浅析圩区水文站网布设规划

2017-09-15唐晓梅何剑荣李念斌

城市道桥与防洪 2017年8期

关键词：圩区站网行洪

唐晓梅，何剑荣，李念斌

（1.上海市嘉定区河道水闸管理所，上海市 201822；2.上海嘉定水务工程设计有限公司，上海市 201899）

浅析圩区水文站网布设规划

唐晓梅1，何剑荣2，李念斌2

（1.上海市嘉定区河道水闸管理所，上海市 201822；2.上海嘉定水务工程设计有限公司，上海市 201899）

圩区是治理区域外洪内涝问题的重要手段，但现在对圩区水文监测存在缺失。通过分析常用的水文站网规划方法对圩区的适用性，提出了基于水量平衡原则的调查法，对圩区水文站网规划进行研究，并提出了相关的建议。

圩区；水文站网；规划

0 引言

圩区是针对低洼易受涝地区，修筑堤防、水闸、泵站等设施形成封闭水系的一片区域，通过水闸、泵站等方式降低该范围内水位，从而达到防洪、除涝的目的。圩区的建设从很大程度上缓解了圩区的外洪内涝问题，不但可以防止洪水外侵，还可以在圩内发生水涝的时候及时排除涝水，保障圩内正常的生产生活秩序，大大提高了圩区的抗洪除涝能力，达到了防汛安保的目的。

嘉定区主要圩区分布在江桥、外冈、工业区、南翔、真新、嘉定镇等六个街镇，现状共建有13个圩区（见图1），控制总面积达4 614 hm2（其中排涝耕地面积1 037.07 hm2，占圩内面积的22.4.0%），排涝水泵总流量 114.74 m3/s。根据嘉定区水务“十三五”规划（防汛除涝及水资源调度）主要项目计划，拟新建封浜老镇区圩区、上海国际汽车城圩区、蕰藻浜以南圩区等3个圩区，其中，蕰藻浜以南圩区面积达到了100.36 km2。

这些圩区的建成将在嘉定区防洪除涝中发挥极大的作用。然而长期以来，对这些圩区的水情监测存在缺失，造成现有的圩区调度方案主要依靠人员经验判断。在一般的暴雨情况下，各自为阵尚能够确保单个圩区的防汛安全。但在极端情况下，限于嘉定区的整体除涝能力不强，全区域面临内涝危险的情况下，如何科学、有效、有序地进行圩区除涝是一个亟待解决的问题。因此，有必要在已建及规划圩区进行水文站点的布设，为判断圩区除涝效果、圩区水环境监测、制定科学调度方案提供依据。本文着眼于此，对圩区水文站网规划进行一定的研究。

图1 嘉定区现状圩区分布图

1 水文站网规划的原则与“最优站网”

水文站网是指在流域或区域内，由适当数量的各类水文测站构成的水文监测资料收集系统。按观测功能可分为流量站网、水位站网、雨量站网等。站网规划的主要原则是根据需要和可能，着眼于依靠站网的结构，发挥站网整体功能，提高站网产出的社会效益和经济效益。站网结构是指不同的观测项目、设站位置、观测年限和观测精度的水文站之间的有机结合，协调运作方式[1]。

不同观测项目的站网布设应综合考虑，如平原地区的流量站点的布设应按照水量平衡和区域代表相结合的原则进行；雨量站点的布设要求应能控制月年降水量和暴雨特征值在大范围内的分布规律，而配套雨量站则可与小河站及区域代表站同步配套观测；水质站网则因其功能特点要求布置于特定的河道位置。水文测站的选择应达到建站目的和满足观测精度的要求，应选在岸线平顺稳定，代表性好的位置，避开回水和受水工建筑物影响的地方。

水文站网规划的主要原则是“根据需要和可能，着眼于依靠站网的结构，发挥站网的整体功能，提高站网产出的社会效益和经济效益”。而具体原则主要是点、线、面三个原则。点的原则即站址选择要有代表性，主要设置在重要地区，如重要城镇、河流分汊处、重要支流入流处等；线的原则即在干流沿线的任何地点，以满足流量递变率所需的精度来考量设计布站数目；面的原则即在设计时要考虑水文分区，考虑水量平衡和合理的站网密度。

水文站网布设的理想状态是“最优站网”，即在一定精度标准和财政约束条件下，整体功能达到最强的水文站网，或在一定投入下，产出的社会和经济效益最高的水文站网。站网规划的目的就是要使站网达到最优，最优站网就是一个处于不断完善过程的站网。一个理想的站网，应该是在符合国民经济社会发展需要的前提下，充分考虑水资源开发利用对水文信息在量上及质上的要求；满足远景规划及近期开发的需要，并对水文预报及水文分析计算提供足够精度的水文依据，使资料收集的重复程度最小化。

2 常用的水文站网规划方法及适用性

随着站网布设的不断优化，以最优站网为高度，国内外很多专家学者对水文站网的布设做了各种研究，提出了很多布设方法。目前水文站网布设的研究方法主要有：卡拉谢夫法、最优内插法、模糊数学法、克里格法、测站间测法、NARI法、方格法等[2-4]。

卡拉谢夫法用于确定一个流量站网中测站的数量范围。其最优站网规划准则分为临界最小面积准则、梯度准则和相关准则。主要采用梯度准则和相关准则来确定区域代表站最佳控制面积。最优内插法是以结构函数为基础的站网布局优化方法，用于确定一个水文站网的观测站点的最小空间密度。克里格法是根据水文过程的空间相关结构，来确定最优站点位置的方法。模糊数学法主要是采用模糊数学中的聚类分析和贴近度方法，对区域代表站的设置进行分析。NARI法又名区域性资料站网分析法，是用流量特征值与自然地理特征值的回归关系作为区域化的划分手段。测站间测法是利用两个流量站记录的相关关系，将保留的测站的资料转换到中断的测站。方格法是利用降雨径流的分布模型，考虑了时间、空间和测量的误差来控制区域化的精度的方法。

目前常用的多种水文站网布设方法中，最优内插法、克里格法、测站间测法等都需计算年径流深。由于圩区的特性，其产汇流特性与单受洪水影响的地区不同，河流主要受到上游来水、降雨和水利控制工程的多重影响，水流条件复杂，河流流态属于非稳定流态。其集水面积和径流深也难以进行准确的估算，因此这些方法就无法适用。

而模糊数学法、方格法、NARI法都属于需要结合自然地理特征进行分析的方法，主要适合于面积较大、站网布设密度稀少的内陆地区，适用性也显不足。可以说，目前尚没有系统的完全适用于圩区水文站网的分析方法。

3 圩区水文站网规划的特殊性

（1）圩区控制面积小。

嘉定区已建成圩区13个，控制面积69 210亩。其中江桥西片圩区和望新圩区面积为34 308亩，占到了全部已建圩区的49.6%。其余很多是控制面积仅几百亩的小圩区。这些小型圩区通过圈圩筑堤有效抵抗了洪水的侵害，但是从生态系统上看，这种做法破坏了河网水系的完整性，阻断了自然水域生态系统和水体自然流动的交换，水体无法更新，水体的富营养化加剧，水质下降，对水环境造成了严重的污染。此外，圩区内的耕地使用化肥农药，导致氮、钾、磷等元素增多，这些元素不仅在圩区农田中的数量增加，在水域中的含量也是急速增长，对流域水体造成了污染。

（2）圩区控制工程多。

由于嘉定区地处平原河网地区，河道纵横交错，为了封闭圩区建设了大量的泵、闸水利控制工程，如外冈望新圩区共设置泵闸11座。在排涝期间，通过这些泵闸向圩外河道进行排水，造成了河道的无序流动，水体流动的方向受到水利控制工程的排水效率影响，流速方向不定，传统的流量测验在此失去作用。

（3）圩区与骨干河道的联系紧密。

圩区与圩外河道的空间拓扑关系是关联关系，表现为圩区与圩外河道之间的水量交换关系。圩区与一条或多条圩外河道相关联，多个圩区也可关联同一条河流，所以圩区与河道可以是“一对一”、“一对多”或“多对一”的关系，圩堤上的涵、闸、泵站则是使圩区与好外河道发生关联的媒介。

而泵站强排会对行洪河道造成额外防洪压力，可能威胁到按现有防洪标准设计的堤防安全。由于河道水流的相互顶托，通过泵站强排方式行洪的河道水位高于自由排水的河道，并且水位变化幅度明显增大，并且如果多个圩区同时向一条河道行洪，水位抬升幅度从上游至下游会呈现出逐渐增大的趋势，对下游的防洪压力也逐步增大。行洪河道的洪峰到来时间也会相对自由排水河道有所提前，这给下游河道行洪排涝造成了压力。

4 针对圩区水文站网规划的研究

（1）水文站网规划观测要素侧重于水位、降雨量、水质。

由于现有圩区往往是原区域地势较低经常发生内涝、该区域又是重要的经济生产或居民生活区，人民群众比较关注。由于圩区的特殊性，即控制面积小，容易产生水环境问题；水利控制工程多，无法采用流量测验；与圩外河道联系紧密；所以，站网规划上要侧重于水位、降雨量、水质的观测要素。水质的布设要有利于对圩区水环境进行监测，及时进行圩内圩外水体沟通。水位站点的布设主要是对圩区整体水位进行监测，判断圩区的内涝情况，为有效调度提供依据。降雨量作为水位观测项目的配套，主要是为研究圩区产汇流提供数据。由于本地区内圩区控制面积较小，这些观测可以统一规划建设。

（2）站网规划的方法主要采用基于水平衡原则的调查法[5]。

调查法是为了达到设想的目的，制定某一计划全面或比较全面地收集研究对象某一方面情况的各种材料，并据此作出分析、综合，得到某一结论的研究方法。

圩区是一个相对封闭的水体，可以基于采用水量平衡的原则对水体进行调查研究，采用的主要步骤主要为：首先根据目的确定布设范围：再通过所定范围内的河道进行分析，然后结合实际情况，布设合理的临时水位、流量调查断面进行调查；接着根据所测得的各河道水位、水量、流量等调查结果，进行分析研究，最后根据实际需求，对测站进行合理布设。

（3）圩内圩外水文站网规划相结合。

由于内涝时，圩区的强排会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监测点。另一方面，虽然可以通过圩内的水位监测，结合圩区库容曲线计算得到一个近似的外排水量，但由于平原产汇流的复杂性，该数据的准确性不高，对制定科学的圩区调度方案参考意义有限，因此有必要建立圩外河道流量监控站点。综上，为实现水资源管理需要，涉及圩区行洪的主要河道应当布设相关站点，起到河道水量控制功能，实现从外周界的水量平衡转向内部配置的转变。这些站点规划应与全区域的水文站点规划相结合，避免重复建设。