陳曉成

(阜陽水文水資源局，安徽 阜陽 236000)

0 引言

受區(qū)域水文特征、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、城市化建設(shè)、人口增長、地表水污染等多因素影響，阜陽市地表水資源嚴(yán)重短缺，地下水開發(fā)利用成為彌補(bǔ)水資源短缺的重要手段，城區(qū)居民生活用水和工業(yè)大部分使用深層地下水，而深層地下水補(bǔ)給緩慢。1970年后，阜陽市出現(xiàn)過量開采并導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降，形成地下水降落漏斗，城區(qū)乃至周邊出現(xiàn)地面沉降，范圍波及數(shù)百平方公里。潁河阜陽閘靠近地面沉降中心，因基礎(chǔ)不均勻沉降造成閘底板開裂等安全隱患，先后進(jìn)行兩次除險加固；與之配套的阜陽閘水文站也深受其害，受當(dāng)時條件限制，無法確定水準(zhǔn)點(diǎn)逐年沉降量，基本水準(zhǔn)點(diǎn)、校核水準(zhǔn)點(diǎn)的考證僅能依據(jù)相對沉降值做微調(diào)處理。不僅水位資料系列一致性遭受破壞，而且原有的堰閘流量系數(shù)線要重新率定，增加了水文測報難度。

由于阜陽地面累計沉降幅度較大，而水位資料逐年假性偏高，阜陽閘水文站的報汛水位和上下游水位矛盾，給防汛部門防洪調(diào)度決策帶來誤導(dǎo)和困難。不僅影響了潁河、淮河、茨淮新河的洪水調(diào)度決策，也在很大程度上降低了水文資料的社會價值。

鑒于上述因素，地方防辦就報汛水位改正問題提出意見，歷史上阜陽閘報汛水位采用減去0.53 m和1.24 m兩個階段。由于地面沉降持續(xù)，導(dǎo)致水位失真更甚，報汛水位等無法滿足防洪調(diào)度，同時水文年鑒中的水位系列存在一致性問題，對資料使用不利，必須系統(tǒng)改正解決。

1 分析方法和實(shí)施步驟

1.1 分析方法

水位計算的依據(jù)是水尺零點(diǎn)高程，水尺零點(diǎn)高程的確定是從校核水準(zhǔn)點(diǎn)接測推求；校核水準(zhǔn)點(diǎn)高程是從基本水準(zhǔn)點(diǎn)或引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)引測確定。要分析確定地面沉降期間水位的改正值，必須先確定基本水準(zhǔn)點(diǎn)、校核水準(zhǔn)點(diǎn)高程的逐年變化情況。為此，按照兩條線進(jìn)行梳理，并形成兩個高程系列。

一條線是掌握基本水準(zhǔn)點(diǎn)乃至阜陽閘周邊其他水準(zhǔn)點(diǎn)高程的實(shí)際變化，資料取自各個測繪單位從外圍非沉降區(qū)接測的精密水準(zhǔn)成果。另一條線是水文考證系列的水準(zhǔn)點(diǎn)高程變化，包括引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)、基本水準(zhǔn)點(diǎn)、校核水準(zhǔn)點(diǎn)。

依據(jù)兩個高程系列成果，分析得到校核水準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)際高程與考證高程的差值系列；因水尺零點(diǎn)高程變化與校核水準(zhǔn)點(diǎn)高程變化同步，校核水準(zhǔn)點(diǎn)高程的差值系列即為水位初步改正值系列。

依據(jù)水位初步改正值，對水文年鑒中的阜陽閘上下游水位進(jìn)行改正，再根據(jù)上下游水文斷面對應(yīng)關(guān)系，分析改正后的水位系列合理性；如存在矛盾，再分析形成原因，對水位改正值進(jìn)行改正。

1.2 實(shí)施步驟

(1)調(diào)查收集阜陽市測繪院、淮河河道管理局、阜陽市勘測院等單位測量的與阜陽閘基本水準(zhǔn)點(diǎn)相關(guān)的精密水準(zhǔn)測量成果，確定阜陽閘水文站水準(zhǔn)點(diǎn)歷年沉降情況，為水位改正提供依據(jù)。

(2)收集整理阜陽閘水文站建站以來考證系列的水準(zhǔn)點(diǎn)測量成果，建立水文考證系列水準(zhǔn)點(diǎn)專項(xiàng)檔案。

(3)分析基本水準(zhǔn)點(diǎn)與引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)之間、校核水準(zhǔn)點(diǎn)與基本水準(zhǔn)點(diǎn)之間的相對沉降規(guī)律，初步確定閘上、下水位逐年改正值。

(4)驗(yàn)證改正后的水位系列的合理性，提出類似沉降區(qū)水位改正方法和沉降區(qū)水準(zhǔn)點(diǎn)使用要注意的事項(xiàng)。

2 測站概況及地面沉降影響

2.1 測站概況

阜陽閘水文站為潁河中下游的控制站，是國家重要水文站，位于阜陽市區(qū)中心位置。在歷年潁河及淮河的防洪抗旱、水資源利用、水污染防治等調(diào)度決策過程中，該站水位流量信息發(fā)揮重要的支撐作用；在潁河及其主要支流的防洪規(guī)劃、涉水工程設(shè)計、城市發(fā)展規(guī)劃等方面，該站收集的水文系列資料發(fā)揮著不可替代的作用。阜陽閘站流域面積38 240 km2，潁河界首站至阜陽閘河長71 km，泉河楊橋閘站距阜陽閘河長78 km，泉河在阜陽閘上1 km處匯入潁河，阜陽閘站水系圖見圖1。

阜陽閘站歷史上使用過引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)有720(地上暗標(biāo))、新B.M東和船左下B.M，先后因城市建設(shè)被毀；使用過的基本水準(zhǔn)點(diǎn)有淮水文2057；使用過的校核水準(zhǔn)點(diǎn)有T.B.M1、T.B.M2、T.B.M3、T.B.M4、T.B.M5、閘上留點(diǎn)、閘下留點(diǎn)。

現(xiàn)在使用的基本水準(zhǔn)點(diǎn)淮水文2057位于南三角洲公園停車場西南角5 m處，是本站保存時間最長的基本水準(zhǔn)點(diǎn)(1965年設(shè)置至今)，該基本水準(zhǔn)點(diǎn)已納入阜陽市地面沉降區(qū)監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)；校核水準(zhǔn)點(diǎn)閘下留點(diǎn)位于閘下水尺斷面左岸80m處，T.B.M5位于閘上水尺斷面第一根水尺上15 m處。該站上下游水尺斷面均布設(shè)在潁河右岸，分別為閘上240 m、閘下617 m。使用的水準(zhǔn)高程為凍結(jié)基面，凍結(jié)基面-0.136m=黃海基面以上米數(shù)。

圖1 阜陽閘站水系圖

2.2 地面沉降及其影響

2.2.1 地面沉降

阜陽市地面沉降發(fā)展過程經(jīng)歷了四個時期：1970-1980年為地面沉降形成期，地面沉降開始出現(xiàn)，但發(fā)展緩慢，沉降范圍約為80～100 km2，累計沉降量尚不足100 mm；1980-1990年為地面沉降加速期，隨深層地下水的開采量急劇增加，1990年沉降區(qū)面積360 km2，中心累計沉降量為872.8 mm；1990-1998年為地面沉降發(fā)展期，沉降速率有所減緩，1999年沉降范圍大于410 km2，中心最大累計沉降量1 347.4 mm。進(jìn)入2000年，由于限采一系列措施的實(shí)施，地面沉降放緩，2014年城區(qū)地面沉降面積987 km2，中心最大累計沉降量1 605.3 mm；到2020年城區(qū)地面沉降面積已大于1 000 km2。

2.2.2 地面沉降影響

(1)降低城市堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)。泉河、潁河穿城而過，城區(qū)段地面沉降使原有堤防的堤基和堤身隨之下降，導(dǎo)致防洪標(biāo)準(zhǔn)降低。雖然潁河治理工程中堤防按設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)加高加固并通過驗(yàn)收，但隨著地面沉降持續(xù)，仍將出現(xiàn)堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)降低問題。

(2)影響大型建筑物安全運(yùn)行。阜陽閘地處沉降中心附近，因地面沉降不均勻致使閘底板、閘墩出現(xiàn)開裂、錯位等，嚴(yán)重影響阜陽閘安全運(yùn)行，當(dāng)?shù)卣?996、2005年進(jìn)行除險加固。閘底板由原來的25.00 m加高到現(xiàn)在的25.76 m，減少了閘體的過水面積，降低了大閘的泄洪能力。

(3)破壞和降低市政排水系統(tǒng)的排泄能力。由于地面漏斗型的沉降，原來市政修建的城市排水系統(tǒng)因地面沉降形成倒坡，致使管道淤積或堵塞，暴雨期間不少城市路段和居民小區(qū)，形成大面積積水，影響了城市交通，給人民生活造成不便。

(4)水位資料失真。阜陽閘水文站水準(zhǔn)點(diǎn)逐年下沉，造成上下游水位逐年偏離真實(shí)高程，水位資料不能滿足一致性要求。給橋梁、碼頭、涵閘、航道治理等涉水工程規(guī)劃、設(shè)計帶來很大困難，也降低了水文資料為利用價值。設(shè)防水位、正常蓄水位、警戒水位、保證水位根據(jù)阜陽市地面沉降前的河道防洪能力、工程安全運(yùn)行條件等確定，是阜陽閘調(diào)度決策的主要依據(jù)之一。地面沉降導(dǎo)致的水位假性偏高不僅造成洪峰水位流量關(guān)系失真，而且給防洪工程調(diào)度決策帶來麻煩或誤導(dǎo)。

(5)降低了當(dāng)?shù)貥蛄和ê侥芰?。阜陽市城區(qū)在地面沉降期間，先后新建或重建橋公路、鐵路橋9座，橋墩隨地面沉降而下沉，使橋下凈空減小，導(dǎo)致水上交通能力降低。

3 地面沉降區(qū)水位觀測方法

阜陽閘站位于城區(qū)沉降漏斗附近，觀測計算水位依據(jù)的校核水準(zhǔn)點(diǎn)、基本水準(zhǔn)點(diǎn)和引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)均在沉降區(qū)內(nèi)，由于各水準(zhǔn)點(diǎn)據(jù)沉降漏斗中心的距離不同，其沉降量不同步，出現(xiàn)過水準(zhǔn)點(diǎn)下沉、上拔等現(xiàn)象，觀測的水位不是真實(shí)的水位。上世紀(jì)八十年代初期，人們對地面沉降現(xiàn)象缺乏認(rèn)識，當(dāng)出現(xiàn)引據(jù)點(diǎn)與基本點(diǎn)、基本點(diǎn)與校核點(diǎn)測量誤差超限時，認(rèn)為引據(jù)點(diǎn)或基本點(diǎn)發(fā)生了改變，其間阜陽閘站曾更換過三個引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)，更改過基面較差值，也對校核水準(zhǔn)點(diǎn)做過下沉和上拔處理等，但問題依然存在。

為避免閘上下游水位的頻繁假性改動帶來流量監(jiān)測的難度，從1995年起阜陽站水準(zhǔn)點(diǎn)高程凍結(jié)直到現(xiàn)在。每年汛前和汛后，用三等水準(zhǔn)測量從本站基本水準(zhǔn)點(diǎn)淮水文2057測到閘上下校核水準(zhǔn)點(diǎn)，作為以后水位改正的基本資料。

4 基本水準(zhǔn)點(diǎn)歷年沉降量分析

4.1 精密水準(zhǔn)測量成果調(diào)查

為確定基本水準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)際沉降量變化情況，到阜陽市勘測院、淮河河道管理局、阜陽市測繪院咨詢阜陽閘周圍精密水準(zhǔn)測量情況，并獲取淮水文2057精密水準(zhǔn)成果。

調(diào)查得到阜陽市勘測院的精密水準(zhǔn)測量成果5次，以反映阜陽城區(qū)和阜陽閘沉降變化為主要目的，用二等水準(zhǔn)按比差法逐段檢測阜陽閘上下游各相鄰二等水準(zhǔn)點(diǎn)的高差，直至兩點(diǎn)之間的檢測高差與原相鄰高差在允許范圍內(nèi)為止，其引測水準(zhǔn)線路為潁左線，淮水文2057在其復(fù)測線路上。

淮河河道管理局精密水準(zhǔn)測量成果有13次，主要目的是監(jiān)測阜陽閘各部位相對沉降量變化，按二等水準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)從附近二等水準(zhǔn)點(diǎn)引測至阜陽閘各監(jiān)測點(diǎn)及淮水文2057等水準(zhǔn)點(diǎn)。2003年、2008年水準(zhǔn)線路延長，將潁左線717(袁寨附近，國家二等水準(zhǔn)點(diǎn))作為引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)。

阜陽市測繪院精密水準(zhǔn)測量成果有16次，以確定阜陽城區(qū)沉降范圍及沉降量變化、滿足城市規(guī)劃與建設(shè)發(fā)展需要為目的，自1998年開始在阜陽市區(qū)系統(tǒng)布設(shè)沉降監(jiān)測點(diǎn)，以城市周邊的插花糧站、岳酒坊(潁左線718)、變電所(寧老莊)、桃花店國家二等水準(zhǔn)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)。監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)為四線一環(huán)，四線分別為儲運(yùn)站至岳酒坊、儲運(yùn)站至變電所、儲運(yùn)站至插花糧站、儲運(yùn)站經(jīng)桃花店至三塔鎮(zhèn)線，按二等水準(zhǔn)測量的技術(shù)方法進(jìn)行，測量成果均由省建設(shè)廳測繪院組織審查。

4.2 精密水準(zhǔn)測量成果合理性分析

根據(jù)調(diào)查資料分析， 1980年以前地面沉降量較小，淮水文2057累計沉降量83.7 mm(國家地震局Ⅰ等水準(zhǔn)測量成果)，1970- 1978年淮河河道管理局有4次水準(zhǔn)成果，測量成果受地面沉降影響較小，相關(guān)成果可以直接采用。

1980年以后阜陽閘及周邊地面沉降速度加快，1982-1985年間淮河河道管理局有5次水準(zhǔn)成果，均從附近潁左線720、719、721引測，由于引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)處在沉降區(qū)范圍之內(nèi)，其采用高程可能與實(shí)際高程不符，由此計算阜陽淮水文2057高程變化不能準(zhǔn)確反映實(shí)際沉降量，且與國家地震局、河北省測繪局測量成果矛盾，作為參考資料，未予直接采用。

阜陽市測繪院四個引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)之一的岳酒坊(潁左線718)在沉降區(qū)內(nèi)，可能對測量成果有影響；從系列資料連續(xù)性考慮，阜陽市測繪院2000-2009年，2012、2014和2020年有測量成果，系列較長，采用測量成果。2011年淮河河道管理局測量成果與阜陽測繪院成果前后相比，趨勢合理采用。2018年阜陽市水利局委托市水利勘測院進(jìn)行大范圍地面沉降測量，采用其成果。

4.3 淮水文2057考證高程與實(shí)際高程對比分析

淮水文2057水準(zhǔn)點(diǎn)的水文考證系列包含了局部相對沉降的影響，數(shù)值調(diào)整幅度較小，累計改正值為0.389 m；調(diào)查得到的實(shí)際高程系列更接近真值。從圖2看，1975年以后淮水文2057考證高程與實(shí)際高程的差值逐年擴(kuò)大，整體呈現(xiàn)為先緩再急又緩的過程，至2020年二者相差達(dá)1.431 m。

5 水位改正方法

5.1 基本水準(zhǔn)點(diǎn)使用和變化情況

1965年以來，阜陽閘水文站用來引測校核水準(zhǔn)點(diǎn)高程的水準(zhǔn)點(diǎn)有淮水文2057、船左下B.M、新B.M東，三個水準(zhǔn)點(diǎn)高程均存在兩個系列，一個是水文站從附近引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)引測或借用的水準(zhǔn)高程系列(也稱水文考證系列)，另一個是從外圍(非沉降區(qū))引測的高程系列(也稱實(shí)際高程系列)。因調(diào)查資料不足，新B.M東沒有實(shí)際高程系列。

圖2 淮水文2057考證高程與精密高程對比

船左下B.M于1957年1月由治淮委員會設(shè)立并測定高程，1970年3月省淮河修防局在進(jìn)行潁河沿線精密測量時，船左下B.M累計沉降量為21.3 mm并予以改正,其后不同時期，省淮河修防局、阜陽市測繪院等單位從沉降區(qū)外圍引測，船左下B.M自1986年作為本站引據(jù)點(diǎn)兼基本水準(zhǔn)點(diǎn)。至2005年10月，累計沉降量為1 428.2 mm，2005年以后沒有精密水準(zhǔn)測量成果，2009年2月因船閘施工被毀壞。

淮水文2057于1965年設(shè)立，與閘上下游水尺斷面校核水準(zhǔn)點(diǎn)形成三角形分布。1975年、1978年、1981年自引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)測至淮水文2057，出現(xiàn)連續(xù)下沉，當(dāng)時沒有認(rèn)識到地面下沉所致，而是懷疑淮水文2057的基礎(chǔ)穩(wěn)定性，于1981年改將引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)新B.M東作為測站的基本水準(zhǔn)點(diǎn)；此后，新B.M東出現(xiàn)同樣原因，改用船左下B.M作為測站的引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)兼基本水準(zhǔn)點(diǎn)。

T.B.M4從1995年凍結(jié)，為本站的基本兼校核水準(zhǔn)點(diǎn)，2008年底因工程施工被破壞，考慮資料連續(xù)性，用T.B.M4的凍結(jié)高程推求船左下BM的高程(用2008年汛前測量的T.B.M4與船左下BM的關(guān)系)，再由推求的船左下BM高程推求淮水文2057高程，命名為淮水文2057-1，2009-2012年高程凍結(jié)在淮水文2057-1。2013年起至今高程凍結(jié)在閘下留點(diǎn)。

5.2 水位改正方法

(1)根據(jù)調(diào)查的實(shí)際高程系列，采用過程線法，插補(bǔ)出與校核水準(zhǔn)點(diǎn)測量時間相同的淮水文2057實(shí)際高程；

(2)根據(jù)淮水文2057與校核水準(zhǔn)點(diǎn)之間實(shí)測高差，推求校核水準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)際高程，以及該校核水準(zhǔn)點(diǎn)的高程改正值；

因閘上(下)水尺與閘上(下)校核水準(zhǔn)點(diǎn)同在垂直于水流方向的斷面上，距離較近，可認(rèn)為水尺零點(diǎn)高程與校核水準(zhǔn)點(diǎn)高程同步變化，故校核水準(zhǔn)點(diǎn)考證高程與實(shí)際高程的差值即為對應(yīng)水尺斷面的水位改正值。

以淮水文2057實(shí)際高程推求上下游校核水準(zhǔn)點(diǎn)的差值，即：

Hi校實(shí)=Hi淮實(shí)±Hi淮-校

(1)

Hi改正=Hi觀測±Hi淮-校

(2)

式中：Hi淮為校為淮水文2057與校核水準(zhǔn)點(diǎn)高程的實(shí)測高差(單位：m)；Hi淮實(shí)為淮水文2057實(shí)際高程(單位：m)；Hi校實(shí)為校核水準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)際高程(單位:m)；Hi改正為改正后水位值(單位:m)；

5.3 水位改正成果

本次分析，水位改正值的年份為1975-2020年，每年給出水位改正值，水文年鑒刊印的水位為凍結(jié)水準(zhǔn)點(diǎn)高程的水位，用本次分析改正值改正后的水位為真實(shí)水位值。水位改正值的變化圖見圖3，1975-1985年改正值變率較小，1986-2000年改正值變率大，2001年后改正值變化平緩，水位改正值年變化趨勢與地面沉降的趨勢基本一致。

圖3 水位改正值逐年變化趨勢圖

6 合理性檢查分析

阜陽閘潁河上游55.4 km處有耿樓閘、泉河上游78 km有楊橋閘，用三站水位做合理性對比分析，各站凍結(jié)基面均換算為85基準(zhǔn)基面比較。選非汛期水位平穩(wěn)時的2020年1月1日到5月1日水位做對比分析見圖4，可看出阜陽閘(閘上)水位(改正前紅色)均比上游的楊橋閘(閘下)和更樓閘(閘下)水位偏高一米多，這和水往下游流明顯的不合理。用上面方法分析訂正數(shù)值進(jìn)行訂正后阜陽閘(閘上)水位(改正后藍(lán)色)在上游楊橋閘(閘下)和耿樓閘(閘下)水位線的下面，這樣符合自然的水流規(guī)律，說明改正后水位比較合理。

圖4 水位改正前后阜陽閘(閘上)與楊橋閘(閘下)、耿樓閘(閘下)水位對比圖

7 結(jié)語

目前，我省淮河以北的淮南、淮北、亳州、宿州和阜陽市都存在地面沉降現(xiàn)象，各市地面沉降的范圍越來越大，帶來的負(fù)面影響越來越多，對地面沉降區(qū)的水位分析改正已是水文監(jiān)測面臨的一項(xiàng)任務(wù),阜陽市地面沉降區(qū)水位改正為其他地區(qū)開展這項(xiàng)工作起到先行示范作用。阜陽市地面沉降區(qū)水位改正分析的經(jīng)驗(yàn)和啟示：沉降區(qū)域內(nèi)的水文監(jiān)測站要加強(qiáng)水準(zhǔn)點(diǎn)的保護(hù)和設(shè)置，保護(hù)好歷史上使用過的各等級的水準(zhǔn)點(diǎn)，因重要工程建設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)遭到損壞的，要及時增設(shè)并引測高程，每年汛前和汛后對站內(nèi)的基本水準(zhǔn)點(diǎn)和校核水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行閉合環(huán)校測，建立水準(zhǔn)測量檔案。及時和當(dāng)?shù)卣皽y繪部門聯(lián)系，將本站水準(zhǔn)點(diǎn)納入當(dāng)?shù)氐孛娉两当O(jiān)測聯(lián)測網(wǎng)中，利于以后的水位分析改正。