石頭河水庫壩前水位的觀測與現(xiàn)狀分析

王艷平

（陜西省石頭河水庫灌溉管理局 陜西 眉縣 722311）

1 石頭河水庫壩前水位觀測的作用及意義

石頭河水庫樞紐工程位于陜西省眉縣斜峪關以南1.5km處的石頭河干流上，地處寶雞市所管轄的眉縣、岐山縣、太白縣三縣接壤地帶。該工程是陜西關中地區(qū)20世紀80年代建成的一座以灌溉為主，同時結合發(fā)電、防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的大（2）型水利工程。隨著社會經(jīng)濟的進一步發(fā)展，石頭河水庫除滿足農業(yè)現(xiàn)狀外，又承擔了向西安、咸陽、楊凌、寶雞等城市的供水任務，同時肩負著為渭河消減洪峰的防汛任務。

石頭河水庫的壩前水尺是反映入庫流量、出庫流量、水體變化的重要標志，是水文測驗中最基本的觀測要素，是石頭河的水文常規(guī)觀測項目。水位觀測資料可以直接應用于計算水庫中的蓄水量、入庫流量、進行水庫興利調節(jié)、水庫防汛等。

石頭河水庫壩前水位值是絕對水位，它以黃海基面為高程零點，水位值表示石頭河水庫輸水洞進口附近的水面高出黃?；娴拇怪本嚯x，單位為米。

2 壩前水位觀測的基本情況

石頭水庫壩前水位的觀測站設置于大壩右側的輸水洞攔污柵滑道的排架、輸水洞放水塔體及工作橋排架上，于1981年2月3日設立，從1981年2月13日觀測壩前水位至今。壩前水位資料連續(xù)完整。

1991年，在輸水洞放水塔內安裝了一臺浮子式遙測水位儀，這臺儀器一直為石頭河水庫現(xiàn)場管理單位的電臺室使用，該儀器使用專用電臺傳輸數(shù)據(jù)，人工操作記錄。

2000年，在洪水調度自動化系統(tǒng)工程建設時，在輸水洞放水塔塔體外側西北方向安裝了一臺浮子式自動水位儀，洪水調度自動化系統(tǒng)工程一直由管理局水情調度中心負責建設、管理和使用。

2001年，在大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)工程建設時，在石頭河水庫輸水洞事故檢修閘門左側吊桿的右側安裝了一臺浮子式自動水位儀，大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)工程一直由水庫現(xiàn)場管理單位的樞紐工程管理處負責建設、管理和使用。

從此，石頭河水庫壩前就有一組固定水尺，三臺浮子式自動水位儀。

1991年安裝的水位儀由于信號傳輸不到電臺室而停用，電臺室觀測水位改用防汛預警系統(tǒng)的水位儀，即將預警系統(tǒng)的接收軟件安裝在大壩安全監(jiān)測自動系統(tǒng)的接收系統(tǒng)上，用以接收預警系統(tǒng)的水位、水情信號。從此，原用于防汛預警系統(tǒng)上的壩前水位計從原來只有管理局水情調度中心接收數(shù)據(jù)變?yōu)樗檎{度中心及電臺室共同接收數(shù)據(jù)，水情調度中心管理。

石頭河水庫壩前水位非汛期一般情況下每日定時觀測兩次，觀測時間為每日8時，20時；汛期每日定時觀測四次，觀測時間為每日8時、14時、20時、次日凌晨2時；開閘泄水時增加觀測一次；當入庫流量達到50m3/s時，1小時觀測一次；達到50m3/s時，30分鐘觀測一次；達到200m3/s時，10分鐘觀測一次，應測得各次峰、谷和完整的水位變化過程。

石頭河水庫的日平均水位按面積包圍法計算，計算日平均水位的公式如下：

式中，a、b、c……m、n——為各個不同時距，h；

z0、z1、z2……zn——為相應時刻的水位值，m。

由于石頭河水庫很少觀測0時庫水位，根據(jù)0時前后相鄰水位按直線插補0時的水位比較麻煩，而每日8時觀測庫水位比較準時，觀測比較準確、規(guī)范。因此，石頭河水庫的庫水位的日分界時間定為每日8時。即日平均水位的計算時間從早晨8時開始實行，截止到次日8時整結束。也就是說，每日0時至8時的庫水位值計入了前一日的庫水位平均值中。當0時至8時的庫水化學元素出現(xiàn)最大值或最小值時，為了準確、直觀，極值的時間按實際標準日期統(tǒng)計。

3 水位觀測情況及分析

1991年前石頭河水庫一直人工觀測水尺水位。1991年安裝的浮子式自動水位儀，解決了頻繁觀測水位，特別是夜間觀測水位的困難。這臺儀器任何時候都可開機觀測，非常方便。但是，由于浮子式水位儀安裝在輸水洞放水塔內，放水塔內徑9m，塔體內每高10m設置一個工作平臺，工作平臺的空間為6.0m×3.5m，因此，浮子的擺動空間較大。特別是輸水洞流量變化時，塔體內水面可能波動較大，從水尺上看的水位值與從水位儀上讀的水位值偏差較大，且差值沒有一定的規(guī)律可循。一般差值為幾厘米，不需調整經(jīng)過一段時間后會自動恢復，調整后經(jīng)過段時間，反而會出現(xiàn)調整過偏現(xiàn)象。加之幾厘米的誤差在水尺上也分辨不清，這樣，人們對水位儀就產(chǎn)生了依賴思想，如果一兩個月甚至很長時間不去人工觀測水位，偶爾觀測時，發(fā)現(xiàn)人工觀測的水位值與水位儀觀測的水位值相差2m～3m甚至更多。這時，一方面將差值加在水位儀觀測的讀數(shù)上繼續(xù)觀測一段時間，覺得這個差值能消除水位儀讀數(shù)與水尺觀測值的差值，就按此差值將水位儀調整，使水位儀的讀數(shù)與人工觀測水尺的讀數(shù)一致，否則就另選擇一差值對水位儀進行調整。另一方面檢查出現(xiàn)差值的原因，對以前記錄的水位值做適當?shù)挠喺?/p>

2000年，在安裝石頭河水庫防汛預警系統(tǒng)的水位儀時，為了克服這種現(xiàn)象，將儀器安裝在放水塔塔體外，并在塔體外安裝了兩根堅向塑料管，浮子裝在粗塑料管（直徑約110m）中，平衡錘安裝在另一根細管（直徑約50mm）中，克服了浮子的擺動問題。

預警系統(tǒng)的水位儀可將水位自動記錄到電腦中，記錄水位時間較為準確（也有提前或滯后記錄的現(xiàn)象），但由于水位計安裝在塔體外，冬季結冰后浮子被固定而不能繼續(xù)使用。同樣也有過于依賴水位儀觀測水位造成誤差很大的情況，如某年3月24日上午11時，用水準儀觀測的輸水洞放水塔附近的水面高程為764.121m，從預警系統(tǒng)水位儀觀測的庫水位為765.81m，相差1.69m。

3月24日下午對預警系統(tǒng)水位儀進行了檢查，發(fā)現(xiàn)水位儀的下限為765m，水位低于765m后，顯示的值就往上升。從水位儀記錄分析，3月19日8點至20日8點，庫水位為低谷點，經(jīng)比較認為，19日8點用原值765.17m較為合理，其它值均用反算方法改正至3月25日。

4 存在的問題及應對措施

4.1 水尺

水尺是傳統(tǒng)的有效的最直接觀測設備。1991年6月1日頒發(fā)的中華人民共和國國家標準《水位觀測標準》（GBJ138—90）規(guī)定：“水尺的……最小刻度為1cm，誤差不大于0.5cm，……”，“水尺的布設就符合下列規(guī)定：水尺設置的位置必須便于觀測人員接近，直接觀測水位，并應避開渦流、回流、漂浮物等影響。在風浪較大的地區(qū)，必要時采用靜水設施?！?/p>

石頭河水庫大壩上游水尺設置在右岸的輸水洞放水塔塔體及工期橋排架上，塔體距排架及排架之間距離均為32m，水尺的底色為白色，刻度為黑色，數(shù)字為紅色，水尺的最小刻度為分米。

觀測水尺的最近距離為幾米，最遠距離要在32m以外，由于觀測的限制，水尺的刻度如果是厘米，人在32m之外觀測水位就很難分辨清楚。也就是說，由于受觀測水尺的距離較遠限制，石頭河水庫的壩前水位的水尺的刻度最小只能為分米。

由于受水尺刻度及觀測距離的限制，人工觀測水位的精度較差，同一水位、同一時間、不同的人觀測會得到不同的結果，相差幾厘米是正常情況。因為人的視力不同，對水面對水尺刻度的折射標準和方法不同；從分米的刻度中估計厘米的標準和方法不同；對風浪影響的估計標準和方法不同，再加之天氣、環(huán)境等其它因素影響。

石頭河水庫大壩上游原水尺由于刻劃時的測量誤差、累積誤差、施工誤差、建筑物的沉降誤差等，造成水尺誤差較大，2011年3月24日，經(jīng)過對水尺進行復測，位于輸水洞放水塔塔體上的水尺的最大誤差為54mm，1#排架上的水尺最大誤差為48mm，都遠遠超出了規(guī)范要求。2011年4月底5月初，石頭河水庫壩上游水尺進行了重新刻劃，水尺的刻度精度得到了提高。

綜上所述，造成石頭河水庫水尺水位觀讀的誤差主要來源于下列因素：

（1）水尺的刻度太大，以分米為最小單位，要估讀到厘米，觀測員的經(jīng)驗和各自的評判標準對觀測結果影響很大。

（2）視距大時觀測員的視力對觀測結果影響很大。

（3）當觀測員視線與水面不平行時所產(chǎn)生的折光影響。

（4）波浪影響。

（5）水尺附近?？看换蛴衅渌系K物的阻水、壅水影響。

（6）時鐘不準。

（7）在有風浪、回流、假潮影響時，觀測時間過短，讀數(shù)缺乏代表性。

在目前石頭河水庫壩前水位觀測硬件設施存在缺陷的情況下，要提高壩前水位的觀測精度，就按下列要求消除或控制誤差。

（1）觀測員盡量靠近水尺觀測。

（2）觀測員觀測水位時，身體應蹲下，使視線盡量與水面平行，避免產(chǎn)生折光。

（3）有波浪時，可利用水面的暫時平靜進行觀讀或者取峰頂峰谷水位，取其平均值。

（4）當水尺水位受阻水影響時，就盡先可能排除阻水因素，再進行觀測。

（5）隨時校對觀測的時鐘。

（6）采取多次讀數(shù)，取平均值。

4.2 水位計

由于石頭河水庫的水位落差太大，從死水位到正常高水位之間落差達73m，只有浮子式水位儀較為理想。造成石頭河水庫壩前水位產(chǎn)生誤差的主要原因為：

（1）機械摩擦產(chǎn)生的滯后誤差。

（2）懸索重量轉移改變浮子吃水深度產(chǎn)生誤差。

（3）平衡錘入水改變浮子入水深度引起誤差。

（4）水位輪、懸索直徑公差形成誤差。

（5）環(huán)境溫度變化引起水位輪懸索尺寸變化造成誤差。

（6）機械傳動空程引起誤差。

（7）走時機構的時間誤差。

（8）人工確定初始水位精度不高產(chǎn)生誤差。

要消除水位計的誤差，一方面要選擇精度較高的儀器；另一方面還要加強用水尺讀數(shù)對水位計進行調整，使其讀數(shù)與水尺讀數(shù)相一致。

4.3 水位誤差產(chǎn)生的影響

由于壩前水位觀測這一基本資料存在一定的問題，由此導出的其它資料相繼也存在問題。如石頭河水庫流量出現(xiàn)負值的現(xiàn)象，1991年前比較普遍，有些入庫流量日平均值也為負值，1991年后日平均入庫流量負值現(xiàn)象基本沒有出現(xiàn)，但時段出庫流量為負值的現(xiàn)象仍然存在。如2008年有38次，2009年有21次，2010年有45次。當然，石頭河水庫的入庫流量由庫水位、庫容曲線、出庫流量、計算時段等幾個方面的數(shù)據(jù)推算所得，但庫水位是基本的數(shù)據(jù)，也是對入庫流量起主要決定作用的數(shù)據(jù)。在正常高水位801m時，水庫水位每升高或降低1cm，水量將增加或減少4萬m3，就是在771水位的情況下，庫水位每升高或降低1cm，水量也會水量將增加或減少2萬m3，特別是枯水季節(jié)，水庫水位對入庫流量的影響十分明顯。

5 建議

用于石頭河水庫壩前水位觀測的水尺刻度太大，建議在石頭河水庫大壩迎水面輸水洞放水塔左側適當位置按照1991年中華人民共和國頒布的《水位觀測標準》（GBJ 138—90），設置普通的直立式塘瓷水尺，并每年最少對水尺校測兩次以上。壩前水位觀測堅持以人工水尺水位為主，及時調整水位計使其與水尺的讀數(shù)一致，這樣才能使石頭河水庫的壩前水位觀測規(guī)范、準確。

簡單的方法就沿水位觀測斷面設置一組水尺樁。將水尺板固定在水尺靠樁上，構成直立水尺。水尺靠樁可采用木樁、鋼管、鋼筋混凝土等材料制成，水尺靠樁要求牢固，嵌入壩坡，避免發(fā)生下沉。水尺靠樁布設范圍應高于803m水位，低于歷年最低水位0.5m。水尺板通常是長1m，寬8cm～10cm的搪瓷板。相鄰兩水尺之間的水位要有一定的重合，重合范圍一般要求在0.1m～0.2m，以保證水位連續(xù)觀讀。

水尺板安裝后，需用四等以上水準測量的方法測定每支水尺的高程就是要觀測的水位值。

為了人人都能讀準水位，最好在水尺的周圍加上混凝土防浪墻，形成水位井，使水尺周圍的水面平穩(wěn)，更有利于觀測水位。

圖1 水位井設計圖

水位井沿觀測斷面每上升1m設置1個，也可預制后現(xiàn)場安裝，每個井的混凝土量為0.425m3。水尺槽的底部可設置一用螺絲調節(jié)高度的放置水尺的不銹鋼平臺，校正水尺時只要將不銹負平臺校正即可。

水位井能使水面平靜，也方便水尺的校測與調整，是精確觀測水位的最佳方案。經(jīng)在石頭河水庫東干渠、北干渠、西干渠使用，水位的觀測精度可控制在5mm以內，完全滿足壩前水位的觀測要求。

6 結論

石頭河水庫壩前水位觀測工作總體較好，能滿足水庫運行管理的要求。

但如果石頭河水庫壩前水尺觀測不規(guī)范，會造成水位觀測的精度較差，影響其它水文數(shù)據(jù)的正確計算。

建議石頭河水庫在放水塔或輸水洞工作橋排架上安設最小刻度為1cm的水尺或在壩坡迎水面設置水位井觀測壩前水位，并按規(guī)范要求維護水尺；每日8時人工觀測水尺水位，將預警系統(tǒng)的水位計作為輔助觀測水位的設施，每日8時與人工觀測的水位對比一次，誤差超過1mm時及時進行調整，確保石頭河水庫的壩前水位觀測規(guī)范、準確。※