戰(zhàn)偉
中小河流雷達(dá)水位計(jì)在特大洪水測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用
戰(zhàn)偉
(吉林省水文水資源局白山分局,吉林白山134300)
中小河流水文站的雷達(dá)水位計(jì)通過2015年在吉林省開始使用至今,經(jīng)過三年的測(cè)驗(yàn)分析,已能滿足發(fā)生大洪水時(shí)的流量測(cè)驗(yàn)與預(yù)報(bào),由于雷達(dá)水位計(jì)是通過觀測(cè)上、下斷面的水位和測(cè)量斷面面積,通過比降面積法即曼寧公式的應(yīng)用,來實(shí)現(xiàn)對(duì)斷面流量的測(cè)量監(jiān)控。來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化測(cè)量,不但數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿楸O(jiān)控中心,為下游城鎮(zhèn)防汛做到耳目與尖兵的作用;又能保證以往測(cè)驗(yàn)人員的安全。
中小河流;雷達(dá)水位計(jì);特大洪水;測(cè)驗(yàn);比降面積法
中小河流水文站的建設(shè),采用上、下斷面各安裝一個(gè)雷達(dá)水位計(jì)的方式,可以對(duì)上、下比降斷面的水位實(shí)時(shí)觀測(cè)、傳輸,水情中心接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析計(jì)算,從而得到測(cè)驗(yàn)斷面的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)。安裝雷達(dá)水位計(jì)后,即使發(fā)生超歷史洪水,在人員無法正常觀測(cè)水位的時(shí)候,雷達(dá)水位計(jì)依然會(huì)測(cè)驗(yàn)到斷面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),這與常規(guī)水文站的流量測(cè)驗(yàn)有很大的改變與不同。不同的水位采取不同的測(cè)驗(yàn)方法:3.00 m以下采用涉水作業(yè);3.00~4.50 m采用船上作業(yè);4.50~6.00 m采用均勻浮標(biāo);6.00 m采用走航式多普勒剖面流速儀(ADCP);6.00 m以上采用天然浮標(biāo)(中泓)觀測(cè)臨時(shí)水尺水位、臨時(shí)比降水尺比將。
目前條件下常規(guī)水文站進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)工作時(shí)仍然存在著影響人員和設(shè)備安全的隱患。測(cè)驗(yàn)時(shí),雖然在河的兩岸架設(shè)了吊船移渡鋼索,上船測(cè)量人員身穿救生衣、攜帶安全斧等輔助設(shè)備,但由于山區(qū)性河流淌急,水中各類漂浮物眾多,仍對(duì)人員和儀器設(shè)備構(gòu)成嚴(yán)重安全危險(xiǎn)。小河站的特性是水位變化快、流速大、持續(xù)時(shí)間短,而且測(cè)量人員沒有進(jìn)行專業(yè)技能培訓(xùn)和應(yīng)急演練,專業(yè)監(jiān)測(cè)能力低,因此增加了存在安全隱患的可能性
大斷面河床為梯形,斷面河床由護(hù)提、卵石、沙土組成,河床沖淤嚴(yán)重。水文站水尺設(shè)在右岸,基本水尺斷面以上170 m處為浮標(biāo)投放斷面,設(shè)有浮標(biāo)投放器。右岸為菜地和房屋,在江堤與菜地之間有1條3 m寬的沿河路;左岸為高山,左岸與山體之間是7 m寬的沿河路,是進(jìn)行浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)的工作場(chǎng)所。當(dāng)水位達(dá)到6 m以上,左岸延河路開始上水,浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)存在危險(xiǎn)。
在基本斷面下游300 m處,為3洞拱橋,當(dāng)水位達(dá)到6 m時(shí),橋身阻水嚴(yán)重,存在橋塌的危險(xiǎn)。此橋?yàn)闇y(cè)量浮標(biāo)時(shí)儀器的設(shè)立場(chǎng)所,也是公路段上出村的必經(jīng)之路。
在此站上游8 000 m處是小湖電站,電站集水面積703 km2,庫容25萬m3。在洪水期,水電站放水會(huì)直接導(dǎo)致水位流量急劇增加,如果在此期間進(jìn)行河道上作業(yè),急劇上漲的河水會(huì)對(duì)作業(yè)人員造成生命危險(xiǎn),同時(shí)還存在垮壩的危險(xiǎn)。
雷達(dá)水位計(jì)能及時(shí)、準(zhǔn)確地推算出實(shí)時(shí)流量,一方面是實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化的傳輸技術(shù),將觀測(cè)、傳輸、接收融為一體,通過SIM卡和衛(wèi)星頭雙重保障的高科技方法;另一方面是其計(jì)算方法——比降面積法,此方法是適用于河流不能采用精度較高的測(cè)流方法施測(cè)流量時(shí)的近似計(jì)算方法。
比降面積法是用河段水面比降與斷面面積作為主要因素計(jì)算流量的一種方法,用在以下情況:在稀遇洪水無法用流速儀法、浮標(biāo)法施測(cè)時(shí),為確定水位流量關(guān)系曲線高水端的極點(diǎn),以延長(zhǎng)水位流量關(guān)系曲線;在水位流量關(guān)系穩(wěn)定的測(cè)站進(jìn)行停測(cè)和開展巡測(cè)工作;在水利規(guī)劃中進(jìn)行歷史洪水調(diào)查。
糙率n為中小河流水文站在上、下比降斷面各建設(shè)一個(gè)雷達(dá)水位計(jì),觀測(cè)上、下比降水位,并點(diǎn)繪Z~n曲線,見圖1。
橫斷面測(cè)量應(yīng)盡可能和水位觀測(cè)同時(shí)進(jìn)行,在測(cè)驗(yàn)河段內(nèi)一般不少于3個(gè)斷面。
河段平均斷面面積 A-的計(jì)算:
河段選擇的條件,必須滿足測(cè)站布設(shè)中比降水尺河段選擇的條件,為了保證精度,河段水面落差至少要10倍于落差觀測(cè)誤差。河段內(nèi)要求河槽穩(wěn)定,糙率穩(wěn)定,精度較高。
圖1 中小河流水文站水位Z與糙率n關(guān)系圖
三道溝門水文站的水文測(cè)驗(yàn)歷來高度重視安全生產(chǎn)工作,對(duì)水文防汛測(cè)報(bào)都是早計(jì)劃、早布置、早安排,確保安全度汛。根據(jù)現(xiàn)有的配備情況,為迎接特大洪水,做出以下具體測(cè)驗(yàn)方案:
1)與上游水電站的聯(lián)絡(luò)保持暢通,隨時(shí)掌握最新的水情信息;在水電站出水河段安裝雨水情遙測(cè)系統(tǒng),隨時(shí)可以觀測(cè)及預(yù)報(bào)出降水量和排水量的數(shù)據(jù),做到提前準(zhǔn)備,及時(shí)做出應(yīng)對(duì)方案。
2)在出現(xiàn)大洪水時(shí),如果在指定浮標(biāo)斷面不能安全進(jìn)行浮標(biāo)測(cè)驗(yàn),則在橋上使用走航式多普勒剖面流速儀(ADCP)進(jìn)行測(cè)流(由于漂浮物多、流速大,平時(shí)不建議使用)。
3)在出現(xiàn)特大洪水時(shí),橋上作業(yè)也存在危險(xiǎn),應(yīng)及時(shí)向政府和防汛工作人員建議,村民撤離到地勢(shì)高的山上。選擇順直河道進(jìn)行天然浮標(biāo)(中泓)測(cè)驗(yàn);設(shè)立臨時(shí)水尺觀測(cè)水位、臨時(shí)比降水尺觀測(cè)比將,計(jì)算出兩山之間的斷面面積推算流量,同時(shí)用比將面積法計(jì)算流量,做好防汛抗洪的數(shù)據(jù)保障工作。
當(dāng)洪水退落后,及時(shí)觀測(cè)洪痕,測(cè)量最高水位內(nèi)的所有斷面轉(zhuǎn)折點(diǎn),精確的計(jì)算出洪水的流量。天然浮標(biāo)(中泓)法和水位--流量關(guān)系曲線延長(zhǎng)法的高水延長(zhǎng)的主要依據(jù)是實(shí)測(cè)大斷面資料。這兩種方法都是在斷面沖淤變化不大時(shí),一般可用斷面流量計(jì)算公式:
式中:Q為流量,m3/s;Kmf為中泓浮標(biāo)系數(shù);Vmax為中泓流速,m/s;F 為斷面面積,m2。
和用水位面積、水位流速關(guān)系曲線法及水力學(xué)公式法延長(zhǎng)。但對(duì)于河床沖淤嚴(yán)重的水文站,以上2種方法都不適合。因此,在特大洪水時(shí)使用可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上、下斷面水位變化情況的雷達(dá)水位計(jì)來觀測(cè)上、下比降斷面的水位,從而使用比降面積法推算出實(shí)時(shí)流量最為適用。以某站2015年第31次流量為例,見表1、圖2。測(cè)站施測(cè)時(shí)間是2015年8月30日9時(shí)到10時(shí),水位5.28 m,平均流速0.16 m/s,最大測(cè)點(diǎn)流速3.07 m/s,斷面流量178 m3/s,斷面面積82.4 m2,水面寬63 m,平均水深1.31 m,最大水深1.95 m。
表1某站2015年第31次流量計(jì)算表
因此 Q=82.4×2.15=177 m3/s。
比降面積法算出的流量為177 m3/s,正常測(cè)驗(yàn)算的流量為178 m3/s,其誤差為0.56%小于高水允許誤差(3%),因此使用比降面積法計(jì)算成果合理。
圖2 某中小河流水文站大斷面圖
經(jīng)過以上計(jì)算成果證明,安裝雷達(dá)水位計(jì)的中小河流水文站在發(fā)生特大洪水時(shí)候,當(dāng)其他測(cè)驗(yàn)方法難以進(jìn)行安全測(cè)驗(yàn)的情況下,適合使用比降面積法計(jì)算。
雖然比降面積法計(jì)算成果在誤差允許范圍內(nèi),但是用此方法計(jì)算的結(jié)果在資料整編時(shí)被定為三極品,是在不能采用精度較高的測(cè)流方法施測(cè)流量時(shí)的近似計(jì)算方法。因此,平時(shí)不使用此方法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。
P332 < class="emphasis_bold"> [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B
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1002—0624(2017)12—0048—02
2017-08-16