劉都喜,曹勝利,白躍虎
(黃委中游水文水資源局,山西 晉中 030600)
黃河中游水文測區(qū)內(nèi)先后組建延安、榆次、榆林、府谷4個水文水資源勘測局。已有27個水文站非汛期簡化為固定日測流,11個站汛期實行校測,3個站實行間測,3個黃河干流站和2個重要支流控制站仍為駐測。按照目前測區(qū)內(nèi)測站分布和測站控制情況,利用測站附近現(xiàn)有的水利工程設(shè)施,可進一步簡化流量測驗、改善水位流量關(guān)系。
根據(jù)測區(qū)內(nèi)各測站實際情況開展研究,結(jié)合先進儀器、設(shè)備的引進和資料分析。實行一方面可以結(jié)合資料分析改善水位流量關(guān)系,保證必要的測驗精度,實現(xiàn)全面巡測,向無人值守過渡。同時可在未控區(qū)有水工建筑的河段設(shè)立斷面,建立未控區(qū)洪水測驗測站或調(diào)查點,投入較少的經(jīng)費,達到設(shè)站、增點,擴大資料收集面的目的。減少駐站人員,使更多的人力搞資料深加工分析。第三,結(jié)合應(yīng)用先進的儀器、設(shè)備,徹底改善水文職工的工作條件,避免了水上作業(yè)或高空作業(yè),有利于測驗安全。
總之,利用堰壩改善水位流量關(guān)系,能較大地提高流量測驗質(zhì)量,更好地滿足國民經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展對水文測驗提出新的要求。為進一步深化站隊結(jié)合工作,開拓測驗新途徑,具有很好的發(fā)展前景。
根據(jù)中游測區(qū)基層站測驗河段附近水工建筑及自然跌水較多的條件,利用水利工程、測站附近的滾水壩、自然跌水、橋梁控制等來建立較穩(wěn)定的水位流量關(guān)系。繼續(xù)在有條件的測站逐站開展比測試驗分析,研究適合各站特點的可操作性強的技術(shù)路線。對全面改進水文測驗方式,推行高標準的巡測,開展無人駐測和委托觀測,將是一個切實可行的途徑。
綜合過去對中游水文測區(qū)各站水位流量關(guān)系分析,認為影響二者關(guān)系穩(wěn)定的主要因素:一是斷面沖淤變化,二是洪水漲落影響。其中,最主要的是斷面沖淤變化的影響,由于中游測區(qū)內(nèi)干支流洪水暴漲暴落,并且多為高含沙水流,洪水過程斷面沖淤變化大,實測水深困難。用借用斷面面積計算流量誤差較大,一般可達15%~20%左右。利用滾水壩上游附近穩(wěn)定的或微沖微淤斷面,基本上克服了受斷面沖淤變化的影響,完全可以達到改善水位流量關(guān)系的目的。在有條件的水工建筑上游附近建立副斷面,設(shè)立一組水尺或安裝自記水位計,就可以由水位推算出較高精度的水文資料,比基本斷面建測流設(shè)施既投資少,又更安全,同時還減輕了水文職工的勞動強度。
在延安站基本斷面以上2.3 km處建有人工堰一座,用于給延惠渠引水,該人工堰高3.5 m,堰寬88 m,左岸邊有一寬2.6 m,深1.3 m的引水口。該引水口為無閘門控制,是常流水入口。1995年7月在堰頂上游92 m(設(shè)為副斷面)處安裝了“HW—1000型非接觸式超聲波水位計”,1996年比測了4次洪水過程,流量測次37次,流量范圍:2.5~1700 m3/s。
裴溝站滾水壩在基下140 m處,壩高1.2 m,壩寬約21.5 m,引水渠現(xiàn)在已廢棄。因該站斷面沖淤變化相對較小,所以,高水時水位流量(基本斷面水位在8.89 m以上、相應(yīng)流量在61.6 m3/s以上)關(guān)系較穩(wěn)定,歷年水位流量關(guān)系可綜合定為單一線。而該站中、低水水位流量關(guān)系較散亂,不能定為單一線。所以,在滾水壩上游20 m處設(shè)為副斷面(1),設(shè)立了一組水尺,基本斷面測流時觀測相應(yīng)水位,建立副斷面水位流量關(guān)系,目的是改善中水水位流量關(guān)系。水位在7.63 m以下,流量在2.33 m3/s以下,副斷面(1)的水位流量關(guān)系也不成單一線。另選基下200 m處天然測流槽,設(shè)立一組水尺作為付斷面(2),該斷面小水時水位流量關(guān)系為單一線。
裴溝站副斷面(1)距基本斷面距離較近,因此,比測試驗時選擇水流比較平穩(wěn)的時期,不考慮洪水傳播的影響,可以直接用基本斷面所測流量與副斷面相應(yīng)水位建立關(guān)系。
因該站副斷面距基本斷面較遠,所以,要考慮洪水傳播時間,即基本斷面來水滯后相應(yīng)堰上來水。
1)洪水傳播時間分析。分析副斷面至基本斷面洪水傳播時間與流量的關(guān)系,用實測流量相應(yīng)的斷面平均流速,代表該河段內(nèi)水流的平均流速。以兩斷面間距離除以實測流量平均流速,即得相應(yīng)流量下洪水傳播時間。以流量為縱坐標,計算的相應(yīng)傳播時間為橫坐標,點繪流量與傳播時間相關(guān)關(guān)系圖,二者關(guān)系較好,流量大,洪水傳播時間短,反之亦然。
2)副斷面水位與基本斷面水位關(guān)系分析。用基本斷面實測流量的平均時間,按其滯后時間返推,求出副斷面水位。以此水位與基本斷面相應(yīng)水位建立關(guān)系,二者關(guān)系較好,相關(guān)系數(shù)達0.998,低水關(guān)系稍差是由于低水位代表性較差的緣故。
3)副斷面水位流量關(guān)系分析?!端难矞y規(guī)范》規(guī)定,水位流量關(guān)系點據(jù)密集,分布呈帶狀,并無明顯偏離,系統(tǒng)誤差的絕對值二、三類站精度的水文站不大于2%,且流速儀法測流的實測關(guān)系點據(jù)與關(guān)系線間的定線誤差(不確定度)高、中水分別不大于10%,12%和12%,14%的允許誤差指標(浮標法和比降—面積法的定線允許誤差可分別增大1%~3%和 3%~5%),可定為單一線。
延安站副斷面水位流量關(guān)系中定線系統(tǒng)誤差為0.3%,不確定度為11.4%;低水水位流量關(guān)系散亂,不能定為單一線。
延安站因試驗資料系列較少、還有自記水位計故障、副斷面距站房較遠、低水水位流量關(guān)系不理想等原因,致使該方案還沒有正式投入應(yīng)用。
因該站不考慮洪水傳播的影響,所以,只分析副斷面(1)水位與流量的關(guān)系,二者關(guān)系較好,75%以上的測點與關(guān)系線的偏離相對誤差值不超±2.3%。定線系統(tǒng)誤差為1.0%,不確定度為 9.4%。
裴溝站中水水位流量關(guān)系可以定為單一線,用公式表示為:
式中:Q—流量,m3/s;Z—水位,m。
裴溝站根據(jù)測驗河段實際情況,基本斷面受沖淤變化影響,對中低水水位流量關(guān)系影響較大,使二者關(guān)系較復(fù)雜,不成單一線,高水時斷面沖淤變化所占比例相對較小,而斷面沖淤變化與流速變化又有相互補償?shù)淖饔?,故高水水位(水位?.89 m以上、相應(yīng)流量在61.5 m3/s以上)流量關(guān)系歷年可綜合定為單一線。中低水分別利用測驗河段附近滾水壩和天然測流槽的良好自然條件,分別在副斷面(1)和副斷面(2)實現(xiàn)水位流量關(guān)系單值化。即基本斷面水位在8.89 m以下,副斷面(1)水位在7.62 m至8.43 m之間;流量在2.12~61.5 m3/s之間,水位流量關(guān)系可定為單一線;副斷面(1)水位在7.62 m以下,相應(yīng)流量在2.12 m3/s以下,副斷面2水位流量可定為單一線。由此裴溝站高、中、低水,分別在基本斷面、副斷面(1)和副斷面(2)實現(xiàn)了水位流量關(guān)系單值化。該方案較為完善,因此,現(xiàn)已正式投入應(yīng)用。
由于影響中游水文測區(qū)水位流量關(guān)系的因素主要是斷面沖淤變化,而洪水時實測斷面困難,斷面沖淤變化又極為復(fù)雜,計算流量靠借用斷面誤差又較大,致使水位流量關(guān)系散亂。通過對延安、裴溝水文站堰壩水位流量關(guān)系的分析,結(jié)果表明:利用堰壩使中、高水水位流量關(guān)系得到了很大改善,水位流量關(guān)系能夠?qū)崿F(xiàn)單值化。這樣既比對基本斷面水位流量關(guān)系概化處理應(yīng)用簡便,又提高了資料精度;也比在基本斷面建測流設(shè)施投資少,也更安全。中游水文測區(qū)有較多水文站測驗河段附近有可供利用的水工建筑,所以,利用堰壩改善水位流量關(guān)系有著廣闊的應(yīng)用前景。
利用堰壩改善水位流量關(guān)系只能解決中、高水部分,低水部分還得另辟途徑。目前,裴溝站利用天然測流槽;大村、新市河、臨鎮(zhèn)、韓家峁等站修建人工控制低水測流槽都是行之有效的辦法。
由于過去測區(qū)內(nèi)大部分水文站水位靠人工觀測,因此,即使部分站測驗河段附近有水工建筑等條件,但因距站房較遠,觀測不方便等原因影響,各站普遍對此沒有積極性。所以,盡管有的水文站測驗河段附近有較好的條件也沒有充分利用起來。目前,HW—1000型非接觸式超聲波水位計已廣泛投入應(yīng)用,積累了一定的經(jīng)驗,在有條件的地方可以設(shè)立遙測自記水位計施測水位。如果副斷面距站房較遠,可以采用“無人值守、有人看管”的方式解決。