泗河書院橡膠壩對書院水文站的影響及對策探討

紀杰善　牛　淼　趙曉旭　時延慶

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泗河書院橡膠壩對書院水文站的影響及對策探討

紀杰善牛淼趙曉旭時延慶

一、泗河簡介

1.河流概況

泗河是南四湖湖東地區一條大型山洪河道，全長159km，干流長度89.5km，流域面積2366km2。泗河共有大小支流32條，流域面積在100km2以上的一級支流5條。泗河干流現有黃陰集閘、泗河大閘、紅旗閘等9處閘壩。

2.流域水文氣象特征

泗河流域屬暖溫帶半濕潤季風氣候區，流域多年平均年降雨量700mm左右，年內分配不均勻，其中6～9月降雨量占全年降雨量的70%以上。該流域以低渦切變及臺風雨影響為主，暴雨大而且集中，洪水峰高量大，洪水過程線呈尖瘦型。洪水多發生在7、8月份。泗河書院站實測最大洪峰流量4020m3/s。

二、書院水文站

書院水文站是泗河干流唯一控制站，是國家重點水文站。該站至入湖口距離約62km，設立于1955年7月，該站集水面積1542km2。

該站測驗河段較順直，兩岸有部分石護坡，河面寬約240m，河槽內無水生植物，河床為沙質，受洪水沖淤變化不明顯。

該站測驗項目有降水量、蒸發量、冰情、水位、流量、泥沙、普通測量等。

三、書院橡膠壩

橡膠壩屬薄壁柔性結構，是隨著高分子合成材料的發展而出現的一種新型水工建筑物。因其節約三材、造價較低、施工簡易、運行方便等優點，近年來許多城市周邊河道建設了大量橡膠壩并投入運行。

2012年6月，作為引水入城工程的一部分，泗河書院水文站基本水尺斷面（測流斷面）下游約650m建成書院橡膠壩。該壩壩長150m，壩高4m，死水位62.74m，正常蓄水位66.24m，相應庫容157.4萬m3，其中死庫容2.3萬m3。該壩平時上下游水位差約3～4m，回水長度約5km。

圖1　書院站逐月平均水位過程線及月降水量柱狀圖

圖2　書院站2003～2014年水位～流量關系散點圖

四、橡膠壩建設前后水文站水文情勢變化

1.水位過程的變化

經點繪書院站2003～2014年逐月平均水位過程線及月降水量柱狀圖（圖1），可以看出自2012年下半年該站水位整體抬升，之前水位在64m左右，2012年下半年以后水位在67m左右，水位整體升高了約3m。年內水位變幅由之前的1m左右，變為3m左右。

2.水位～流量關系的變化

經點繪書院站2003～2014年水位～流量關系散點圖（圖2），可以看出建壩前后水位流量關系發生了明顯變化，點據分離，建壩后點據明顯集中于圖的左上部。2013年、2014年泗河流域降水較少，書院站未發生明顯的洪水過程，但因橡膠壩的攔蓄，水位明顯升高，流量卻很小。

五、橡膠壩對水文工作的影響

一是水位資料的代表性變差。書院橡膠壩建設后，其回水長度達5km，書院水文站距橡膠壩僅650m左右。在枯水期，書院站水位本應較低，但受書院橡膠壩的攔蓄影響，水位被抬升，又受橡膠壩放水和漏水的影響，水位驟降或波動。水位的這些變化已經不能代表河道水位的天然變化過程，水位資料的代表性變差。

二是低水流量測驗較為困難。建壩前，該站測流斷面河底基本是裸露的，一般有一至兩股水流，水面較窄，水深較淺，通過涉水測流或纜道測流即可完成流量測次。建壩后，整個斷面被淹沒，斷面水深2～3m，水面寬達200m左右，1m3/s來水流量所對應的斷面平均流速僅為0.002m/s，遠低于普通轉子式流速儀的測速下限。因此在橡膠壩充水情況下，在原測流斷面進行小流量測驗是很困難的。

三是難以建立穩定的水位流量關系。書院站原水位流量關系較好，基本呈單一線。橡膠壩建設后，因壩上水位被人為抬高，無流量或小流量時水位也可能較高，因此難以建立穩定的水位流量關系，尤其是低水水位流量關系更難建立。

四是原有的洪水預報方案適應性受到影響。書院橡膠壩建設后，改變了原來的產匯流規律，改變了原有的水位～流量關系，原有的洪水預報方案已不能適應現狀條件。

橡膠壩建設后，改變了原來的產匯流規律，改變了天然徑流的的年內、年際分配規律，對書院水文站的水文測驗、水文資料整編和洪水預報造成了明顯影響。

六、對策探討

1.測驗斷面遷移

低水時，在書院橡膠壩下游或不受回水影響的上游適宜河段設立臨時測流斷面，建立臨時斷面的低水水位～流量關系，滿足低水流量測驗和資料整編的需要。

2.利用水力學公式法推求橡膠壩下泄流量

可將橡膠壩視為寬頂堰，根據水力學堰流公式：Q=mBH（2gH）1/2

式中：m—流量系數，B—溢流寬度，H—壩上水頭。

由經過一段時間率定得到的m等參數，推求橡膠壩下泄流量。應在書院橡膠壩壩上設立自動觀測設備，已解決壩上水頭的觀測問題。

3.徑流還原

將橡膠壩攔蓄水體視為小型水庫，在壩上、壩下安裝水位自動觀測設備，由壩上水位的變化過程及已知的水位～庫容關系，計算蓄水變量，再加上橡膠壩下泄流量，反推“入庫”流量過程。

4.修訂洪水預報方案

書院站的產匯流規律發生明顯改變，原有的洪水預報方案已不能適應現狀條件，因此應收集分析建壩后系列暴雨洪水資料，重新修訂洪水預報方案■

（作者單位：山東省濟寧市水文局272000）