興化片各站往年水位訂正淺析

趙邦棟孟令鵬黃勇邱福瓊

興化片各站往年水位訂正淺析

趙邦棟1孟令鵬1黃勇1邱福瓊2

基本水準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)立是水文測站水位觀測工作得以開展的前提，基本點(diǎn)凍結(jié)高程正確與否直接影響到水位觀測及整編成果，如果某測站基本點(diǎn)凍結(jié)高程用錯(cuò)將會(huì)導(dǎo)致該站相關(guān)整體水位資料的系統(tǒng)錯(cuò)誤。因此在已經(jīng)明確基本點(diǎn)凍結(jié)高程用錯(cuò)的情況下必須對其影響范圍進(jìn)行圈定，并根據(jù)基本點(diǎn)高程變化情況對相關(guān)水位數(shù)據(jù)作出必要的訂正。

一、問題由來與訂正思路

目前已基本查明，包括興化市在內(nèi)的里下河地區(qū)較大范圍內(nèi)因地下水開發(fā)利用存在地面下沉現(xiàn)象，且由于地面下沉的不均勻性，很多站點(diǎn)上、下游關(guān)系錯(cuò)亂，防汛抗旱工作中使用的基本水位數(shù)據(jù)失真且矛盾突出，不利于決策機(jī)構(gòu)的調(diào)度、指揮。

通過2016年水準(zhǔn)復(fù)測，地面下沉現(xiàn)象已完全得以證實(shí)。此次水準(zhǔn)復(fù)測引用了最新國家水準(zhǔn)點(diǎn)85基準(zhǔn)基面高程數(shù)據(jù)，所用測量儀器是較為先進(jìn)的電子水準(zhǔn)儀，成果可靠。復(fù)測成果表明興化片各水位站基本水準(zhǔn)點(diǎn)確實(shí)都隨地面存在不同程度的下沉，以往所用的基本點(diǎn)的凍結(jié)高程自產(chǎn)生地面下沉以來已逐步偏離真實(shí)值。現(xiàn)在依據(jù)最新水準(zhǔn)復(fù)測成果，經(jīng)過測站考證，已經(jīng)確認(rèn)各站基本點(diǎn)凍結(jié)高程發(fā)生了變化，并已對其做了相應(yīng)改正。

經(jīng)過查證，興化片各水位站以前采用的廢黃河口基面及56黃海基面所系的國家高程系統(tǒng)長期未得到更新，后來新采用85基準(zhǔn)基面又缺少足夠的考證技術(shù)支撐，反倒使得新、舊高程數(shù)據(jù)相互矛盾，造成了考證混亂，基本水準(zhǔn)點(diǎn)的高程變化難以通過及時(shí)的水準(zhǔn)復(fù)測進(jìn)行控制。

由于不同時(shí)期、不同地點(diǎn)地下水開發(fā)利用程度不同，加上地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在差異，這就導(dǎo)致各站點(diǎn)在不同時(shí)期地面沉降量不盡相同。因此在討論、探索基本水準(zhǔn)點(diǎn)高程或水位訂正方案時(shí)，不僅要充分考慮到各站點(diǎn)的差異，而且在同一站點(diǎn)還要根據(jù)基本點(diǎn)高程具體變化過程劃分時(shí)間段，并且按照其變化特征分別進(jìn)行水位訂正。

具體到興化片各測站，有條件對水位訂正方案進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚恚渲饕鶕?jù)有：一是該地區(qū)地下水開發(fā)利用興起與管控時(shí)間基本一致，受其影響，地面下沉發(fā)生、發(fā)展過程也應(yīng)基本一致；二是興化市全境地質(zhì)結(jié)構(gòu)差異不算太明顯，地面下沉量均不大，一般都在10～20cm左右。基于以上兩點(diǎn)，再考慮到測量與觀測誤差的現(xiàn)實(shí)存在，過細(xì)的劃分意義不大，因此興化片共7個(gè)測站可統(tǒng)一考慮訂正時(shí)間段的劃分。

二、訂正時(shí)間段劃分

興化市地下水開發(fā)利用主要興起于20世紀(jì)80年代后半期，整個(gè)90年代開發(fā)利用程度相對較高。但之后本地水資源管理部門依法加大了管理力度，地下水開采規(guī)模逐步得到有效控制，到21世紀(jì)初，新增深層地下水井已寥寥無幾，地面下沉已趨于平穩(wěn)。

自地面沉降發(fā)生以來，各站基本水準(zhǔn)點(diǎn)高程一直沒有訂正過，上述過程可通過分析相關(guān)臨近站點(diǎn)間的逐年水位差的異常變化進(jìn)行仔細(xì)辨別、確認(rèn)，但因年份長、數(shù)據(jù)量大且標(biāo)準(zhǔn)不易控制，以致實(shí)際操作起來有很大難度。

不過從現(xiàn)有本地區(qū)和臨近地區(qū)部分水準(zhǔn)點(diǎn)前、后期高程資料來分析，可基本認(rèn)定：從20世紀(jì)80年代后半期或90年代前半期至本世紀(jì)初約十幾年的這段時(shí)期以外，該地區(qū)地面下沉現(xiàn)象極不明顯。具體分析計(jì)算詳見表1和表2。

表1中，前期56黃海高程是20世紀(jì)60年代測繪部門公布的高程數(shù)據(jù)，前期85基準(zhǔn)高程為通過絕對基面關(guān)系換算后的數(shù)據(jù)，后期85基準(zhǔn)高程則是在1987年國家公布使用85基準(zhǔn)基面這一新高程系統(tǒng)后約1990年左右公布的高程數(shù)據(jù)。

在表1中列舉的各個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)下沉量最大的為0.019m，最小的為負(fù)值，說明沒有下沉跡象；平均下沉量為0.001m，總體來看，高程幾乎沒有變動(dòng)。結(jié)合各水準(zhǔn)點(diǎn)高程前后公布時(shí)間，表1計(jì)算結(jié)果表明大約1990年以前約30年時(shí)間水準(zhǔn)點(diǎn)高程均未明顯發(fā)生變化，說明地面未發(fā)生沉降。在這30年左右的時(shí)期內(nèi)，部分測站還沒有設(shè)立，而之前地下水開發(fā)利用非常有限，所以不必考慮水位訂正問題。

表1 地下水開采前地面下沉量估算表

表2 地下水開采后地面下沉量估算表

表2中水準(zhǔn)點(diǎn)高程變化是在近10年發(fā)生的，可見其變化量比測量誤差還要小，完全可以忽略，可以認(rèn)為近10年地面也沒有明顯沉降。

根據(jù)表1和表2計(jì)算結(jié)果可推定：地面沉降現(xiàn)象主要是發(fā)生在地下水開發(fā)利用比較普遍的持續(xù)約十五六年的那段時(shí)期。

為便于訂正，將“20世紀(jì)80年代后半期或90年代前半期”明確為1991年，“21世紀(jì)初”明確為2005年。這樣，興化片各站需要考慮水位訂正的時(shí)間就可以大致分為以下三個(gè)階段：

第一階段，1991年前，特征是地面沒有沉降；

第二階段，1991～2005年，特征是地面發(fā)生沉降并逐年累積；

第三階段，2006年迄今，特征是地面沉降停止。

三、逐年水位訂正量計(jì)算

某個(gè)年份的水位訂正量是根據(jù)測站基本水準(zhǔn)點(diǎn)在該年份內(nèi)的高程變化量（即下沉量）均值加前各時(shí)段累積的高程變化量來確定。顯然，計(jì)算水位訂正量離不開基本水準(zhǔn)點(diǎn)的下沉量。但從興化片實(shí)際情況來看，有的測站基本水準(zhǔn)點(diǎn)不止1個(gè)，而且同一個(gè)測站的基本水準(zhǔn)點(diǎn)的下沉量不完全一致，采用不同的基本水準(zhǔn)點(diǎn)下沉量計(jì)算出的訂正量是有區(qū)別的，因此在甄別、挑選用于計(jì)算水位訂正量的基本水準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)要有明確的原則。

各站選用基本水準(zhǔn)點(diǎn)的下沉量已經(jīng)在測站考證時(shí)通過前后高程變化計(jì)算確定，因此可分階段根據(jù)地面下沉變化特征擬定逐年水位訂正方法：

第一階段，1991年前，地面沒有沉降，水位毋須訂正；第二階段，1991～2005年共15年，地面發(fā)生沉降并逐年累積，但因缺少過細(xì)的區(qū)分依據(jù)，故按線性比例逐年分配基本水準(zhǔn)點(diǎn)下沉量，第一年即1991年水位訂正量為基本水準(zhǔn)點(diǎn)下沉量1/15的一半，這里的“一半”即為體現(xiàn)年均水平，以后再逐年增加下沉量的1/15直至2005年作為對應(yīng)年份的水位訂正量；第三階段，2006年迄今，地面沉降已經(jīng)停止，每年的水位訂正量均為基本水準(zhǔn)點(diǎn)下沉量。興化片各站自1991年起發(fā)生地面沉降以來根據(jù)基本水準(zhǔn)點(diǎn)下沉量確定的逐年水位訂正量詳列于表3中。因訂正量計(jì)算依據(jù)的是下沉量，故表3中訂正量數(shù)據(jù)均為負(fù)值。

表3 興化片各水位站逐年水位訂正量明細(xì)表單位：m

在使用歷史資料時(shí)一般較少用到瞬時(shí)水位，但在進(jìn)行特定的水文分析時(shí)會(huì)常有接觸，如果遇到年接頭的水位，那么這時(shí)的訂正量應(yīng)取其前、后兩年的訂正量的平均值，同時(shí)還要視分析時(shí)段大小對前、后兩年的訂正量作緩變處理，以適應(yīng)分析的需要。

當(dāng)然，以上訂正方法或訂正值大小都是個(gè)人在有限的資料條件下形成的，特別是在訂正時(shí)間段的劃分上還缺少足夠的資料作為佐證，如果資料條件充裕，訂正時(shí)間段的劃分以及訂正方案完全可以再進(jìn)一步精準(zhǔn)化。

四、現(xiàn)時(shí)水位訂正前后上下游關(guān)系比較

興化市所在的里下河地區(qū)河網(wǎng)密布，受地形制約，水系原為自西向東走向，但自20世紀(jì)60年代末以來，隨著一系列水利工程的建設(shè)，水系已逐漸改變?yōu)樽阅舷虮弊呦颍跃硟?nèi)河道西、南為上游，東、北為下游。在沒有局部較大降水及沒有啟用引江工程排水功能的情況下，河道水流一般應(yīng)呈順流狀態(tài)，上下游關(guān)系理應(yīng)呈現(xiàn)為上游水位高、下游水位低。可現(xiàn)實(shí)情況并非如此，如南官河上老閣站位于興化站上游，還有蚌蜒河上老閣站位于沈站上游，車路河上興化站位于唐子站上游等，平時(shí)的水位數(shù)據(jù)常常是下游站的高于上游站，屬于明顯錯(cuò)亂，給防汛抗旱工作帶來很多不便。

經(jīng)過這次水位訂正，興化片各水位站的上下游關(guān)系已經(jīng)基本理順。如用各站現(xiàn)時(shí)（2015年5月18日20:00）水位作訂正，比較訂正前后的上下游關(guān)系，訂正前的上下游水位錯(cuò)亂現(xiàn)象在訂正后已全部消失。訂正前后水位數(shù)據(jù)比較如表4所示。

五、建議和結(jié)語

1.訂正前應(yīng)盡可能全面收集需要進(jìn)行水位訂正站點(diǎn)附近的有關(guān)國家水準(zhǔn)點(diǎn)高程數(shù)據(jù)，分析國家水準(zhǔn)點(diǎn)高程變化過程與變化特征，進(jìn)而更加細(xì)致地確定附近地面及測站基本水準(zhǔn)點(diǎn)高程的變化情況，促進(jìn)水位訂正時(shí)間段的精確劃分，改善訂正量的計(jì)算方法。

表4 現(xiàn)時(shí)水位訂正前后比較表

2.對需要訂正的測站之間水位差變化過程展開必要的分析，尋找異常變化折點(diǎn)，為水位訂正時(shí)間段的劃分提供旁證或修改依據(jù)。

3.了解地下水開發(fā)利用歷史與現(xiàn)狀，結(jié)合地下水開發(fā)利用的過程與規(guī)模分析其對地面下沉的影響程度和規(guī)律，也以此來印證訂正時(shí)間段的劃分是否合理。

4.水位訂正是通過事后資料的分析確定，包括基本水準(zhǔn)點(diǎn)高程變化量在內(nèi)的所用資料之優(yōu)劣及范圍將會(huì)影響訂正量的計(jì)算成果，在沒有掌握足夠的可靠資料的情況下難以保證訂正工作一錘定音。所以水位訂正應(yīng)該在充分收集相關(guān)資料的情況下才能開展工作，不可倉促行事，免得訂正之后再訂正。

5.應(yīng)重視水位訂正工作，要將水位訂正與資料整編和資料審查同等看待，應(yīng)由負(fù)責(zé)水文資料初審工作的單位來專門組織專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行水位訂正，有條件的還應(yīng)對其訂正成果進(jìn)行校核或復(fù)審

（作者單位：1.江蘇省水文水資源勘測局泰州分局2253002.江蘇省水文水資源勘測局宿遷分局223800）

（專欄編輯：張婷）