宋 翔，呂曉理，趙文聚

(1.南水北調(diào)東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109；2.濟南市水文局，山東 濟南 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)一且無法準確測定，目前的水位仍根據(jù)設(shè)計閘底板(或翼墻頂)高程進行標定。通過幾次輸水運行，水位不準、不統(tǒng)一的問題逐漸暴露，已經(jīng)對沿線生產(chǎn)調(diào)度產(chǎn)生了一定影響。為了盡快解決全線水位校準問題，在沒有全線統(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，我們以濟平干渠為試點，通過關(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)合局部水準測量，推求各節(jié)點高程，以校準水尺安裝高程。

1 濟平干渠工程概況

濟平干渠是南水北調(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，位于山東濟南至東平湖之間，全長90km。工程設(shè)計引水流量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月通過由山東省南水北調(diào)工程建設(shè)指揮部主持的竣工驗收，共設(shè)有節(jié)制閘13座，是全國南水北調(diào)第一個建成并發(fā)揮效益的單項工程。

2 靜水法校測水位的方法與原理

2.1 方法描述

遠距離調(diào)水渠道為了保證分水口水位和輸水運行安全，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，自上而下適時關(guān)閉節(jié)制閘，能在各渠段分別形成連續(xù)靜水面。該靜水面重力勢能相等，是水準意義的等高面，用于高程的傳遞符合水準高程傳遞原理。

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

2.2 靜水法的特點

利用靜水法推求水位具有如下特點。

(1)校測速度快，可以在較短時間內(nèi)校核較長線路上的閘前后水位。

(2)不需要全線具備高程網(wǎng)，僅利用個別已知高程點即可推求，節(jié)省了大量水準測量工作，彌補了缺乏全線控制網(wǎng)的缺陷。

(3)精度較高，誤差積累較少，主要誤差來源為觀測水位誤差。

(4)校核方便，可以用線路上任意已知高程點進行校核。

2.3 基本原理

(1)同一閘上下游翼墻頂高差測量

在上、下游翼墻頂設(shè)立水準尺，通過水準儀觀測上、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，計算公式為：

ΔH上下=a-b

(1)

若知道某閘上游翼墻頂?shù)恼鎸嵏叱蘃上，則利用上面的高差，即可求得下游翼墻頂真實高程，計算公式為：

H下=H上+ΔH上下

(2)

同理知道某閘下游翼墻頂?shù)恼鎸嵏叱蘃下，可以求得上游翼墻頂真實高程，計算公式為：

H上=H下-ΔH上下

(3)

(2)相鄰閘間高程利用靜水面進行傳遞公式

圖1 相鄰閘間高程示意圖

如圖1所示，當渠道形成靜水面時，相鄰兩座閘間，前一座閘的下游真實水位與后一座閘的上游真實水位是相等的。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的高差，d=f1+d1；c—后一閘上翼墻頂至水尺零點的高差，c=e1+d2；f，e—前一閘下和后一閘上水尺讀數(shù)。

對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可采用水準測量或鋼尺測量求得。

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)、翼墻頂與水尺零點高差有關(guān)。僅量測水尺頂點與翼墻頂高差，觀測量為水位，符合現(xiàn)場日常觀測水位習慣。

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

(3)基準點高程測量

按照靜水法原理，只要已知一個相對精確的高程點，用該點精確測量某個閘的上游或下游翼墻頂真實高程，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高程。

基準點高程值通過聯(lián)測CORS站獲取。對基準點進行連續(xù)靜態(tài)觀測，并與山東省CORS中心站進行聯(lián)測，經(jīng)CORS中心解算及似大地水準面精化模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后得到1985國家高程基準成果。

3 靜水法校測水位的實施過程及步驟

(1)檢查節(jié)制閘前后的水尺，對閘(倒虹吸)前后沒有水尺的，應(yīng)盡快設(shè)置水尺，水尺高度應(yīng)滿足觀測靜態(tài)水位的要求，水尺應(yīng)標注刻度值。在水尺正上方翼墻頂端確定高程觀測點，用紅油漆做好標記。

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

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

(4)對坡降較大的渠段，閘下游若水少，無法觀測閘下水位，應(yīng)進行適當補水，使其水深滿足3～5d連續(xù)觀測要求；對于個別節(jié)制閘關(guān)閘后漏水，無法形成穩(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12h待水位穩(wěn)定后開始觀測，每天觀測閘上下游水位，早上8時、下午16時各記錄一次，觀測結(jié)果填入水位觀測記錄表，連續(xù)觀測3d，若遇大風、降雨天氣或有外水進入渠道等導(dǎo)致水面不穩(wěn)應(yīng)順延觀測時間，并記錄影響造成的異常數(shù)據(jù)。

(6)利用較準確的觀測基點高程結(jié)合各節(jié)點靜水法所測上、下游高差，推求各節(jié)點高程。

4 靜水法校測水位的精度評估

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源主要為兩端的量測誤差和觀測誤差，量測誤差為水尺頂點至翼墻頂距離的測量誤差，由于兩者距離很近，易于量測，用水準或鋼卷尺都能精確量測到毫米級；觀測誤差中水尺頂點讀數(shù)按照水文習慣都是整數(shù)位，不存在估讀問題，所以觀測誤差主要為水位的觀測誤差，這個讀數(shù)誤差主要受水面不穩(wěn)、風浪等因素的影響，可以采用多次讀數(shù)取平均來提高觀測精度，按照水文要求，每次讀數(shù)精度是厘米級，可認為其一次測量的中誤差為10mm。為了控制和減少靜水法的量測誤差，可增加測次。

對受風向風力引起的水面波動影響會造成較大誤差的偶然誤差，需要通過增加測次和剔除受風影響偏差較大的數(shù)據(jù)來解決。當閘間距較大、水面較開闊時，水面波的傳播周期較長，水面不穩(wěn)，也會造成較大誤差，可通過延長觀測期增加觀測頻次控制誤差。

4.2 精度評估

5 結(jié)語

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確性和統(tǒng)一性問題，采用靜水法進行觀測，通過關(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，并在多處進行了符合驗證，實踐證明該方法是行之有效的，可以進一步推廣應(yīng)用，較快地解決了全線水位校核問題，并對該方法的誤差來源及精度進行了分析，認為當閘間距大于5.8km時，靜水法測高差滿足三等水準限差要求。