宝应抽水站抗旱调水时三阳河输水流量率定分析

孙正兰， 王 成， 李江艳， 王 江， 沙 慧

(江苏省江都水利工程管理处， 江苏 扬州 225200)

1 工程概况

为了满足南水北调东线一期工程抽引江水北送达到500 m3/s的规划要求，宝应抽水站(以下简称宝应站)于2003年9月开工建设，2005年10月竣工投入运行，设计流量100 m3/s，设计扬程 7.6 m，配套电机功率3 400 kW，总装机容量13 600 kW；与江都4座泵站共同组成南水北调东线第一级抽水站。南水北调东线各工程相对位置见图1。

图1 南水北调东线各工程位置示意

宝应站位于江苏省宝应县氾水镇境内，上游为里运河(京杭大运河江苏段)，下游为里下河地区的潼河。长江水通过江都西闸、江都东闸引入新通扬运河，在江都东闸下游11 km处有三阳河分叉河道将新通扬运河长江水引入潼河供宝应站抽引江水北送。距离分叉处500 m的三阳河上有宜陵北闸1座，建于1975年9月，主要作用是防止新通扬运河高水侵入三阳河两岸大片低田，干旱时可控制引长江水北调灌溉和冲淤，洪涝时又是三阳河及周边地区排涝的主要通道，现已成为南水北调东线水源工程之一宝应站输水的控制工程。距离分叉处下游450 m的新通扬运河上有宜陵闸1座，建于1963年7月，主要作用是解决新通扬运河高低地之间的引、排水矛盾，并可与宜陵北闸配合使用选择引、排新通扬运河或三阳河水流[1]。

江都东闸既是南水北调宝应站调水的源头，也是长江水自流东引里下河腹部地区的重要口门。江都东闸水文站为国家重要水文站，水位流量关系曲线定线精度为一类[2]。宜陵闸、宜陵北闸在工程建成投入运行时均设有水文站，后因上述3座控制性水闸区间面积小，水流受工程频繁控制、流速流向流态波动不稳定，尤其是宜陵闸、宜陵北闸上下游经常处于小水位差状态，给推流精度带来较大影响[3]，导致区间水量不平衡而被降级或撤销。宜陵北闸水文站于1980年降级为水位站，1997年5月撤销；宜陵闸水文站于1999年降级为水位站，观测至今。

在宜陵闸向东约35 km，2002年建成投入运行的泰州引江河高港枢纽，提高了向里下河和通南地区的灌排标准，也使得淮北地区旱情严重时江都东闸的引水量能充分保证宝应站最大能力抽引江水北送，为提高泵站效能、最大程度发挥泵站经济社会效益奠定了基础。近年来，由于宝应站运行管理的需要，江苏省防指经常要求临时性巡测三阳河实时水情。本文根据宝应站近年来抗旱运行期间在三阳河实测的流量资料，分析针对宜陵闸不同控制工况、三阳河无任何水文设施情况下宜陵北闸下游断面的水位流量关系，旨在为掌握三阳河水流情势、更好地服务于宝应站运行管理提供技术依据。

2 流量监测与率定

2.1 流量施测

宝应站抽水北送抗旱时，宜陵北闸闸门均提出水面运行，宜陵闸根据三阳河水情需要进行控制。在2013年、2017年和2019年苏北地区旱情较严峻期间，为测试三阳河输水流量是否满足宝应站最大能力抽引江水北送，按江苏省防指要求，江都水利工程管理处水文站在三阳河上顺直稳定河段、距离宜陵北闸约500 m的下游设置测流断面[4]，用声学多普勒流速仪(简称ADCP)监测河道流量。每测次流量均按规范要求为至少连续2个半测回流量的平均值[5]，多数测次为连续4个半测回流量的平均值，共实测稳定流量82次，其中宜陵闸闸门开高2.0 m及以上时53次，闸门开高0.7～1.0 m时29次。宜陵北闸下游流量实测及分流比情况见表1。

为了计算宜陵北闸下游断面流量占江都东闸总口门引水流量的分流比，根据江都东闸与宜陵闸上、下游水位过程线推求水流传播时间，平均约为30 min[6]，即采用宜陵北闸流量实测时间提前30 min的江都东闸流量和宜陵北闸断面流量计算。2013年5月11～31日，宜陵闸13孔闸门全部出水，江都东闸下游与宜陵闸上游水位差较小，变幅为0.03～0.14 m，相应流量变幅为71.2～146 m3/s，宜陵北闸分流江都东闸引水流量为46%～69%，平均分流56%。2017年6月16至24日和2019年7月19～21日，宜陵闸13孔闸门开高以2.0 m控制，江都东闸下游与宜陵闸上游水位差较大，变幅为0.13～0.33 m，相应流量变幅为141～294 m3/s，宜陵北闸分流为51%～78%， 平均分流61%。2019年7月22至23日，宜陵闸13孔闸门较短时间以开高1.0 m控制，仅施测流量3次，水位差变化较小，为0.16～0.19 m，相应流量平均为255 m3/s，宜陵北闸分流比约为71%。2019年7月23～28日和11月20至22日，宜陵闸13孔闸门开高均为0.7 m控制，共施测流量26次，水位差变幅为0.03～0.29 m，相应流量变幅为129～300 m3/s，宜陵北闸分流比为75%～100%，平均分流91%[7]。

表1 实测宜陵北闸下游流量及分流比

实测资料表明，宜陵闸闸门开高越小，通过宜陵北闸的流量越大；在宜陵闸闸门控制一定的情况下，江都东闸下游与宜陵闸上游水位差越大，宜陵北闸实测流量也越大，分流比相应增大。

2.2 水位流量关系率定

点绘分析宜陵北闸下游断面输水流量与相应江都东闸、宜陵闸的水位，发现江都东闸下游与宜陵闸上游水位差和宜陵北闸下游断面的输水流量具有较好的相应性，测点分布呈明显的点带关系，宜陵闸开高在2.0 m及以上和0.7～1.0 m时各为点带系列。2013年5月11至31日因闸门全部出水，水位差较小、水位流量点据均位于点带下部，而闸门开高2.0 m时的水位流量点据均位于点带中上部，但2种工况下的点据基本呈一个系列，故合并定线。开高1.0 m时流量测次太少，且与开高0.7 m时的点带系列偏小不大，故将闸门开高0.7～1.0 m时的水位流量点据合并定线。

分别对两系列进行线性拟合计算，宜陵闸开高在2.0 m及以上时，点据线性拟合确定性系数为0.96，表明具有很高的相关性。宜陵闸开高为0.7～1.0 m时，点据线性拟合确定性系数为0.76，具有较高的相关性；开高1.0 m时3个流量测次均位于拟合关系线偏小一侧，水位流量点据的分布真实反映了河道水流情势。不同工况下宜陵北闸下游水位流量关系曲线见图2。

对线性拟合的水位流量关系线进行检验和定线精度评定，3种检验均符合规范要求；其中宜陵闸开高2.0 m及以上时的水位流量关系曲线定线精度为二类，开高0.7～1.0 m控制时的水位流量关系曲线定线精度为三类。水位流量关系曲线检验计算结果见表2。

图2 不同工况下宜陵北闸下游水位-流量关系曲线

3 分析与建议

3.1 定线精度分析

流量施测期间，宜陵闸上游最高水位为2.37 m，最低为1.15 m，平均为1.70 m，宜陵闸闸底板高程为-2.0 m(文中高程均为废黄河口基面)。

表2 水位-流量关系曲线检验计算

当宜陵闸闸门全部出水时，过闸水流为淹没堰流；闸门开高为2.0 m时，宜陵闸上、下游基本水尺断面水位落差为0.04～0.29 m，过闸水流流态大多为淹没或半淹没堰流，闸门对水流的控制作用较小。当宜陵闸闸门对水流不控制或控制作用较小时，江都东闸下游与宜陵闸上游之间的水位落差和与宜陵北闸下游测流断面之间的水位落差基本一致，因此，江都东闸下游与宜陵闸上游之间的水位落差与宜陵北闸下游的流量也就具有较高的一致性，建立的水位流量关系曲线标准差以及95%的随机不确定度均较小，定线精度达到二类精度以上水文站的要求。

当闸门开高在0.7～1.0 m时，宜陵闸过闸水流为淹没孔流，闸门对水流的控制作用较大，水流受阻导致宜陵闸上游水位壅高，此时江都东闸下游与宜陵闸上游之间的水位落差小于江都东闸下游与宜陵北闸下游测流断面之间的水位落差，因而江都东闸下游与宜陵闸上游的水位差和宜陵北闸下游流量的相应性也就较差，水位流量关系曲线的标准差和95%的随机不确定度均较大，定线精度基本为三类水文站的要求。可见，宜陵闸闸门控制作用越小，江都东闸下游与宜陵闸上游水位差和宜陵北闸下游断面流量的相应性越高，水位流量关系曲线的定线精度也越高，反之则较低。

以上分析可知，在不同控制工况下提高水位流量关系线的定线精度，即提高河道水位与流量的相应性，关键是提高与宜陵北闸下游流量相一致的水位落差精度。三阳河长约66.5 km，顺直较稳定且无分叉支流，具有较好的水位观测条件。

3.2 实施建议

随着经济社会快速发展，水多时不能淹、水少时无旱灾成为新时期防汛防旱工作的高标准要求，不断完善的水利防洪防旱工程体系正不断改变原有河道的水情情势，原有的水文站网布局已不能满足变化条件下新的区域工程运用和经济社会发展的需要[7]，实时监控三阳河输水水情是确保宝应站安全运行和效能发挥的前提，因此，在三阳河上布设水位观测设施、根据防洪抗旱情势开展流量巡测从而把握宜陵北闸下游的过流情况是必要的。

宜陵闸由于受下游35 km处泰州高港枢纽自流引江水北送里下河腹部地区的影响，在大潮汛时，下游水位经常有壅高现象。在宜陵闸闸门提出水面运行时，水流壅高有时可影响到上游基本水尺断面，上、下游水位常出现倒比降，因此，宜陵闸上、下游水位与过闸流量的相应性较差。根据三阳河上的水位落差与宜陵北闸下游实测流量建立水位流量关系曲线，不仅定线精度将会大大提高到一类精度，同时也可以实时掌握宜陵闸的过流情况，为区域水利工程科学精准调度、水资源合理分配提供技术支撑。

4 结 论

2019年苏北地区虽遭受60年未遇的气象性干旱，但完善的水利工程体系确保了苏北人民群众生活生产有序，虽有旱情却无旱灾。本文基于宝应站抗旱调水期间多年的实测资料，揭示了在工程不同控制状态下三阳河输水流量的变化规律；针对区域现有各工程运行情况下河道水流情势进行了分析，并就变化条件下如何调整水文站点准确监测监控区域水情，使水文工作适应区域经济社会发展的新需要提出了建议，对区域防汛抗旱、水资源合理配置、工程安全运行和精准调度都具有一定的现实意义。