淮干整治對國家基本水文站監測影響及措施

柏正林，錢莜暄

（1.安徽省滁州水文水資源局，安徽 滁州 239000；2.安徽省·水利部淮委水利科學研究院，安徽 蚌埠 233000）

1 工程建設基本情況

1.1 工程建設概況

淮河干流航道是安徽省北部主要水運通道，現狀部分航段標準低，通航能力不足，制約了社會經濟發展。航道整治建設工程起于淮河干流三河尖，止于蚌埠閘，長221.6km。 治理工程分為3段，其中，三河尖～臨淮崗 （K0+000～K62+200）、 臨淮崗～正陽關（K62+200～K92+200），現航道等級為Ⅴ級，分別按照Ⅲ級、Ⅱ級航道標準建設，正陽關至蚌埠閘段（K92+200～K221+600），由現狀Ⅲ級航道建設為Ⅱ級航道。工程設計Ⅲ級航道水深3.2m，底寬單線30m，雙線為60m；Ⅱ級航道水深4.0m，底寬單線45m，雙線90m。此外，還配套建設服務區2處，錨地7處。

1.2 測站所在河段建設工程情況

魯臺子水文站監測斷面位于整治航道K105+426，于正陽關至蚌埠閘段，按照Ⅱ級航道標準建設。航道整治工程措施為切灘、 疏浚和錨地建設等 （圖1）。切灘、河底疏浚工程措施于魯臺子站監測斷面上游2.1～2.9km河段范圍，兩岸切灘邊坡為1∶5，左、右岸切灘長度分別為419，516m。 現狀左岸灘地高程12.00～12.70m，右岸灘地高程12.4～13.50m，分別切灘至河底高程12.34m； 現狀槽底高程9.3m， 疏浚整治后，底寬度90m，底高程12.34m。

圖1 魯臺子水文站所在河段航道治理工程示意圖

錨地工程建于斷面上游約3.5km處，臨航道左岸灘地建設。現灘地高程12.1～13.50m，按照邊坡1∶3，開挖至底高程12.34m。 錨地建設后，河段斷面面積增加22.3m2。

工程施工采用200～400m3/h絞吸式挖泥船和抓斗式挖泥船。水上土方開挖采用反鏟挖掘機；水下開挖采用抓斗式挖泥船。

2 水文監測站基本情況

2.1 測站概況

魯臺子水文站設立于1920年6月，建于淮河干流中游，屬于國家重要水文站、中央報汛站、一類精度站，擔負防汛抗旱、水污染防治及為閘壩運行管理服務等重要任務。 淮河發源于河南、 湖北交界的桐柏山，向東流經安徽、江蘇入洪澤湖，出湖后分入長江和黃海，流域面積27萬km2，全長1000km。流域多年平均降水量875mm，降水量時空分布不均，產生暴雨的天氣系統主要是切變和低渦，降雨歷時長，降雨范圍廣。 洪水由暴雨產生，洪峰持續時間長，洪水量大。

測站位于安徽省鳳臺縣魯臺子村， 集水面積88630km2，距淮河入河口294km，測驗河段順直，水位22.00m以上漫灘，左岸灘地寬約80m，右岸灘地寬約550m，河道寬約1030m。 河床為沙壤土質，稍有沖淤變化。 斷面上游12km處左岸有潁河匯入，18km處右岸有淠河匯入。

水文監測項目有水位、流量、含沙量、降水量、蒸發量、地下水位、地下水水溫、水質、墑情等，受到工程建設影響的水文監測項目有水位、流量、泥沙、水質等。實測歷年最大降水量1458.5mm（2003年），最高水位24.69m（2003年7月），最低水位14.68m（1953年6月），最大流量12700m3/s（1954年）。

2.2 現狀水文監測方案

2.2.1 水位監測

（1）該站水位監測使用浮子式WFH-2型全程機械編碼遙測水位計，按照GB/T50138—2010《水位觀測標準》要求觀測，以能測得完整的水位變化過程，滿足日平均水位計算、推求流量、各項特征值統計、水文資料整編和水情拍報要求為原則［1］。 水位監測以遙測為主，采用人工觀測校核。

（2）遙測水位計系統運行正常時，每日8：00，20：00各校核1次， 水位變化較大時適當增加校測次數，出現故障時，采用人工觀測。

（3）人工觀測根據水位變化情況進行，水位平穩或變化緩慢時，每日8：00，20：00觀測；水位變化較大時（日變幅小于0.50m），按4段制觀測；洪水期或水位變化急劇時，每日按照8段制觀測，峰頂、峰谷、水位過程轉折處應布置測次。

2.2.2 流量測驗

流量測驗按照水文測驗規范要求進行， 以滿足定線、準確推求逐日流量和各項特征值為原則。該站常規流量測驗以流速儀為主，ADCP施測為輔。 測驗垂線采用河段設立輻射桿定位。 洪水期每次較大洪水過程，一般測流不少于5次，其中，漲水、落水段各測2次以上，峰頂附近測流1次。 平水期每2～3d測流1次，根據水位變化適時加測，滿足連實測流量過程線法推流整編要求［2］。

大洪水時，使用ADCP測流，測流前對ADCP進行自檢，并記錄自檢結果。流量相對穩定時，進行2個測回流量施測，取均值作為實測流量值；特殊水情宜完成1個測回流量施測，每半測回流量值與平均值的偏差不得大于5%，超出范圍進行重測或改用流速儀法測流。

2.2.3 懸移質泥沙測驗

按照GB50159—92 《河流懸移質泥沙測驗規范》，單樣含沙量測驗，根據河段含沙量特性布置測次， 控制含沙量變化過程， 滿足推算逐日平均含沙量、輸沙率及特征值要求［2］。 單沙采用固定取樣垂線位置測取，采用過濾法處理；輸沙率測驗根據流量、沙量變化情況布置測次， 滿足單斷沙關系曲線定線和驗算要求，現狀每年施測輸沙率10次以上。

2.2.4 水質監測

水質監測嚴格按照SL219—1998《水環境監測規范》的有關要求執行。 每周三采集水樣1次， 分淮河斷面左、 中、 右三垂線于水面以下0.5m處或半深處（當水深小于1m時）采集水樣。 每份水樣體積不少于2000mL， 有現場固定要求或增加臨時項目時， 按有關規定執行。 水質分析項目有氨氮、高錳酸鉀指數、pH、溶解氧、色度等。 按照測站任務書要求密切監視河段水質變化情況，發生水質污染事故，及時向上級及有關部門報告。

3 工程建設對水文監測的影響分析

3.1 對水流特性影響分析

航道整治工程建設后， 測驗河段水流特性發生變化。 本文采用荷蘭德爾夫特水力研究院（DELFT HYDRAULICS）開發的DELFT3DFLOW模型軟件，計算工程建設前后水位、流速及流場的變化。計算區域自王家壩至蚌埠閘，計算節點采用王家壩、潤河集、臨淮崗閘、正陽關、鳳臺、渦河口、蚌埠閘上等，以高水（2003年）、平水（1973年）和低水（1994年）為計算水文條件。 根據模擬需要，用上游王家壩入流、下游蚌埠閘出流作為邊界條件，以史河、淠河、沙潁河、渦河支流作為旁側入匯條件， 主要率定參數為河道糙率。 限于篇幅，模型建立、模型率定與驗證過程略。

3.1.1 水位

模型計算結果表明，航道整治后水位降低，工程前后高、 中低水年份， 水位分別降低0.011，0.012，0.011m，如表1。

表1 魯臺子站不同水文條件工程前后水位變化情況

3.1.2 流速及流場

測流斷面流速分布發生變化如表2， 表3。 高水年， 平均流速增加0.010046m/s， 最大流速增加0.010199m/s；平水年，平均流速增加0.01016m/s，最大流速增加0.010794m/s； 低水年， 平均流速增加0.010314m/s；最大流速增加0.01005m/s。

表2 不同水文條件魯臺子站斷面平均流速變化

表3 不同水文條件魯臺子水文站斷面最大流速變化

此外，根據流場變化圖分析（圖略），由于航道斷面的變化，局部流速分布變化明顯，斷面流場發生變化。

3.2 對水文監測影響分析

3.2.1 對水位流量監測影響

由于工程建設改變水流特性， 使斷面流速大小及分布發生變化，原定的斷面測速（深）垂線需要重新布設， 原布設的測驗垂線定位輻射桿需要拆除新建。 同時，水流關系特性的改變，使現有流量測驗方案不能滿足要求［3］。

河段為沙壤土質，工程施工中水流泥沙含量增加，造成水位井進水口淤積，影響自記水位計正常運行，使自記水位數據“失真”。 此外，河道疏浚、切灘擾動水流，對水位井進水口結構安全也造成一定的影響。

3.2.2 對懸移質泥沙測驗影響

魯臺子站按照一類精度要求進行泥沙測驗，輸沙率整編采用單斷沙關系法，單、斷沙關系線的比例系數為1.00，相關關系良好。 工程建設改變了水流特性，并使河道含沙量及其分布發生變化，既有單斷沙關系線也發生變化，需要調整垂線布置、測沙測次等測驗方案，并重新分析率定單斷沙關系線。

3.2.3 對水質監測影響

工程建設進行的河道開挖、 水下圍堰等施工主要引起河道含沙量變化，不會引起水體化學變化。水下建筑物施工安排在枯水期進行， 施工中采用相應環境保護措施，施工結束后，及時清理臨時建筑物和河道行洪障礙物等， 工程建設及運行不會對河段水質造成較大影響。工程施工中使用大型機械，可能會造成局部河段油污污染，造成水質變化。

4 水文監測影響補救措施

4.1 水位觀測補救措施

調整斷面測流垂線布設， 拆除原測流定位輻射桿，按照新布設垂線重新建設［5］。

汛前、汛后對水位井進水口清淤，每日檢查進水口情況，發現淤積隨時清淤。密切關注水位計運行情況，水位記錄及時與人工觀測值比較，確保數據準確可靠。 航道建設期間，對水位監測方案進行調整，在現監測方案基礎上，增加人工監測水位頻次，由原來的人工每日8：00觀測1次， 增加到每日8：00，14：00，20：00 3次觀讀水位，在峰頂、峰谷、水位過程轉折處布置測次，水位變化急劇時，再加密觀測次數。 對井水口采取加固工程措施，保證水位井結構安全。

4.2 流量測驗影響補救措施

工程建設影響措施分為工程建設期間、 工程建設后。工程建設期間，采用在原測驗方案基礎上增加流量測次的補救措施［5］。 汛期根據洪水過程，按照漲水3～4個測次，落水3～5個測次布置測次，每場洪水加測至7～9測次，滿足連時序法推流要求。 非汛期適當增加測次，控制流量變化轉折點，滿足連實測流量過程線法推流要求； 工程建設完成后， 除增加流量測次，滿足資料整編要求外，采取兩套測流方案，即采用常測法測流的同時，采用流速儀精測法進行比測，積累足夠流量測次后，及時進行資料分析，確定測速垂線及流量測次布置方案。

4.3 泥沙測驗影響補救措施

工程建設期間，采取增加單沙測次措施，工程建設完成后，在增加單沙測驗同時，增加斷沙測次，分析泥沙分布規律，制定單斷沙關系線。

4.3.1 泥沙測驗測次相關規定

（1）懸移質單沙。懸移質泥沙單樣含沙量的測次分布，應能控制含沙量的變化過程［4］，洪水期，每次較大洪水， 一類站不應少于8次， 二類站不應少于5次，三類站不應少于3次，洪峰重疊、水沙峰不一致或含沙量變化平緩時，適當增加測次。在含沙量變化劇烈時，增加測次。 汛期平水期，每日取樣1次，非汛期含沙量變化平緩時，一類站2～3d取樣1次，二、三類站5～10d取樣1次。

（2）懸移質輸沙率。一類站歷年單斷沙關系線與歷年綜合關系線比較［5］，其變化在5%以內時，年測次不應少于15次。 二類、三類站作同樣比較，其變化在5%以內時，年測次不應少于10次。 其變化在2%以內時，年測次不應少于6次，并均勻分布在含沙量變幅范圍。 單斷沙關系線隨水位級或時段不同分為兩條以上曲線時，每年懸移質輸沙測次，一類站不應少于25次，二、三類站不應少于15次。

4.3.2 補救措施方案

采取增加單、斷沙測次措施方案，即除滿足上述測驗規范要求外，再增加測次［5］。 魯臺子站為一類站，洪水期單沙測驗按照每場洪水漲水段增加2～3個測次，落水段增加3～4個測次布置。 非汛期適當增加測單沙測次，控制泥沙變化轉折點，滿足泥沙整編要求；工程建設期間，增加斷沙測次5次以上，使輸沙率測次不少于15次。工程建設完成后，每年增加斷沙測次10次以上，使年輸沙測次不少于20次。積累足夠資料后進行分析，重新率定單、斷沙關系線。

4.4 水質監測影響補救措施

施工中開挖土方應該堆放于河道范圍以外，及時清理施工、生活垃圾。 加強對施工設備的管理與維修保養， 杜絕泄露石油類物質及所運送的建筑材料等，避免對水域造成污染，有關部門應就施工中可能造成的水質污染制定防治預案，并報有關部門批準。

5 結語

（1）淮河干流航道整治工程建設使魯臺子站水流沙特性發生變化，對水文監測設施及水位、流量、泥沙、水質監測等造成一定影響，應根據相關法規要求采取相應補救措施。此外，工程建設使測站河槽及斷面控制特性改變，使匯流特性、參數發生改變，需對水文預報方案進行修訂，保證水文預報精度，提高淮河流域防洪減災能力。

（2）施工中應加強環境保護及水土保持工作，接受水行政主管部門的監督。特別注意的是，工程施工采用的挖泥船等大型機械，一旦漏油造成水體污染，應及時加測并上報有關部門。

（3）工程建設單位應在項目開工前將實施計劃（方案）書面通知水文部門，以便制定相應水文監測方案。 水文部門應針對測站實際情況與測站任務書要求，及時組織技術力量，制定航道整治建設期和整治完成后的具體水文監測方案， 減少工程建設對水文測報的影響。