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.上海嘉定水務工程設計有限公司，上海市 201899）

淺析圩區(qū)水文站網(wǎng)布設規(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.上海嘉定水務工程設計有限公司，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，從而達到防洪、除澇的目的。圩區(qū)的建設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)生水澇的時候及時排除澇水，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)等六個街鎮(zhèn)，現(xiàn)狀共建有13個圩區(qū)（見圖1），控制總面積達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“十三五”規(guī)劃（防汛除澇及水資源調(diào)度）主要項目計劃，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個圩區(qū)，其中，蕰藻浜以南圩區(qū)面積達到了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)驗判斷。在一般的暴雨情況下，各自為陣尚能夠確保單個圩區(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，全區(qū)域面臨內(nèi)澇危險的情況下，如何科學、有效、有序地進行圩區(qū)除澇是一個亟待解決的問題。因此，有必要在已建及規(guī)劃圩區(qū)進行水文站點的布設，為判斷圩區(qū)除澇效果、圩區(qū)水環(huán)境監(jiān)測、制定科學調(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)出的社會效益和經(jīng)濟效益。站網(wǎng)結(jié)構(gòu)是指不同的觀測項目、設站位置、觀測年限和觀測精度的水文站之間的有機結(jié)合，協(xié)調(diào)運作方式[1]。

不同觀測項目的站網(wǎng)布設應綜合考慮，如平原地區(qū)的流量站點的布設應按照水量平衡和區(qū)域代表相結(jié)合的原則進行；雨量站點的布設要求應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)則因其功能特點要求布置于特定的河道位置。水文測站的選擇應達到建站目的和滿足觀測精度的要求，應選在岸線平順穩(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)出的社會效益和經(jīng)濟效益”。而具體原則主要是點、線、面三個原則。點的原則即站址選擇要有代表性，主要設置在重要地區(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，以滿足流量遞變率所需的精度來考量設計布站數(shù)目；面的原則即在設計時要考慮水文分區(qū)，考慮水量平衡和合理的站網(wǎng)密度。

水文站網(wǎng)布設的理想狀態(tài)是“最優(yōu)站網(wǎng)”，即在一定精度標準和財政約束條件下，整體功能達到最強的水文站網(wǎng)，或在一定投入下，產(chǎn)出的社會和經(jīng)濟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)達到最優(yōu)，最優(yōu)站網(wǎng)就是一個處于不斷完善過程的站網(wǎng)。一個理想的站網(wǎng)，應該是在符合國民經(jīng)濟社會發(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；滿足遠景規(guī)劃及近期開發(fā)的需要，并對水文預報及水文分析計算提供足夠精度的水文依據(jù)，使資料收集的重復程度最小化。

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)外很多專家學者對水文站網(wǎng)的布設做了各種研究，提出了很多布設方法。目前水文站網(wǎng)布設的研究方法主要有：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)劃準則分為臨界最小面積準則、梯度準則和相關(guān)準則。主要采用梯度準則和相關(guān)準則來確定區(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)為基礎的站網(wǎng)布局優(yōu)化方法，用于確定一個水文站網(wǎng)的觀測站點的最小空間密度?？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)站點位置的方法。模糊數(shù)學法主要是采用模糊數(shù)學中的聚類分析和貼近度方法，對區(qū)域代表站的設置進行分析。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)布設方法中，最優(yōu)內(nèi)插法、克里格法、測站間測法等都需計算年徑流深。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行準確的估算，因此這些方法就無法適用。

而模糊數(shù)學法、方格法、NARI法都屬于需要結(jié)合自然地理特征進行分析的方法，主要適合于面積較大、站網(wǎng)布設密度稀少的內(nèi)陸地區(qū)，適用性也顯不足。可以說，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，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)境造成了嚴重的污染。此外，圩區(qū)內(nèi)的耕地使用化肥農(nóng)藥，導致氮、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，為了封閉圩區(qū)建設了大量的泵、閘水利控制工程，如外岡望新圩區(qū)共設置泵閘11座。在排澇期間，通過這些泵閘向圩外河道進行排水，造成了河道的無序流動，水體流動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撲關(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。

而泵站強排會對行洪河道造成額外防洪壓力，可能威脅到按現(xiàn)有防洪標準設計的堤防安全。由于河道水流的相互頂托，通過泵站強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，并且如果多個圩區(qū)同時向一條河道行洪，水位抬升幅度從上游至下游會呈現(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間也會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；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)的布設要有利于對圩區(qū)水環(huán)境進行監(jiān)測，及時進行圩內(nèi)圩外水體溝通。水位站點的布設主要是對圩區(qū)整體水位進行監(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。

（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)查法是為了達到設想的目的，制定某一計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)是一個相對封閉的水體，可以基于采用水量平衡的原則對水體進行調(diào)查研究，采用的主要步驟主要為：首先根據(jù)目的確定布設范圍：再通過所定范圍內(nèi)的河道進行分析，然后結(jié)合實際情況，布設合理的臨時水位、流量調(diào)查斷面進行調(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，進行分析研究，最后根據(jù)實際需求，對測站進行合理布設。

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

由于內(nèi)澇時，圩區(qū)的強排會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。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)庫容曲線計算得到一個近似的外排水量，但由于平原產(chǎn)匯流的復雜性，該數(shù)據(jù)的準確性不高，對制定科學的圩區(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。綜上，為實現(xiàn)水資源管理需要，涉及圩區(qū)行洪的主要河道應當布設相關(guān)站點，起到河道水量控制功能，實現(xiàn)從外周界的水量平衡轉(zhuǎn)向內(nèi)部配置的轉(zhuǎn)變。這些站點規(guī)劃應與全區(qū)域的水文站點規(guī)劃相結(jié)合，避免重復建設。

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)劃時重點考慮水位、水質(zhì)、降雨量的觀測項目。

（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)導則[S].

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

[3]肖益民,梅匯海.站網(wǎng)規(guī)劃的隨機模型方法應用探討[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)導則實用方法[M].南京:河海大學出版社,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[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。