靜水法在校測(cè)南水北調(diào)東線渠段水位中的應(yīng)用

宋 翔，呂曉理，趙文聚

(1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109；2.濟(jì)南市水文局，山東 濟(jì)南 250013)

由于南水北調(diào)東線山東段全線缺乏統(tǒng)一的高程控制網(wǎng)，沿線水位不能統(tǒng)一且無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定，目前的水位仍根據(jù)設(shè)計(jì)閘底板(或翼墻頂)高程進(jìn)行標(biāo)定。通過(guò)幾次輸水運(yùn)行，水位不準(zhǔn)、不統(tǒng)一的問(wèn)題逐漸暴露，已經(jīng)對(duì)沿線生產(chǎn)調(diào)度產(chǎn)生了一定影響。為了盡快解決全線水位校準(zhǔn)問(wèn)題，在沒(méi)有全線統(tǒng)一的已知高程控制網(wǎng)的情況下，2014—2015年度通水結(jié)束后，我們以濟(jì)平干渠為試點(diǎn)，通過(guò)關(guān)閉閘門，在相鄰兩節(jié)制閘之間形成靜態(tài)水面，利用該靜水面?zhèn)鬟f高程，并結(jié)合局部水準(zhǔn)測(cè)量，推求各節(jié)點(diǎn)高程，以校準(zhǔn)水尺安裝高程。

1 濟(jì)平干渠工程概況

濟(jì)平干渠是南水北調(diào)東線一期工程的骨干工程之一，是向膠東輸水的首段工程，位于山東濟(jì)南至東平湖之間，全長(zhǎng)90km。工程設(shè)計(jì)引水流量50m3/s，多年平均引水量8.76億m3。工程于2002年12月開工，2005年12月竣工，2006年12月通過(guò)由山東省南水北調(diào)工程建設(shè)指揮部主持的竣工驗(yàn)收，共設(shè)有節(jié)制閘13座，是全國(guó)南水北調(diào)第一個(gè)建成并發(fā)揮效益的單項(xiàng)工程。

2 靜水法校測(cè)水位的方法與原理

2.1 方法描述

遠(yuǎn)距離調(diào)水渠道為了保證分水口水位和輸水運(yùn)行安全，在輸水渠道上每隔一定距離設(shè)一座節(jié)制閘。節(jié)制閘間距與渠道縱向比降等因素有關(guān)，一般情況下，在正常輸水時(shí)關(guān)閉上下游節(jié)制閘后兩閘之間能形成連續(xù)靜水面。在渠道輸水結(jié)束時(shí)，自上而下適時(shí)關(guān)閉節(jié)制閘，能在各渠段分別形成連續(xù)靜水面。該靜水面重力勢(shì)能相等，是水準(zhǔn)意義的等高面，用于高程的傳遞符合水準(zhǔn)高程傳遞原理。

利用該靜水面?zhèn)鬟f高程，通過(guò)讀取相鄰閘(倒虹吸)間的水尺讀數(shù)求得兩水尺的安裝基準(zhǔn)高差，利用水準(zhǔn)測(cè)量法可求取同一座閘閘上、閘下水尺的基準(zhǔn)高差，選取一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的觀測(cè)基點(diǎn)作為起算點(diǎn)，即可推求各節(jié)點(diǎn)控制點(diǎn)(水尺零點(diǎn)、翼墻頂?shù)?的準(zhǔn)確高程。

2.2 靜水法的特點(diǎn)

利用靜水法推求水位具有如下特點(diǎn)。

(1)校測(cè)速度快，可以在較短時(shí)間內(nèi)校核較長(zhǎng)線路上的閘前后水位。

(2)不需要全線具備高程網(wǎng)，僅利用個(gè)別已知高程點(diǎn)即可推求，節(jié)省了大量水準(zhǔn)測(cè)量工作，彌補(bǔ)了缺乏全線控制網(wǎng)的缺陷。

(3)精度較高，誤差積累較少，主要誤差來(lái)源為觀測(cè)水位誤差。

(4)校核方便，可以用線路上任意已知高程點(diǎn)進(jìn)行校核。

2.3 基本原理

(1)同一閘上下游翼墻頂高差測(cè)量

在上、下游翼墻頂設(shè)立水準(zhǔn)尺，通過(guò)水準(zhǔn)儀觀測(cè)上、下游水尺讀數(shù)，假設(shè)上游讀數(shù)為a，下游讀數(shù)為b，即可獲得上、下游翼墻頂高差，計(jì)算公式為：

ΔH上下=a-b

(1)

若知道某閘上游翼墻頂?shù)恼鎸?shí)高程H上，則利用上面的高差，即可求得下游翼墻頂真實(shí)高程，計(jì)算公式為：

H下=H上+ΔH上下

(2)

同理知道某閘下游翼墻頂?shù)恼鎸?shí)高程H下，可以求得上游翼墻頂真實(shí)高程，計(jì)算公式為：

H上=H下-ΔH上下

(3)

(2)相鄰閘間高程利用靜水面進(jìn)行傳遞公式

圖1 相鄰閘間高程示意圖

如圖1所示，當(dāng)渠道形成靜水面時(shí)，相鄰兩座閘間，前一座閘的下游真實(shí)水位與后一座閘的上游真實(shí)水位是相等的。設(shè)已知相鄰閘前一閘下和后一閘上翼墻頂真實(shí)高程分別為H前下和H后上，則

H前下-(d-f)=H后上-(c-e)

(4)

若已知H前下，則：

H后上=H前下-(d-f)+(c-e) =H前下-d+c+(f-e)

(5)

若已知H后上，則：

H前下=H后上+d-c-(f-e)

(6)

式中，d—前一閘下翼墻頂至水尺零點(diǎn)的高差，d=f1+d1；c—后一閘上翼墻頂至水尺零點(diǎn)的高差，c=e1+d2；f，e—前一閘下和后一閘上水尺讀數(shù)。

對(duì)于固定在翼墻上的水尺，其尺頂刻度數(shù)f1、e1為已知，翼墻頂至水尺頂?shù)母卟頳1、d2可采用水準(zhǔn)測(cè)量或鋼尺測(cè)量求得。

由公式(5)可知，相鄰兩座閘之間翼墻頂高程間的關(guān)系與水尺水位讀數(shù)、翼墻頂與水尺零點(diǎn)高差有關(guān)。僅量測(cè)水尺頂點(diǎn)與翼墻頂高差，觀測(cè)量為水位，符合現(xiàn)場(chǎng)日常觀測(cè)水位習(xí)慣。

根據(jù)公式(2)可求得該閘下游翼墻頂真實(shí)高程，再根據(jù)公式(5)又可求得后一座閘上游翼墻頂真實(shí)高程，進(jìn)而向下繼續(xù)傳遞，最終求得各閘上、下游翼墻頂真實(shí)高程。

(3)基準(zhǔn)點(diǎn)高程測(cè)量

按照靜水法原理，只要已知一個(gè)相對(duì)精確的高程點(diǎn)，用該點(diǎn)精確測(cè)量某個(gè)閘的上游或下游翼墻頂真實(shí)高程，就可利用靜水法推求線路上其他各閘的上下游翼墻頂真實(shí)高程。

基準(zhǔn)點(diǎn)高程值通過(guò)聯(lián)測(cè)CORS站獲取。對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)靜態(tài)觀測(cè)，并與山東省CORS中心站進(jìn)行聯(lián)測(cè)，經(jīng)CORS中心解算及似大地水準(zhǔn)面精化模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后得到1985國(guó)家高程基準(zhǔn)成果。

3 靜水法校測(cè)水位的實(shí)施過(guò)程及步驟

(1)檢查節(jié)制閘前后的水尺，對(duì)閘(倒虹吸)前后沒(méi)有水尺的，應(yīng)盡快設(shè)置水尺，水尺高度應(yīng)滿足觀測(cè)靜態(tài)水位的要求，水尺應(yīng)標(biāo)注刻度值。在水尺正上方翼墻頂端確定高程觀測(cè)點(diǎn)，用紅油漆做好標(biāo)記。

(2)用水準(zhǔn)儀測(cè)量節(jié)制閘上下游翼墻頂紅油漆處高程差，然后用鋼卷尺測(cè)量紅油漆至水尺頂點(diǎn)的距離，得出紅油漆處的原始高程。測(cè)量結(jié)果填入高差測(cè)量記錄表。

(3)根據(jù)調(diào)度統(tǒng)一指令，各測(cè)控單元輸水結(jié)束時(shí)分別同時(shí)落下閘門。

(4)對(duì)坡降較大的渠段，閘下游若水少，無(wú)法觀測(cè)閘下水位，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)水，使其水深滿足3～5d連續(xù)觀測(cè)要求；對(duì)于個(gè)別節(jié)制閘關(guān)閘后漏水，無(wú)法形成穩(wěn)定靜水面的，可不關(guān)此閘，使該閘上下游連為同一靜水面。

(5)關(guān)閘后，經(jīng)過(guò)12h待水位穩(wěn)定后開始觀測(cè)，每天觀測(cè)閘上下游水位，早上8時(shí)、下午16時(shí)各記錄一次，觀測(cè)結(jié)果填入水位觀測(cè)記錄表，連續(xù)觀測(cè)3d，若遇大風(fēng)、降雨天氣或有外水進(jìn)入渠道等導(dǎo)致水面不穩(wěn)應(yīng)順延觀測(cè)時(shí)間，并記錄影響造成的異常數(shù)據(jù)。

(6)利用較準(zhǔn)確的觀測(cè)基點(diǎn)高程結(jié)合各節(jié)點(diǎn)靜水法所測(cè)上、下游高差，推求各節(jié)點(diǎn)高程。

4 靜水法校測(cè)水位的精度評(píng)估

4.1 誤差分析

根據(jù)靜水法的基本原理，相鄰節(jié)制閘閘間靜水法誤差來(lái)源主要為兩端的量測(cè)誤差和觀測(cè)誤差，量測(cè)誤差為水尺頂點(diǎn)至翼墻頂距離的測(cè)量誤差，由于兩者距離很近，易于量測(cè)，用水準(zhǔn)或鋼卷尺都能精確量測(cè)到毫米級(jí)；觀測(cè)誤差中水尺頂點(diǎn)讀數(shù)按照水文習(xí)慣都是整數(shù)位，不存在估讀問(wèn)題，所以觀測(cè)誤差主要為水位的觀測(cè)誤差，這個(gè)讀數(shù)誤差主要受水面不穩(wěn)、風(fēng)浪等因素的影響，可以采用多次讀數(shù)取平均來(lái)提高觀測(cè)精度，按照水文要求，每次讀數(shù)精度是厘米級(jí)，可認(rèn)為其一次測(cè)量的中誤差為10mm。為了控制和減少靜水法的量測(cè)誤差，可增加測(cè)次。

對(duì)受風(fēng)向風(fēng)力引起的水面波動(dòng)影響會(huì)造成較大誤差的偶然誤差，需要通過(guò)增加測(cè)次和剔除受風(fēng)影響偏差較大的數(shù)據(jù)來(lái)解決。當(dāng)閘間距較大、水面較開闊時(shí)，水面波的傳播周期較長(zhǎng)，水面不穩(wěn)，也會(huì)造成較大誤差，可通過(guò)延長(zhǎng)觀測(cè)期增加觀測(cè)頻次控制誤差。

4.2 精度評(píng)估

5 結(jié)語(yǔ)

在南水北調(diào)東線山東段全線缺乏統(tǒng)一高精度控制網(wǎng)的情況下，為了解決全線水位準(zhǔn)確性和統(tǒng)一性問(wèn)題，采用靜水法進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)關(guān)閉閘門，在相鄰兩節(jié)制閘之間形成靜態(tài)水面，利用該靜水面?zhèn)鬟f高程，并在多處進(jìn)行了符合驗(yàn)證，實(shí)踐證明該方法是行之有效的，可以進(jìn)一步推廣應(yīng)用，較快地解決了全線水位校核問(wèn)題，并對(duì)該方法的誤差來(lái)源及精度進(jìn)行了分析，認(rèn)為當(dāng)閘間距大于5.8km時(shí)，靜水法測(cè)高差滿足三等水準(zhǔn)限差要求。