞河的引排水能力主要取決于常熟水利樞紐引排水能力[3-4]。

1.2 望虞河相關(guān)水文站設(shè)置

望虞河是“引江濟(jì)太”調(diào)水試驗(yàn)工程的主干道之一，其警戒水位為3.80 m，保證水位為4.20 m。望虞河干流主要布設(shè)了5個(gè)水文站點(diǎn)，望虞閘水文站位于望虞河常熟水利樞紐，觀測(cè)閘上引排水量，張橋水文站處于望虞河中部，甘露水位站位于鵝真蕩下游，琳橋水位站位于西塘河與望虞河交界處，望亭(立交)水文站位于望亭水利樞紐，觀測(cè)望虞河進(jìn)出太湖水量。另外，徐六涇水文站位于常滸河入江口，監(jiān)測(cè)長(zhǎng)江潮位。

2 影響望虞河排水能力主要因素分析

望虞河排水能力受到多種因素的綜合影響，目前對(duì)其排水能力的研究較少，關(guān)于其影響因素的探索空間還很大，次要影響因素包括河道情況、海平面變化、外江水位。主要影響因素為上游水位和長(zhǎng)江潮位。

2.1 河道情況的影響

河道情況主要包括河道形狀、比降、淤積情況，不同形狀的河道過流能力不同，梯形河道過流能力大于扁圓形河道，河道比降也影響河道的排水能力。曼寧公式為

(1)

式中：V為流速，m/s；k為轉(zhuǎn)換常數(shù)，國(guó)際單位制中值為1；n為糙率；R為水力半徑，m；S為坡度，即比降。

由式(1)可知，當(dāng)河道糙率和過流斷面形狀一定時(shí)，比降越大，河道的過流能力越大；王桂風(fēng)等[3]在望虞河擴(kuò)大方案研究中發(fā)現(xiàn)，河道淤積會(huì)使其過水面積減小，沿線水位雍高，部分河段出現(xiàn)阻水現(xiàn)象，影響其排水能力。

2.2 海平面變化的影響

王臘春等[5]通過分析海平面變化對(duì)太湖流域排澇的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)長(zhǎng)江口海平面上升，望虞河的排澇過程會(huì)受到一定程度的影響，外排水量減小。

2.3 外江水位的影響

王躍奎等[6]通過分析2009年望虞河泄洪影響因素發(fā)現(xiàn)，持續(xù)降雨會(huì)導(dǎo)致外江水位長(zhǎng)期高于望虞河水位，由于外江水位的頂托作用，常熟水利樞紐排水能力下降。

2.4 上游水位和長(zhǎng)江潮位的影響

望虞河排水能力同時(shí)受上游水位和長(zhǎng)江潮位的影響，上游水位的變化導(dǎo)致上下游水位差改變，進(jìn)而影響其排水能力，長(zhǎng)江口海域潮汐的頂托作用也會(huì)阻礙望虞河排水。選取2020年7月24日至30日張橋站流量、張橋站日平均水位、徐六涇日平均高潮、望虞河日平均排水流量(表1)進(jìn)行分析。其中張橋站流量代表望虞河中段的行洪能力，張橋站日平均水位代表上游水位，徐六涇日平均高潮代表長(zhǎng)江潮位情況，常熟水利樞紐日平均排水流量代表望虞河日平均排水流量[7-8]。

表1 望虞河2020年典型洪水期日平均流量、水位和高潮一覽

由表1可知，張橋站位于望虞河中段，受潮汐影響較小，其流量只能代表河道中段行洪能力，與常熟水利樞紐日平均排水流量不呈線性關(guān)系。如2020年7月30日長(zhǎng)江高潮位相對(duì)較低，張橋站流量324 m3/s最小，而常熟水利樞紐日平均排水流量395 m3/s最大。因此，張橋站的流量不能真正反映望虞河的排水能力。

另外還發(fā)現(xiàn)，望虞河同水位下，長(zhǎng)江潮位越高，其排水流量越小，反之亦然。如2020年7月26日至30日張橋站日平均水位介于4.04～4.10 m，基本處在同級(jí)水位。7月26日平均高潮4.85 m相對(duì)較高，對(duì)應(yīng)的排水流量338.2 m3/s最小，7月30日平均高潮4.08 m相對(duì)最低，對(duì)應(yīng)的排水流量395.1 m3/s最大。同級(jí)潮位下，望虞河水位越高，其排水流量越大，反之亦然。如2020年7月25日至26日平均高潮4.83～4.85 m，基本處在同級(jí)潮位。7月25日張橋水位4.12 m，明顯高于7月26日的4.04 m，對(duì)應(yīng)的排水流量7月25日383.7 m3/s明顯大于7月26日的338.2 m3/s。為準(zhǔn)確揭示影響望虞河排水能力的主要因素，本文將選取更多代表性數(shù)據(jù)，采用多元回歸等分析方法，研究望虞河的排水能力。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源及分析方法

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

張橋站位于望虞河中段，其平均水位對(duì)望虞河水位有一定的代表性。徐六涇位于常滸河入江口，其潮位能夠代表長(zhǎng)江潮汐的變化情況。望虞閘上水位能代表一潮推流法中的內(nèi)河水位。選取張橋站、徐六涇、望虞閘3個(gè)代表站2015—2020年的水文資料并進(jìn)行分析，來(lái)研究望虞河排水能力。由于受到長(zhǎng)江潮汐的影響，望虞河的水位、流量不呈簡(jiǎn)單線性關(guān)系，并且沒有相應(yīng)公式來(lái)計(jì)算瞬時(shí)流量，因此將望虞河的水位、潮位和排水流量過程概化為日過程，統(tǒng)一采用日平均數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，望虞河水位不高的情況下，望虞閘不全部開閘排水。當(dāng)望虞河水位較高，達(dá)到或超過警戒水位3.80 m(張橋)以上時(shí)，望虞閘閘門全開，全力搶排。受潮汐頂托影響，當(dāng)長(zhǎng)江水位高于內(nèi)河水位時(shí)，望虞閘關(guān)閘，啟用泵站抽排入江。因此本次選擇的樣本均為張橋站日平均水位在警戒水位3.80 m以上的數(shù)據(jù)，相應(yīng)的排水流量為河道最大排水流量，以獲得真實(shí)的望虞河排水能力。

3.2 多元回歸法

從徐六涇潮位數(shù)據(jù)中挑選每日2個(gè)高潮水位，取其平均高潮作為每日高潮水位。將2015—2020年望虞河日平均排水流量、張橋站日平均水位、徐六涇日平均高潮數(shù)據(jù)資料進(jìn)行回歸分析，建立望虞河排水流量和上游水位、長(zhǎng)江潮位的回歸方程。若回歸方程的相關(guān)系數(shù)低，則回歸效果不佳；若相關(guān)系數(shù)較高，則回歸效果較好。在本次回歸分析時(shí)，對(duì)少部分不合理的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，最后確定了44組樣本。2015年選取了6月19日至7月21日共10組樣本，張橋站日平均水位為3.81～4.47 m，徐六涇日平均高潮為4.17～4.85 m，望虞河日平均排水流量為320.6～687.5 m3/s；2016年選取了6月28日至7月26日共19組樣本，張橋站日平均水位為3.81～4.55 m，徐六涇日平均高潮為3.88～5.09 m，望虞河日平均排水流量為342.6～621.5 m3/s；2020年選取了7月6日至8月3日共15組樣本，其中張橋站日平均水位為3.82～4.48 m，徐六涇日平均高潮為3.86～5.29 m，望虞河日平均排水流量為338.2～505.3 m3/s。

回歸分析的R2為0.741，回歸情況較好，用其來(lái)分析上游水位和長(zhǎng)江潮位對(duì)望虞河排水能力的影響具有可靠性?；貧w方程為

y=302.43x1-93.42x2-390.67

(2)

式中，y為望虞河日平均排水流量，m3/s；x1為張橋站日平均水位，m；x2為徐六涇日平均高潮，m。

由式(2)可知，望虞河排水能力與上游水位呈正相關(guān)，與長(zhǎng)江潮位成呈負(fù)相關(guān)。上游水位的回歸系數(shù)為302.43，長(zhǎng)江潮位的回歸系數(shù)為-93.42，可知上游水位對(duì)望虞河排水能力的影響約是長(zhǎng)江潮位對(duì)其影響的3倍，相當(dāng)于上游水位上升0.10 m和長(zhǎng)江潮位下降0.30 m對(duì)望虞河排水能力的影響是大致相同的。

3.3 一潮推流法

一潮推流法是潮汐要素與一次開閘(引水或排水)的平均流量相關(guān)整編推流的方法，是目前較為成熟的推流方法之一。一個(gè)落潮期從平潮開始排水至落潮憩流止，期間每小時(shí)測(cè)流1次。當(dāng)閘上水位即內(nèi)河水位高于長(zhǎng)江潮位時(shí)，望虞閘排水。當(dāng)長(zhǎng)江潮位與內(nèi)河水位一致時(shí)開啟閘門或關(guān)閉閘門，將此時(shí)的水位作為穩(wěn)定水位Z，一個(gè)落潮期的最低潮位記為Z低，則波高ΔZ=Z-Z低。開閘時(shí)間記為T1，關(guān)閘時(shí)間記為T2，則一潮歷時(shí)為T2-T1。望虞閘的一潮推流法平均排水流量通用公式為

Q=KZα△Zβ

(3)

式中，Q為排水流量，m3/s；Z為穩(wěn)定水位，m；ΔZ為波高，m；K為系數(shù)；α、β為指數(shù)，根據(jù)當(dāng)年實(shí)測(cè)資料率定得到。

由于徐六涇一日有2個(gè)低潮，相應(yīng)地有2個(gè)排水期。按照式(3)計(jì)算一日第一潮的平均排水流量，再乘以一潮歷時(shí)將其轉(zhuǎn)化為排水量，記為排水量1。按照相同方法得到一日第二潮的排水量，記為排水量2。將一日內(nèi)兩潮排水量相加，再加上當(dāng)日泵站抽排水量，得到一潮推流日排水量。

3.4 兩種方法的比較

選擇2015年、2016年、2020年大水年典型洪水期，將一潮推流法與多元回歸法計(jì)算得到的日排水量結(jié)果進(jìn)行比較，見表2。

表2 一潮推流與多元回歸推流結(jié)果對(duì)比

可以看出2015年、2016年、2020年大水年典型洪水期，一潮推流法與多元回歸法計(jì)算得到的日排水量相差不大，相對(duì)誤差較小，可以認(rèn)為采用多元回歸法由上游水位和長(zhǎng)江潮位根據(jù)回歸方程計(jì)算的流量結(jié)果較為可靠，能代表望虞河的排水能力。

多元回歸法側(cè)重根據(jù)回歸方程來(lái)分析上游水位和長(zhǎng)江潮位對(duì)望虞河排水能力影響的具體規(guī)律。該法計(jì)算過程簡(jiǎn)單，應(yīng)用起來(lái)較為方便。一潮推流法側(cè)重根據(jù)長(zhǎng)江潮位和閘上水位之間的關(guān)系，采用望虞閘既有的推流公式來(lái)計(jì)算排水量。在實(shí)際應(yīng)用過程中，每年的一潮推流公式中的系數(shù)K和指數(shù)α、β都需要當(dāng)年20次以上實(shí)測(cè)流量資料率定得到，且計(jì)算過程較為復(fù)雜。

4 研究結(jié)論

望虞河的排水能力受包括上游水位、長(zhǎng)江潮位、河道情況等多種因素的綜合影響，本文對(duì)上游水位和長(zhǎng)江潮位2個(gè)主要因素進(jìn)行了多元回歸分析，由其與望虞河排水流量建立的回歸方程可知，望虞河的排水能力與上游水位和長(zhǎng)江潮位有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，且上游水位對(duì)望虞河排水能力的影響約是長(zhǎng)江潮位對(duì)其影響的3倍。與上游水位呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)上游水位上升時(shí)，上下游水位差增大，望虞河排水能力增強(qiáng)。與長(zhǎng)江潮位呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)長(zhǎng)江潮汐的頂托作用增強(qiáng)時(shí)，望虞河排水能力減弱。

采用多元回歸法進(jìn)行望虞河排水能力的分析有一定的可靠性和代表性，但還需要更多的可靠數(shù)據(jù)作為支撐，進(jìn)一步分析以提高其準(zhǔn)確性。望虞河排水能力的影響因素十分復(fù)雜，未來(lái)需要對(duì)更多因素進(jìn)行定性和定量分析，以更準(zhǔn)確地反映其排水能力。