陈晓成

(阜阳水文水资源局，安徽 阜阳 236000)

0 引言

受区域水文特征、经济社会发展、城市化建设、人口增长、地表水污染等多因素影响，阜阳市地表水资源严重短缺，地下水开发利用成为弥补水资源短缺的重要手段，城区居民生活用水和工业大部分使用深层地下水，而深层地下水补给缓慢。1970年后，阜阳市出现过量开采并导致地下水位持续下降，形成地下水降落漏斗，城区乃至周边出现地面沉降，范围波及数百平方公里。颍河阜阳闸靠近地面沉降中心，因基础不均匀沉降造成闸底板开裂等安全隐患，先后进行两次除险加固；与之配套的阜阳闸水文站也深受其害，受当时条件限制，无法确定水准点逐年沉降量，基本水准点、校核水准点的考证仅能依据相对沉降值做微调处理。不仅水位资料系列一致性遭受破坏，而且原有的堰闸流量系数线要重新率定，增加了水文测报难度。

由于阜阳地面累计沉降幅度较大，而水位资料逐年假性偏高，阜阳闸水文站的报汛水位和上下游水位矛盾，给防汛部门防洪调度决策带来误导和困难。不仅影响了颍河、淮河、茨淮新河的洪水调度决策，也在很大程度上降低了水文资料的社会价值。

鉴于上述因素，地方防办就报汛水位改正问题提出意见，历史上阜阳闸报汛水位采用减去0.53 m和1.24 m两个阶段。由于地面沉降持续，导致水位失真更甚，报汛水位等无法满足防洪调度，同时水文年鉴中的水位系列存在一致性问题，对资料使用不利，必须系统改正解决。

1 分析方法和实施步骤

1.1 分析方法

水位计算的依据是水尺零点高程，水尺零点高程的确定是从校核水准点接测推求；校核水准点高程是从基本水准点或引据水准点引测确定。要分析确定地面沉降期间水位的改正值，必须先确定基本水准点、校核水准点高程的逐年变化情况。为此，按照两条线进行梳理，并形成两个高程系列。

一条线是掌握基本水准点乃至阜阳闸周边其他水准点高程的实际变化，资料取自各个测绘单位从外围非沉降区接测的精密水准成果。另一条线是水文考证系列的水准点高程变化，包括引据水准点、基本水准点、校核水准点。

依据两个高程系列成果，分析得到校核水准点的实际高程与考证高程的差值系列；因水尺零点高程变化与校核水准点高程变化同步，校核水准点高程的差值系列即为水位初步改正值系列。

依据水位初步改正值，对水文年鉴中的阜阳闸上下游水位进行改正，再根据上下游水文断面对应关系，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，对水位改正值进行改正。

1.2 实施步骤

(1)调查收集阜阳市测绘院、淮河河道管理局、阜阳市勘测院等单位测量的与阜阳闸基本水准点相关的精密水准测量成果，确定阜阳闸水文站水准点历年沉降情况，为水位改正提供依据。

(2)收集整理阜阳闸水文站建站以来考证系列的水准点测量成果，建立水文考证系列水准点专项档案。

(3)分析基本水准点与引据水准点之间、校核水准点与基本水准点之间的相对沉降规律，初步确定闸上、下水位逐年改正值。

(4)验证改正后的水位系列的合理性，提出类似沉降区水位改正方法和沉降区水准点使用要注意的事项。

2 测站概况及地面沉降影响

2.1 测站概况

阜阳闸水文站为颍河中下游的控制站，是国家重要水文站，位于阜阳市区中心位置。在历年颍河及淮河的防洪抗旱、水资源利用、水污染防治等调度决策过程中，该站水位流量信息发挥重要的支撑作用；在颍河及其主要支流的防洪规划、涉水工程设计、城市发展规划等方面，该站收集的水文系列资料发挥着不可替代的作用。阜阳闸站流域面积38 240 km2，颍河界首站至阜阳闸河长71 km，泉河杨桥闸站距阜阳闸河长78 km，泉河在阜阳闸上1 km处汇入颍河，阜阳闸站水系图见图1。

阜阳闸站历史上使用过引据水准点有720(地上暗标)、新B.M东和船左下B.M，先后因城市建设被毁；使用过的基本水准点有淮水文2057；使用过的校核水准点有T.B.M1、T.B.M2、T.B.M3、T.B.M4、T.B.M5、闸上留点、闸下留点。

现在使用的基本水准点淮水文2057位于南三角洲公园停车场西南角5 m处，是本站保存时间最长的基本水准点(1965年设置至今)，该基本水准点已纳入阜阳市地面沉降区监测网点；校核水准点闸下留点位于闸下水尺断面左岸80m处，T.B.M5位于闸上水尺断面第一根水尺上15 m处。该站上下游水尺断面均布设在颍河右岸，分别为闸上240 m、闸下617 m。使用的水准高程为冻结基面，冻结基面-0.136m=黄海基面以上米数。

图1 阜阳闸站水系图

2.2 地面沉降及其影响

2.2.1 地面沉降

阜阳市地面沉降发展过程经历了四个时期：1970-1980年为地面沉降形成期，地面沉降开始出现，但发展缓慢，沉降范围约为80～100 km2，累计沉降量尚不足100 mm；1980-1990年为地面沉降加速期，随深层地下水的开采量急剧增加，1990年沉降区面积360 km2，中心累计沉降量为872.8 mm；1990-1998年为地面沉降发展期，沉降速率有所减缓，1999年沉降范围大于410 km2，中心最大累计沉降量1 347.4 mm。进入2000年，由于限采一系列措施的实施，地面沉降放缓，2014年城区地面沉降面积987 km2，中心最大累计沉降量1 605.3 mm；到2020年城区地面沉降面积已大于1 000 km2。

2.2.2 地面沉降影响

(1)降低城市堤防防洪标准。泉河、颍河穿城而过，城区段地面沉降使原有堤防的堤基和堤身随之下降，导致防洪标准降低。虽然颍河治理工程中堤防按设计标准加高加固并通过验收，但随着地面沉降持续，仍将出现堤防防洪标准降低问题。

(2)影响大型建筑物安全运行。阜阳闸地处沉降中心附近，因地面沉降不均匀致使闸底板、闸墩出现开裂、错位等，严重影响阜阳闸安全运行，当地政府于1996、2005年进行除险加固。闸底板由原来的25.00 m加高到现在的25.76 m，减少了闸体的过水面积，降低了大闸的泄洪能力。

(3)破坏和降低市政排水系统的排泄能力。由于地面漏斗型的沉降，原来市政修建的城市排水系统因地面沉降形成倒坡，致使管道淤积或堵塞，暴雨期间不少城市路段和居民小区，形成大面积积水，影响了城市交通，给人民生活造成不便。

(4)水位资料失真。阜阳闸水文站水准点逐年下沉，造成上下游水位逐年偏离真实高程，水位资料不能满足一致性要求。给桥梁、码头、涵闸、航道治理等涉水工程规划、设计带来很大困难，也降低了水文资料为利用价值。设防水位、正常蓄水位、警戒水位、保证水位根据阜阳市地面沉降前的河道防洪能力、工程安全运行条件等确定，是阜阳闸调度决策的主要依据之一。地面沉降导致的水位假性偏高不仅造成洪峰水位流量关系失真，而且给防洪工程调度决策带来麻烦或误导。

(5)降低了当地桥梁通航能力。阜阳市城区在地面沉降期间，先后新建或重建桥公路、铁路桥9座，桥墩随地面沉降而下沉，使桥下净空减小，导致水上交通能力降低。

3 地面沉降区水位观测方法

阜阳闸站位于城区沉降漏斗附近，观测计算水位依据的校核水准点、基本水准点和引据水准点均在沉降区内，由于各水准点据沉降漏斗中心的距离不同，其沉降量不同步，出现过水准点下沉、上拔等现象，观测的水位不是真实的水位。上世纪八十年代初期，人们对地面沉降现象缺乏认识，当出现引据点与基本点、基本点与校核点测量误差超限时，认为引据点或基本点发生了改变，其间阜阳闸站曾更换过三个引据水准点，更改过基面较差值，也对校核水准点做过下沉和上拔处理等，但问题依然存在。

为避免闸上下游水位的频繁假性改动带来流量监测的难度，从1995年起阜阳站水准点高程冻结直到现在。每年汛前和汛后，用三等水准测量从本站基本水准点淮水文2057测到闸上下校核水准点，作为以后水位改正的基本资料。

4 基本水准点历年沉降量分析

4.1 精密水准测量成果调查

为确定基本水准点实际沉降量变化情况，到阜阳市勘测院、淮河河道管理局、阜阳市测绘院咨询阜阳闸周围精密水准测量情况，并获取淮水文2057精密水准成果。

调查得到阜阳市勘测院的精密水准测量成果5次，以反映阜阳城区和阜阳闸沉降变化为主要目的，用二等水准按比差法逐段检测阜阳闸上下游各相邻二等水准点的高差，直至两点之间的检测高差与原相邻高差在允许范围内为止，其引测水准线路为颍左线，淮水文2057在其复测线路上。

淮河河道管理局精密水准测量成果有13次，主要目的是监测阜阳闸各部位相对沉降量变化，按二等水准标准从附近二等水准点引测至阜阳闸各监测点及淮水文2057等水准点。2003年、2008年水准线路延长，将颍左线717(袁寨附近，国家二等水准点)作为引据水准点。

阜阳市测绘院精密水准测量成果有16次，以确定阜阳城区沉降范围及沉降量变化、满足城市规划与建设发展需要为目的，自1998年开始在阜阳市区系统布设沉降监测点，以城市周边的插花粮站、岳酒坊(颍左线718)、变电所(宁老庄)、桃花店国家二等水准点作为基准点。监测网布设为四线一环，四线分别为储运站至岳酒坊、储运站至变电所、储运站至插花粮站、储运站经桃花店至三塔镇线，按二等水准测量的技术方法进行，测量成果均由省建设厅测绘院组织审查。

4.2 精密水准测量成果合理性分析

根据调查资料分析， 1980年以前地面沉降量较小，淮水文2057累计沉降量83.7 mm(国家地震局Ⅰ等水准测量成果)，1970- 1978年淮河河道管理局有4次水准成果，测量成果受地面沉降影响较小，相关成果可以直接采用。

1980年以后阜阳闸及周边地面沉降速度加快，1982-1985年间淮河河道管理局有5次水准成果，均从附近颍左线720、719、721引测，由于引据水准点处在沉降区范围之内，其采用高程可能与实际高程不符，由此计算阜阳淮水文2057高程变化不能准确反映实际沉降量，且与国家地震局、河北省测绘局测量成果矛盾，作为参考资料，未予直接采用。

阜阳市测绘院四个引据水准点之一的岳酒坊(颍左线718)在沉降区内，可能对测量成果有影响；从系列资料连续性考虑，阜阳市测绘院2000-2009年，2012、2014和2020年有测量成果，系列较长，采用测量成果。2011年淮河河道管理局测量成果与阜阳测绘院成果前后相比，趋势合理采用。2018年阜阳市水利局委托市水利勘测院进行大范围地面沉降测量，采用其成果。

4.3 淮水文2057考证高程与实际高程对比分析

淮水文2057水准点的水文考证系列包含了局部相对沉降的影响，数值调整幅度较小，累计改正值为0.389 m；调查得到的实际高程系列更接近真值。从图2看，1975年以后淮水文2057考证高程与实际高程的差值逐年扩大，整体呈现为先缓再急又缓的过程，至2020年二者相差达1.431 m。

5 水位改正方法

5.1 基本水准点使用和变化情况

1965年以来，阜阳闸水文站用来引测校核水准点高程的水准点有淮水文2057、船左下B.M、新B.M东，三个水准点高程均存在两个系列，一个是水文站从附近引据水准点引测或借用的水准高程系列(也称水文考证系列)，另一个是从外围(非沉降区)引测的高程系列(也称实际高程系列)。因调查资料不足，新B.M东没有实际高程系列。

图2 淮水文2057考证高程与精密高程对比

船左下B.M于1957年1月由治淮委员会设立并测定高程，1970年3月省淮河修防局在进行颍河沿线精密测量时，船左下B.M累计沉降量为21.3 mm并予以改正,其后不同时期，省淮河修防局、阜阳市测绘院等单位从沉降区外围引测，船左下B.M自1986年作为本站引据点兼基本水准点。至2005年10月，累计沉降量为1 428.2 mm，2005年以后没有精密水准测量成果，2009年2月因船闸施工被毁坏。

淮水文2057于1965年设立，与闸上下游水尺断面校核水准点形成三角形分布。1975年、1978年、1981年自引据水准点测至淮水文2057，出现连续下沉，当时没有认识到地面下沉所致，而是怀疑淮水文2057的基础稳定性，于1981年改将引据水准点新B.M东作为测站的基本水准点；此后，新B.M东出现同样原因，改用船左下B.M作为测站的引据水准点兼基本水准点。

T.B.M4从1995年冻结，为本站的基本兼校核水准点，2008年底因工程施工被破坏，考虑资料连续性，用T.B.M4的冻结高程推求船左下BM的高程(用2008年汛前测量的T.B.M4与船左下BM的关系)，再由推求的船左下BM高程推求淮水文2057高程，命名为淮水文2057-1，2009-2012年高程冻结在淮水文2057-1。2013年起至今高程冻结在闸下留点。

5.2 水位改正方法

(1)根据调查的实际高程系列，采用过程线法，插补出与校核水准点测量时间相同的淮水文2057实际高程；

(2)根据淮水文2057与校核水准点之间实测高差，推求校核水准点的实际高程，以及该校核水准点的高程改正值；

因闸上(下)水尺与闸上(下)校核水准点同在垂直于水流方向的断面上，距离较近，可认为水尺零点高程与校核水准点高程同步变化，故校核水准点考证高程与实际高程的差值即为对应水尺断面的水位改正值。

以淮水文2057实际高程推求上下游校核水准点的差值，即：

Hi校实=Hi淮实±Hi淮-校

(1)

Hi改正=Hi观测±Hi淮-校

(2)

式中：Hi淮为校为淮水文2057与校核水准点高程的实测高差(单位：m)；Hi淮实为淮水文2057实际高程(单位：m)；Hi校实为校核水准点实际高程(单位:m)；Hi改正为改正后水位值(单位:m)；

5.3 水位改正成果

本次分析，水位改正值的年份为1975-2020年，每年给出水位改正值，水文年鉴刊印的水位为冻结水准点高程的水位，用本次分析改正值改正后的水位为真实水位值。水位改正值的变化图见图3，1975-1985年改正值变率较小，1986-2000年改正值变率大，2001年后改正值变化平缓，水位改正值年变化趋势与地面沉降的趋势基本一致。

图3 水位改正值逐年变化趋势图

6 合理性检查分析

阜阳闸颍河上游55.4 km处有耿楼闸、泉河上游78 km有杨桥闸，用三站水位做合理性对比分析，各站冻结基面均换算为85基准基面比较。选非汛期水位平稳时的2020年1月1日到5月1日水位做对比分析见图4，可看出阜阳闸(闸上)水位(改正前红色)均比上游的杨桥闸(闸下)和更楼闸(闸下)水位偏高一米多，这和水往下游流明显的不合理。用上面方法分析订正数值进行订正后阜阳闸(闸上)水位(改正后蓝色)在上游杨桥闸(闸下)和耿楼闸(闸下)水位线的下面，这样符合自然的水流规律，说明改正后水位比较合理。

图4 水位改正前后阜阳闸(闸上)与杨桥闸(闸下)、耿楼闸(闸下)水位对比图

7 结语

目前，我省淮河以北的淮南、淮北、亳州、宿州和阜阳市都存在地面沉降现象，各市地面沉降的范围越来越大，带来的负面影响越来越多，对地面沉降区的水位分析改正已是水文监测面临的一项任务,阜阳市地面沉降区水位改正为其他地区开展这项工作起到先行示范作用。阜阳市地面沉降区水位改正分析的经验和启示：沉降区域内的水文监测站要加强水准点的保护和设置，保护好历史上使用过的各等级的水准点，因重要工程建设水准点遭到损坏的，要及时增设并引测高程，每年汛前和汛后对站内的基本水准点和校核水准点进行闭合环校测，建立水准测量档案。及时和当地政府及测绘部门联系，将本站水准点纳入当地地面沉降监测联测网中，利于以后的水位分析改正。