量水堰在流量測驗(yàn)中的應(yīng)用

◎王曉斌

水文

量水堰在流量測驗(yàn)中的應(yīng)用

◎王曉斌

1　測站特性

冶峪河發(fā)源于陜西省淳化縣北部的黃花山南麓，自北向南，于三原縣興劉村匯入清峪河，流域面積627km2，河長65km。在距冶峪河河口48km處，1960年設(shè)立淳化水文站，控制面積282km2。實(shí)測最大流量 524m3/s，實(shí)測最大流速7.27m/s，多年平均降水量601.9mm、多年平均蒸發(fā)量957.7mm、多年平均徑流量1255萬m3、多年平均輸沙量38.2萬t。

冶峪河淳化站屬渭北高原小面積區(qū)域代表站，國家基本站，測驗(yàn)項(xiàng)目主要有水位、流量、含沙量、降水、蒸發(fā)等。洪水由夏季暴雨和初秋連陰雨形成，多發(fā)生在7月～9月，洪峰漲落急劇，峰型瘦。沙峰一般比水峰滯后出現(xiàn)，有時(shí)也同時(shí)出現(xiàn)。水位流量關(guān)系比較穩(wěn)定呈單一線。測驗(yàn)河段順直，河床為沙卵石，沖淤變化大。斷面上游300m處有一灣道，左岸塌方影響水流偏向右岸，河段內(nèi)水流平穩(wěn)。中低水主流擺動(dòng)，高水較穩(wěn)定。

1985年冶峪河淳化站測驗(yàn)河段左岸數(shù)次塌方，主流擺動(dòng)，斷面控制破壞，測驗(yàn)條件變差，為了提高測驗(yàn)精度，改善測驗(yàn)條件，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，使流量單值化，陜西省水文總站于1991年11月修建淳化水文站人工斷面及量水堰，當(dāng)年年底完成，1992年1月批復(fù)并起用。

2　量水堰工程的設(shè)計(jì)

流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過某一過水?dāng)嗝娴乃浚话銣y驗(yàn)河段內(nèi)的流量越大，水位越高，流量越小，水位越低。天然河道中，水位與流量沒有固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因?yàn)橥瑯拥乃?，流量的大小，還與河道的斷面面積、比降、粗糙等有關(guān)。在河道內(nèi)安裝量水堰槽，由于堰的缺口或槽的縮口比河道的橫斷面面積小，因此，河道上游水位與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系主要取決于堰槽的幾何尺寸。同樣的量水堰槽放在不同的河道上，相同的水位對(duì)應(yīng)相同的流量，量水堰槽把流量轉(zhuǎn)成了水位。應(yīng)用中通過測量量水堰槽內(nèi)水流的水位，再根據(jù)相應(yīng)量水堰槽的水位～流量關(guān)系，反求出流量。

淳化站量水堰工程由量水堰和人工斷面組成，原設(shè)計(jì)為矩形斷面結(jié)合巴歇爾量水槽。后因工程量大，將壩寬由30m改為25m（后因河岸護(hù)堤修建縮窄為13.5m），巴歇爾量水槽改為半巴槽，堰高0.5m，從設(shè)計(jì)5m長改為2.35m，去掉了喉道以下部分。設(shè)計(jì)過水能力為348m3/s （20年一遇洪水），同時(shí)在量水堰側(cè)壁刻畫水尺一支，附近設(shè)立校核水準(zhǔn)點(diǎn)一處，具體見圖1。

3　量水堰的率定

量水堰建設(shè)好后隨即及開始了比測率定，每0.1cm布置2個(gè)～3個(gè)測次，除0～0.1m水位未出現(xiàn)外，0.1m～0.2m測流3次，0.2m～0.3m測流3次，0.3m～0.4m測流6次，0.4m～堰頂測流5次，共測流17次，每個(gè)測次均按照流量測驗(yàn)規(guī)范精測法要求布置5條垂線，采用100s歷時(shí)測速。通過17次實(shí)測流量點(diǎn)群重心繪制量水堰水位流量關(guān)系曲線并與理論曲線計(jì)算流量比較。設(shè)計(jì)1.5m喉寬巴歇爾量水堰理論曲線方程式為Q=3.668H1.586，繪制理論曲線圖與實(shí)測曲線比較，大部分重合，僅水位802.15m、802.78m，較實(shí)測曲線偏小23%，考慮測驗(yàn)誤差，確定以實(shí)測點(diǎn)與理論曲線建立水位流量關(guān)系曲線并進(jìn)行檢驗(yàn)，見圖2。根據(jù)《水文資料整編規(guī)范SL247-2012》要求進(jìn)行關(guān)系線檢驗(yàn)，其a值符號(hào)檢驗(yàn)采用0.25，適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)均采用0.1。符號(hào)檢驗(yàn)中正號(hào)個(gè)數(shù)為k=9，計(jì)算得u=0，小于臨界統(tǒng)計(jì)值u1a/2=1.15，合理；適線檢驗(yàn)中變換符號(hào)次數(shù)k=11，計(jì)算得u=0，小于臨界統(tǒng)計(jì)值u1a=1.28，合理；偏離數(shù)值檢驗(yàn)中p=-1.05，計(jì)算得t=-1.19，小于臨界統(tǒng)計(jì)值t1a/2=1.75，合理。標(biāo)準(zhǔn)差為3.9%，隨即不確定度7.6%，系統(tǒng)誤差-1.05%，出現(xiàn)最大誤差為-9.09%（含沙380kg/m3時(shí)測量）。

量水堰部分建立的關(guān)系線基本與理論曲線吻合，1992年得到陜西省水文總站批復(fù)使用，其流量計(jì)算公式為Q= 3.668H1.586，水位變幅822.50m～803.00m。

圖1淳化站量水堰和人工斷面平面圖

圖2　冶峪河淳化站量水堰水位流量關(guān)系圖

4　人工斷面的率定

淳化水文站在修建量水堰的同時(shí)修建了人工斷面，并在1992年～1997年對(duì)其進(jìn)行了率定測量，在量水堰堰頂水位803.00m以上每隔0.2m～0.3m布置一個(gè)測次，共布設(shè)流量35次，其中流速儀法施測20次，浮標(biāo)法施測15次，控制了水位變化過程。最高水位804.81m，最大流量167m3/s，經(jīng)過綜合定線其隨機(jī)不確定度為4.2%，平均誤差0.49%，最大誤差5.8%。

隨著2009年河堤的修建以及沿河兩岸工程的實(shí)施，使得人工斷面不再穩(wěn)定，在2011年冶峪河洪水中出現(xiàn)了繩套線關(guān)系。但是近年來當(dāng)?shù)乩^續(xù)治理沿河兩岸，將使淳化站觀測斷面趨于穩(wěn)定，其人工斷面有待再次率定，建立單一的水位流量關(guān)系，以便推流。

圖3　淳化站年最大流量和年測流次數(shù)歷時(shí)圖

5　流量測驗(yàn)方案

淳化水文站量水堰使用范圍為822.50m～803.00m，相應(yīng)流量0～1.22m3/s，在此范圍內(nèi)只需要觀測水位即可推流。具體方案為：量水堰附近的校核水準(zhǔn)點(diǎn)的高程每年汛前校測一次，汛期每遇洪水淹沒后或有變化跡象時(shí)及時(shí)校測。量水堰觀讀水尺的高程每年汛前、汛末校測各一次，汛期每次大洪水過后或者受到人為活動(dòng)影響時(shí)及時(shí)校測。量水堰水尺觀讀要求為：非汛期兩段制觀測即每日8時(shí)、20時(shí)（冬季可提前到18時(shí)）觀測2次，汛期四段制觀測即每日2時(shí)、8時(shí)、14時(shí)、20時(shí)觀測4次，洪水期增加測次，漲、落急劇時(shí)每0.1～0.5h測記一次（或坐守觀測），應(yīng)測得包括起漲、峰頂、峰谷及各個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，確保測得完整的水位變化過程，2013年修建雷達(dá)波水位計(jì)每5min自動(dòng)采集一次水位數(shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，詳實(shí)。流量測驗(yàn)執(zhí)行《河流流量測驗(yàn)規(guī)范GB50179-93》，在量水堰使用范圍內(nèi)根據(jù)陜西省水文水資源勘測局批復(fù)的流量計(jì)算公式推算，每個(gè)水位均推算出相應(yīng)流量。若超出量水堰使用范圍，低水測驗(yàn)以纜道為主，測速垂線不少于5條，垂線分布大致均勻，主槽較河灘為密，地形起伏和流速分布的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處布設(shè)垂線，靠近岸邊的垂線要盡量照顧到在各級(jí)水位下不致離水邊太遠(yuǎn)或太近，測點(diǎn)采用一點(diǎn)或多點(diǎn)法、單點(diǎn)測速歷時(shí)不少于100s；中高水時(shí)采用均勻浮標(biāo)法或中泓浮標(biāo)法，均勻浮標(biāo)法浮標(biāo)數(shù)目不少于10個(gè)；中泓浮標(biāo)法，有效浮標(biāo)數(shù)目不少于3個(gè)～5個(gè)。經(jīng)過用以上方案進(jìn)行流量測驗(yàn)工作，淳化水文站圓滿完成了各次洪水測驗(yàn)，歷年流量資料均符合《水文資料整編規(guī)范SL247-2012》的要求。

6　量水堰的使用效益分析

淳化站量水堰和人工斷面修建后流量測次大為減少，雖然后期由于河堤修建、洪水沖刷使得人工斷面有所變化，但是量水堰一直在穩(wěn)定使用。根據(jù)量水堰使用前后各20年（1971年～1991年、1992年～2011年）流量測驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，量水堰使用前20年中年最多測次為177次，最少為66次，年平均125次；量水堰使用后20年中年最多測次為31次，最少為0次，年平均10次，量水堰修建前后流量測次減少92%，歷年測次變化見圖3。這40年流量資料均經(jīng)過審核，均錄入中華人民共和國水文年鑒。淳化站工作人員由原來的4人減少到2人，節(jié)省了經(jīng)費(fèi)，保證了測驗(yàn)工作正常開展。

7　結(jié)語

冶峪河淳化水文站是目前陜西省國家基本站中為數(shù)不多使用量水堰測流的站，經(jīng)過二十多年使用其流量測驗(yàn)質(zhì)量穩(wěn)定，雖然人工斷面在洪水中有所變化，但其低水部分的量水堰一直穩(wěn)定使用，使得該站平水期幾乎不用測流，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了測驗(yàn)精度，值得向中小河流新建水文站推廣使用。陜西水利

［1］黃河水利出版社.水文測驗(yàn)學(xué).2014.9

［2］中國水利水電出版社.水文測驗(yàn)實(shí)用手冊(cè). 2013.5.

［3］中華人民共和國水利部.水文資料整編規(guī)范SL247-2012.2012.10.

［4］中華人民共和國水利部.河流流量測驗(yàn)規(guī)范GB50179-93.1993.7.

［5］陜西省水文水資源勘測局.陜西省水文站簡明手冊(cè).2004.12.

（責(zé)任編輯：王劍）

◆作者系陜西省水文水資源勘測局張家山水文站工程師