量水堰在流量测验中的应用

2016-08-12王晓斌

陕西水利 2016年2期

关键词：测流水文站测验

◎王晓斌

水文

量水堰在流量测验中的应用

◎王晓斌

1　测站特性

冶峪河发源于陕西省淳化县北部的黄花山南麓，自北向南，于三原县兴刘村汇入清峪河，流域面积627km2，河长65km。在距冶峪河河口48km处，1960年设立淳化水文站，控制面积282km2。实测最大流量 524m3/s，实测最大流速7.27m/s，多年平均降水量601.9mm、多年平均蒸发量957.7mm、多年平均径流量1255万m3、多年平均输沙量38.2万t。

冶峪河淳化站属渭北高原小面积区域代表站，国家基本站，测验项目主要有水位、流量、含沙量、降水、蒸发等。洪水由夏季暴雨和初秋连阴雨形成，多发生在7月～9月，洪峰涨落急剧，峰型瘦。沙峰一般比水峰滞后出现，有时也同时出现。水位流量关系比较稳定呈单一线。测验河段顺直，河床为沙卵石，冲淤变化大。断面上游300m处有一湾道，左岸塌方影响水流偏向右岸，河段内水流平稳。中低水主流摆动，高水较稳定。

1985年冶峪河淳化站测验河段左岸数次塌方，主流摆动，断面控制破坏，测验条件变差，为了提高测验精度，改善测验条件，降低劳动强度，使流量单值化，陕西省水文总站于1991年11月修建淳化水文站人工断面及量水堰，当年年底完成，1992年1月批复并起用。

2　量水堰工程的设计

流量是指单位时间内通过某一过水断面的水量，一般测验河段内的流量越大，水位越高，流量越小，水位越低。天然河道中，水位与流量没有固定的对应关系，因为同样的水深，流量的大小，还与河道的断面面积、比降、粗糙等有关。在河道内安装量水堰槽，由于堰的缺口或槽的缩口比河道的横断面面积小，因此，河道上游水位与流量的对应关系主要取决于堰槽的几何尺寸。同样的量水堰槽放在不同的河道上，相同的水位对应相同的流量，量水堰槽把流量转成了水位。应用中通过测量量水堰槽内水流的水位，再根据相应量水堰槽的水位～流量关系，反求出流量。

淳化站量水堰工程由量水堰和人工断面组成，原设计为矩形断面结合巴歇尔量水槽。后因工程量大，将坝宽由30m改为25m（后因河岸护堤修建缩窄为13.5m），巴歇尔量水槽改为半巴槽，堰高0.5m，从设计5m长改为2.35m，去掉了喉道以下部分。设计过水能力为348m3/s （20年一遇洪水），同时在量水堰侧壁刻画水尺一支，附近设立校核水准点一处，具体见图1。

3　量水堰的率定

量水堰建设好后随即及开始了比测率定，每0.1cm布置2个～3个测次，除0～0.1m水位未出现外，0.1m～0.2m测流3次，0.2m～0.3m测流3次，0.3m～0.4m测流6次，0.4m～堰顶测流5次，共测流17次，每个测次均按照流量测验规范精测法要求布置5条垂线，采用100s历时测速。通过17次实测流量点群重心绘制量水堰水位流量关系曲线并与理论曲线计算流量比较。设计1.5m喉宽巴歇尔量水堰理论曲线方程式为Q=3.668H1.586，绘制理论曲线图与实测曲线比较，大部分重合，仅水位802.15m、802.78m，较实测曲线偏小23%，考虑测验误差，确定以实测点与理论曲线建立水位流量关系曲线并进行检验，见图2。根据《水文资料整编规范SL247-2012》要求进行关系线检验，其a值符号检验采用0.25，适线检验和偏离数值检验均采用0.1。符号检验中正号个数为k=9，计算得u=0，小于临界统计值u1a/2=1.15，合理；适线检验中变换符号次数k=11，计算得u=0，小于临界统计值u1a=1.28，合理；偏离数值检验中p=-1.05，计算得t=-1.19，小于临界统计值t1a/2=1.75，合理。标准差为3.9%，随即不确定度7.6%，系统误差-1.05%，出现最大误差为-9.09%（含沙380kg/m3时测量）。

量水堰部分建立的关系线基本与理论曲线吻合，1992年得到陕西省水文总站批复使用，其流量计算公式为Q= 3.668H1.586，水位变幅822.50m～803.00m。

图1淳化站量水堰和人工断面平面图

图2　冶峪河淳化站量水堰水位流量关系图

4　人工断面的率定

淳化水文站在修建量水堰的同时修建了人工断面，并在1992年～1997年对其进行了率定测量，在量水堰堰顶水位803.00m以上每隔0.2m～0.3m布置一个测次，共布设流量35次，其中流速仪法施测20次，浮标法施测15次，控制了水位变化过程。最高水位804.81m，最大流量167m3/s，经过综合定线其随机不确定度为4.2%，平均误差0.49%，最大误差5.8%。

随着2009年河堤的修建以及沿河两岸工程的实施，使得人工断面不再稳定，在2011年冶峪河洪水中出现了绳套线关系。但是近年来当地继续治理沿河两岸，将使淳化站观测断面趋于稳定，其人工断面有待再次率定，建立单一的水位流量关系，以便推流。

图3　淳化站年最大流量和年测流次数历时图

5　流量测验方案

淳化水文站量水堰使用范围为822.50m～803.00m，相应流量0～1.22m3/s，在此范围内只需要观测水位即可推流。具体方案为：量水堰附近的校核水准点的高程每年汛前校测一次，汛期每遇洪水淹没后或有变化迹象时及时校测。量水堰观读水尺的高程每年汛前、汛末校测各一次，汛期每次大洪水过后或者受到人为活动影响时及时校测。量水堰水尺观读要求为：非汛期两段制观测即每日8时、20时（冬季可提前到18时）观测2次，汛期四段制观测即每日2时、8时、14时、20时观测4次，洪水期增加测次，涨、落急剧时每0.1～0.5h测记一次（或坐守观测），应测得包括起涨、峰顶、峰谷及各个转折点，确保测得完整的水位变化过程，2013年修建雷达波水位计每5min自动采集一次水位数据，观测数据稳定，详实。流量测验执行《河流流量测验规范GB50179-93》，在量水堰使用范围内根据陕西省水文水资源勘测局批复的流量计算公式推算，每个水位均推算出相应流量。若超出量水堰使用范围，低水测验以缆道为主，测速垂线不少于5条，垂线分布大致均匀，主槽较河滩为密，地形起伏和流速分布的转折点处布设垂线，靠近岸边的垂线要尽量照顾到在各级水位下不致离水边太远或太近，测点采用一点或多点法、单点测速历时不少于100s；中高水时采用均匀浮标法或中泓浮标法，均匀浮标法浮标数目不少于10个；中泓浮标法，有效浮标数目不少于3个～5个。经过用以上方案进行流量测验工作，淳化水文站圆满完成了各次洪水测验，历年流量资料均符合《水文资料整编规范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断面修建后流量测次大为减少，虽然后期由于河堤修建、洪水冲刷使得人工断面有所变化，但是量水堰一直在稳定使用。根据量水堰使用前后各20年（1971年～1991年、1992年～2011年）流量测验资料统计发现，量水堰使用前20年中年最多测次为177次，最少为66次，年平均125次；量水堰使用后20年中年最多测次为31次，最少为0次，年平均10次，量水堰修建前后流量测次减少92%，历年测次变化见图3。这40年流量资料均经过审核，均录入中华人民共和国水文年鉴。淳化站工作人员由原来的4人减少到2人，节省了经费，保证了测验工作正常开展。