分析高水位小流量的水文測(cè)驗(yàn)方法

向大春/寧夏水文水資源勘測(cè)局固原分局

分析高水位小流量的水文測(cè)驗(yàn)方法

向大春/寧夏水文水資源勘測(cè)局固原分局

水文資料是進(jìn)行水文計(jì)算的基本資料，根據(jù)這些基本資料能夠預(yù)測(cè)未來(lái)自然現(xiàn)象的變化與發(fā)展，從而提出更好的預(yù)防措施，減少災(zāi)害對(duì)經(jīng)濟(jì)的人員的傷害。同時(shí)水文資料測(cè)驗(yàn)直接影響著水利工程的精確度，水文資料在測(cè)驗(yàn)的工程中為了獲得統(tǒng)一、可靠，并且具有代表性的資料，以便及時(shí)獲得相關(guān)水域的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。本研究主要分析與探討小流量與高水位的水文有效測(cè)驗(yàn)方式。

高水位；小流量；水文測(cè)驗(yàn)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中越來(lái)越重視環(huán)境保護(hù)和生態(tài)平衡發(fā)展，在這種發(fā)展模式要求下我國(guó)水利水電大迅速，大型核電站建設(shè)不斷增多，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)向更健康模式發(fā)展。我國(guó)是一個(gè)水資源匱乏的國(guó)家，而且自然災(zāi)害標(biāo)比較多，所以水文資料對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)有較大的作用。本研究主要分析與探討小流量與高水位的水文有效測(cè)驗(yàn)方式。

一、高水位小流量水文產(chǎn)生的因素分析

一般平原區(qū)域都具有相對(duì)極為抑制的地面坡降和河道縱比降。比方說(shuō)，寧夏平原為純平原區(qū)域，其河道縱比與自然坡降大約在1/7000。目前其河道中所創(chuàng)建的大型攔河閘有12座，53座中型攔河閘，42座小型攔河閘，2.47億m3的總設(shè)計(jì)蓄水量，形成能夠?qū)υ搮^(qū)域大中小型河道進(jìn)行有效控制的保稅與蓄水工程體系。寧夏平原主汛期時(shí)敞開(kāi)閘門(mén)，并在枯水期將其水壩工程效益充分發(fā)揮出來(lái)，以使寧夏平原城市供水與農(nóng)工業(yè)生產(chǎn)用水需求得到滿足，通常閘前具有相對(duì)比較高的水位，這樣就直接影響到沿河水文站對(duì)流斷面的測(cè)驗(yàn)[1]。如果長(zhǎng)時(shí)間在小流量、高水位狀態(tài)保持，就會(huì)導(dǎo)致水文測(cè)驗(yàn)工作的不精準(zhǔn)。以往常規(guī)測(cè)驗(yàn)方法與測(cè)驗(yàn)設(shè)備已經(jīng)不能與水量平衡計(jì)算、資料整編、分析水資源供需等要求相滿足。所以，通過(guò)現(xiàn)代化技術(shù)和設(shè)計(jì)情況選擇最佳測(cè)驗(yàn)方法極為有必要。

二、高水位小流量斷面流速的分布特性

大多高水位小流量河道形成的原因都是長(zhǎng)時(shí)間受閘門(mén)控制，而水文測(cè)流斷面流速通常是河底流速比水面流速低，兩岸邊流速比中間流速低，該現(xiàn)象是由天然河道流速分布性質(zhì)所決定的。然而，因?yàn)榱髁勘容^小，而且具有相對(duì)比較大的斷面面積，通常流面之下的流速幾乎為零，導(dǎo)致兩岸邊出現(xiàn)死水的情況，甚至還會(huì)出現(xiàn)逆流現(xiàn)象。再加上死水具有比較大的面積，根據(jù)水文測(cè)驗(yàn)要求，應(yīng)該明確死水邊界，而這優(yōu)勢(shì)非常麻煩的一項(xiàng)工作，必須在不同水深與起點(diǎn)通過(guò)流速儀進(jìn)行多次測(cè)驗(yàn)，才有可能確定下來(lái)，而一次水文流量測(cè)驗(yàn)必須消耗相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，由此一方面會(huì)耗費(fèi)很多時(shí)間與人力，另一方面也不能保證測(cè)驗(yàn)質(zhì)量。

三、依照不同情況選擇相對(duì)應(yīng)的水文測(cè)驗(yàn)方式

本研究以寧夏平原為例，現(xiàn)階段寧夏平原共有15處測(cè)驗(yàn)水文流量的水文站，除了一些受回水影響非常小的水文站外，其它水文站都會(huì)或多或少的受到下游閘門(mén)的蓄水影響，特別是在枯水時(shí)期，很多閘壩中都積存有非常多的蓄水，對(duì)該區(qū)域水文測(cè)驗(yàn)及應(yīng)用產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。

（一）調(diào)整水文測(cè)流斷面

從根本上說(shuō)，墨守成規(guī)，固守?cái)嗝?，往往?huì)給水文測(cè)驗(yàn)工作帶來(lái)更大的難題。而測(cè)流的主要目的在于結(jié)算清水賬，對(duì)水文來(lái)龍去脈進(jìn)行全面、有效的掌握，以計(jì)算水量平衡。所以，需要在基本斷面周邊確定最佳側(cè)流斷面，通過(guò)水工建筑物對(duì)死水逆流與邊界情況進(jìn)行目測(cè)，再通過(guò)流速儀法或者浮標(biāo)法進(jìn)行測(cè)流[2]。若上游區(qū)域有多條或者一條支流匯入，同時(shí)支流與主流開(kāi)閘的時(shí)間有不同，在這種情況下，應(yīng)該在不同河道中對(duì)最佳位置進(jìn)行選擇以創(chuàng)設(shè)臨時(shí)斷面實(shí)施巡測(cè)，再將基本斷面流量推算出來(lái)，比方說(shuō)，某水電站在枯水時(shí)節(jié)為了滿足本區(qū)域的通航要求，其水流斷面深度超過(guò)3m，面積在400m3以上。該水文區(qū)域?yàn)榱四軌蛱嵘龑幭钠皆鞘泄┧枨?，多?shù)時(shí)間的攔河閘都是關(guān)閉的狀態(tài)，而從上游流入的水分則經(jīng)干渠向另一河道調(diào)度，再通過(guò)該河道的閘門(mén)進(jìn)行控制，達(dá)到10m3/s的水流量，平均斷面流速在0.025m/s以下，就算是采用走航式ADCP對(duì)水文實(shí)施測(cè)驗(yàn)，也存在較大的誤差。在這種情況下，應(yīng)該將臨時(shí)斷面創(chuàng)建在該河道閘下，保證其面積在100m2以下，這樣不僅有助于水文測(cè)驗(yàn)，另一方面也為水文資料的精度提供了有效保障。

（二）通過(guò)水工建筑物行水文測(cè)驗(yàn)

水文建筑物測(cè)流屬于比較常用的一種水文測(cè)流方式，該方法主要測(cè)量涵洞與閘門(mén)的泄流量，水文建筑物測(cè)流的主要原理在于通過(guò)對(duì)水工建筑物周邊水位與水文站閘門(mén)開(kāi)啟程度進(jìn)行有效利用，依照水工建筑物泄流公式，對(duì)泄流量進(jìn)行計(jì)算。寧夏平原境內(nèi)具有比較小的河道縱比，涵閘主要是寬頂堰，而很少有實(shí)用堰，加之閘門(mén)存在不一致的開(kāi)高，回水會(huì)對(duì)閘下產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響[3]。所以，不容易進(jìn)行閘壩率定，然而，通過(guò)考察水文測(cè)驗(yàn)資料，對(duì)最佳參數(shù)進(jìn)行選擇，點(diǎn)繪曲線，可通過(guò)三關(guān)檢驗(yàn)的曲線，通過(guò)該方式實(shí)施直接推流。無(wú)法通過(guò)三關(guān)檢驗(yàn)的曲線，其總體占據(jù)趨勢(shì)比較顯著，若無(wú)法找到最佳水文測(cè)驗(yàn)方式，選擇該方式實(shí)施推流計(jì)算，也具有比較小的測(cè)驗(yàn)誤差。比方說(shuō)，寧夏平原某水文站，其側(cè)流斷面基本上都位于閘上，0.025m/s以下的斷面流速，測(cè)量測(cè)驗(yàn)一方面會(huì)耗費(fèi)精力與時(shí)間，而且不能確保其精度。收集該水文站近兩年的調(diào)查資料發(fā)現(xiàn)，通過(guò)閘門(mén)水頭差與閘門(mén)開(kāi)高將率定曲線制定出來(lái)，盡管下部點(diǎn)據(jù)無(wú)法通過(guò)三關(guān)檢驗(yàn)，然而，中上部具有非常集中的點(diǎn)據(jù)，而且總體趨勢(shì)也比較顯著，通過(guò)該曲線推流和實(shí)測(cè)斷面流量就具有非常小的誤差[4]。

（三）選擇先進(jìn)的水文測(cè)驗(yàn)設(shè)備

作為比較傳統(tǒng)的一種水文測(cè)驗(yàn)方式，流速儀法目前被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)，該設(shè)備的水文技術(shù)也相當(dāng)成熟。然而，高水位小流量區(qū)域具有比較小的流速，低到無(wú)法達(dá)到流速儀標(biāo)定測(cè)驗(yàn)范圍，一些條件比較好的水文測(cè)驗(yàn)站就會(huì)選擇更為先進(jìn)的水文測(cè)驗(yàn)方式，現(xiàn)階段具有較為廣泛推廣應(yīng)用的水文測(cè)驗(yàn)設(shè)備為ADCP（超聲波多普勒水流剖面儀），該設(shè)備主要分為漂浮式ADCP與走航式ADCP，船上大多安裝的是船載走航式ADCP，通過(guò)測(cè)驗(yàn)斷面船橫穿河道，將斷面流量與形狀測(cè)驗(yàn)出來(lái)。而漂浮式ADCP則能夠在水面中自由漂浮，通過(guò)側(cè)船牽引對(duì)橫穿河道進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，有助于完成水文測(cè)驗(yàn)工作。然而，ADCP水文測(cè)驗(yàn)設(shè)備具有非常昂貴的價(jià)格，這對(duì)與水文站來(lái)說(shuō)也存在一定困難[5]。1998年美國(guó)某儀器公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的H-ADCP（超聲波多普勒測(cè)試測(cè)流儀）便于安裝，而且可靠性比較高，價(jià)格也比較低，可以對(duì)水文進(jìn)行在線測(cè)驗(yàn)。然而，該設(shè)備只選擇某層流速對(duì)斷面流速進(jìn)行估算，導(dǎo)致測(cè)驗(yàn)誤差比較大，同時(shí)也會(huì)影響到率定與數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。所以只可以在具有穩(wěn)定斷面規(guī)則、較小水位變幅以及較小水位寬度的斷面中應(yīng)用。

四、總結(jié)

總而言之，平原區(qū)域往往存在比較多的攔河閘壩，這就加大了流量施測(cè)的難度，若要算清水賬，確保水量平衡，采用固守?cái)嗝娴姆绞绞遣粔虻模瑧?yīng)該與本水文站具體情況相結(jié)合，客觀應(yīng)對(duì)，進(jìn)而選擇最佳水文測(cè)驗(yàn)方法與方案，以確保能夠順利開(kāi)展水文測(cè)驗(yàn)工作。

[1] 高寬,龐玉增.高水位小流量水文測(cè)驗(yàn)初步分析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2015:152-153.

[2] 張媛媛,張慧慧,楊丹.高水位小流量水文測(cè)驗(yàn)初步分析[J].河南水利與南水北調(diào), 2012:47-48.

[3] 王學(xué)全,盧琦,嚴(yán)平,等.庫(kù)姆塔格沙漠水文調(diào)查小流量測(cè)驗(yàn)及其誤差分析[J].乾旱區(qū)地理, 2011, 34:20-25.

[4] 李建梅.水口水文站水位～流量關(guān)系曲線單值化分析[J].甘肅水利水電技術(shù), 2010:135-136.

[5]王清華.試論水利水電工程建設(shè)對(duì)水文測(cè)驗(yàn)工作的影響[J].科技與企業(yè),2015,(14):131-131.