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        新疆某水文站水文巡測方案探析

        2022-07-16 15:56:52祖力皮亞熱西提
        海河水利 2022年3期

        祖力皮亞·熱西提

        (新疆維吾爾自治區(qū)水文局,新疆 烏魯木齊 830000)

        近年,隨著山洪預警、中小河流水文監(jiān)測、國家地下水監(jiān)測等項目陸續(xù)建設,新疆水文工作任務劇增,現(xiàn)有人力、物力及運行模式已無法滿足新形勢下水文站網管理工作需求,原有的駐測方式也不能適應新疆水文事業(yè)的發(fā)展與服務水平的提升。以某水文站為例,對新疆水文巡測方案進行探析。

        1 概況

        某水文站設于1947 年2 月,控制集水面積22 516 km2,系大河重要控制站和中央報訊1 級站,屬國家重要水文站[1],主要觀測項目有水位、流量、懸移質單沙、懸移質輸沙率、冰情目測、固定點冰厚、水溫、氣溫、水質、地下水位等。

        水文站現(xiàn)采用駐測方式,水位采用人工觀測和雷達水位計記錄相結合,流量采用電動纜道、橋測等方式。測驗河段位于某河東大橋上,該測驗河段順直,兩岸有防洪堤,河床由泥沙組成,高中水為單一河槽,水位流量關系曲線為單一曲線。低水位時水流較為分散,受多種因素影響,水位流量關系經常不為單一線。

        2 水文特性分析

        2.1 區(qū)域水文特性

        某水文站有1955—2020 年連續(xù)66 a 的實測流量資料,2005—2020 年實測徑流資料系列顯示,徑流年內分配不均勻。汛期(6—9 月)徑流量為14.125×108m3,占年徑流的54.9%;平水期(4—5、10—11月)徑流量為6.819×108m3,占年徑流的26.5%[2];枯水期(12 月—翌年3 月)徑流量為4.791×108m3,僅占年徑流的18.6%。8 月水量最大,徑流量為4.416×108m3,占年徑流的17.2%。多年平均流量為78.0 m3/s,多年平均含沙量為0.312 kg/m3,多年平均輸沙率為24.9 kg/s,實測最大流量為993 m3/s(1999年7 月27 日),最小流量為1.38 m3/s(1974 年5 月24日),最大流速為1.66 m/s,最大水深為4.80 m,最大含沙量為8.44 kg/m3,屬冰雪融水和雨水混合補給型河流[3]。

        2.2 某水文站水位流量關系

        某水文站測驗河段順直,上游彎道距離基本水尺斷面約100 m;斷面為寬淺式河道,高中水主槽寬度約310 m,高水控制條件較好;河道受人為引水影響,但對水文測驗無大的影響,斷面無串流、逆流、回水、死水等情況。低水時河中有淺灘,灘地及主槽流向一致,主流不固定。河床由礫石、細沙組成,左右岸為人工堤壩,河床沖淤變化不大。施測斷面的河槽情況及形狀為:低水為復式河槽,關系散亂,有1~2條曲線,高中水為單一河槽,水位流量關系曲線合并為單一曲線。左右岸邊有綠化草坪,植被較好。

        根據近幾年資料分析,水位流量關系基本呈單一線。冬季(12 月—次年3 月)因結冰影響,水位流量關系無明顯規(guī)律性,采用連實測流量過程線法推求流量。2015—2020年,實測大斷面如圖1所示,水位面積關系曲線如圖2 所示,水位流量關系曲線如圖3 所示。點繪2014—2019 年退水曲線,如圖4 所示。可以看出,10月—次年3月水量變化緩慢,周期性規(guī)律強,退水曲線趨勢明顯。說明10 月—次年3月各測1次流量,水位停測,用連實測流量過程線法推流,流量精度完全可以得到保證。

        圖1 某水文站2015—2020年實測大斷面

        圖2 某水文站2015—2020年水位面積關系曲線

        圖3 某水文站2015—2020年水位流量關系曲線

        圖4 某水文站枯水期流量過程線(退水曲線)

        3 巡測方案探析

        3.1 某水文站測驗方式

        自1955 年,某水文站流量、輸沙率測驗基本采用橋測,一般洪水單次流量測驗需要60 s左右,單次輸沙率測驗需要90 s左右。水位全年采用自記水位計觀測,人工8時、20時觀測,同時觀測水溫[4]。2019年開始使用自動化設備,并與原有的測驗設施和設備進行對比觀測。

        (1)水位。5—10 月觀測,采用超聲波水位計或雷達水位計,用U盤把數(shù)據傳輸?shù)娇睖y局信息庫中。視頻觀測輔助人工校核,用手機圖片或網絡將數(shù)據傳輸?shù)娇睖y局信息庫中。

        (2)流量。全年采用電動纜道或人工測流,通過人工傳輸?shù)娇睖y局信息庫中。

        (3)氣溫。全年采用人工觀測和氣象三要素觀測,人工觀測校核。

        (4)泥沙。4—9 月觀測,其他時間因歷年含沙量資料為0,可以停止觀測。利用勘測局信息庫數(shù)據,主動將數(shù)據推送到水情報送計算機上,自動報送水情。

        10 月—次年3 月,雇傭臨時工或每月去一趟測站測流、看護儀器、站房。

        3.2 水工程情況

        某水文站基本斷面上游1.2 km處有景觀橋,1.9 km處是S325公路大橋,3.4 km處是高速公路大橋。小水時,在大橋上測流,受橋墩影響,水位流量關系線不穩(wěn)定。下游附近未建設水工程,距離巡測基地56 km,交通十分便利。

        3.3 測次及巡測時機

        3.3.1 測站水流沙特性及單次測驗必須歷時統(tǒng)計

        該水文站施測河段順直。細沙組成河床,河兩岸為防洪堤,河寬310 m,一般情況下使用電動纜道在基下62 m 處測流,中小水時在基下3 m 處(大橋上)施測流量,中斷面為基本水尺斷面,浮標斷面、上下比降斷面間距為200 m,各水尺設置在右岸,各個斷面布設方向與水流平均方向垂直。經過長期的觀測和施測,積累了水位、流量、氣溫、水溫、泥沙等各方面資料,這些是計算和分析該河中下游河道生態(tài)環(huán)境需水量的重要依據。流量單次測驗可以控制在1 h內完成,輸沙率單次測驗可以控制在1.5 h內完成。

        3.3.2 流量、輸沙率測驗次數(shù)精簡分析

        根據某水文站實測資料統(tǒng)計,河流水量主要集中在5—9 月,占年水量73.0%以上;1—3、10—12月屬于流域退水過程,水量變化不大,冰期水量更加平穩(wěn)。某水文站測驗任務書規(guī)定,全年流量測次為43次。

        根據上述資料統(tǒng)計分析成果和現(xiàn)狀測驗條件,建議該站采用駐測和巡測相結合的測驗方式,即4—9 月正常觀測,其他時間(1—3、10—12 月)開展巡測,1—3、10—12月每月各測1次流量,水位停測,用連實測流量過程線法推流。

        根據《水文巡測規(guī)范》4.2.4(c)規(guī)定,水位流量關系不呈單一線的測站,全年采用巡測資料推算流量,一類精度的水文站年徑流量誤差不超過2.0%,或部分時段采用巡測資料推算流量,由時段徑流量算得的年總量誤差不超過2.0%的規(guī)定者,流量可以實行巡測。

        某水文站巡測前后時段徑流的測驗誤差分析詳見表1,該站1—3、10—12 月采用巡測方式后,流量精度完全可以得到保證。

        表1 某水文站巡測前后時段徑流的測驗誤差分析

        3.3.3 懸移質單沙和輸沙率測次分析

        《水文巡測規(guī)范》4.2.5(d)規(guī)定,具備懸移質輸沙率停測或間測條件的懸移質輸沙率可實行巡測[5]?!端难矞y規(guī)范》4.2.7(a)規(guī)定,測站每年低、枯水期連續(xù)3個月以上的時段輸沙量小于多年平均輸沙量的3.0%,在該時段內可停測泥沙,停測期間的含沙量作零處理。

        1—3、10—12 月輸沙量和多年平均輸沙量對比詳見表2。由表2 可見,1—3、10—12 月可以停測泥沙,停測期間的含沙量作零處理。

        表2 某水文站1—3、10—12月輸沙量和多年平均輸沙量對比

        3.4 巡測方案

        根據以上分析,某水文站巡測方案記述如下。

        (1)水位觀測。4—9 月,駐站監(jiān)測,采用自記水位計觀測記錄,人工8 時、20 時校核。1—3、10—12月,水位可停測。巡測期間,建議進行雷達水位計與人工觀測水位的比測。

        (2)流量測驗。4—9 月,按原任務書要求正常觀測。1—3、10—12 月實行巡測,每月各測流1 次,用連實測流量過程線法推流。

        (3)泥沙。4—9 月,按原任務書要求正常觀測。1—3、10—12月停測,停測期間的含沙量作零處理。

        (4)氣象觀測中的氣溫、降水、蒸發(fā)繼續(xù)觀測,在原氣象場安裝自動監(jiān)測設備,實時數(shù)據傳輸?shù)娇睖y局信息中心。巡測期間,進行自動氣象監(jiān)測與人工觀測的比測工作。

        (5)報汛應急方案。當水位傳輸發(fā)生故障時,由看管人員電話報送水情,實行“無人值守,有人看管”。若遇洪水,某水文站測驗斷面洪水從起漲到峰頂歷時20~40 h,從巡測基地到該站測驗斷面不到1 h就可到達,交通比較方便,測驗機會不易失去。

        3.5 測驗方法

        根據該站現(xiàn)有測驗條件,建議4—9 月實行駐測,其他時間(1—3、10—12 月)實行巡測。遠期可配備遠程監(jiān)控水位系統(tǒng)(雷達水位計)和流量實時在線監(jiān)測系統(tǒng),達到水位、流量巡測目的。

        某水文站流量為一類精度,4—9 月按原任務書要求正常觀測,1—3、10—12 月可實行巡測,巡測期間每月各測1次流量,水位停測,用連實測流量過程線法推流,流量精度完全可以得到保證。

        懸移質單沙和輸沙率測次,4—9 月按原任務書要求正常觀測,1—3、10—12 月時段平均輸沙量小于多年平均輸沙量的3.0%,因此可停測,停測期間含沙量作零處理。

        氣溫由氣象三要素監(jiān)測系統(tǒng)自動采集并傳輸。

        3.6 巡測資源配置方案

        勘測局成立巡測隊,加強專業(yè)人員新儀器設備操作和維護技能培訓,業(yè)務管理和水情通信維護人員分片實施。在現(xiàn)有水尺組、超聲波水位計、雷達水位計、電動纜道、橋測設施等測驗設施、設備的基礎上,還需配置巡測越野車、對講機、移動手機、移動通信電話、視頻監(jiān)控設備、信息傳輸設備、自動氣象站、有線網絡通信設備,增加山區(qū)遙測雨量站點的建設,以便及時收集降水量,有利于更好掌握測流時機。同時,將巡測運行費用列入財政部門預算,以滿足巡測工作需求。

        4 方案的合理性分析

        4.1 巡測站選取的合理性

        本方案巡測站是以原水文站為單位,測站控制條件未變,符合資料連續(xù)性與一致性要求。本巡測站距離勘測局較近,交通、通信方便,能按水情變化及時施測流量,巡測站選取基本合理。

        4.2 巡測時間選取的合理性

        本巡測方案主要考慮的是平水期與枯水期(10月—次年3 月),該時段來水量均為地下水補給,流量處于穩(wěn)定期,變化相對較小,此期間每月各測1次流量,水位停測,用連實測流量過程線法推流,流量精度完全可以得到保證。在現(xiàn)狀交通便捷條件下,能夠及時按水情變化施測流量,滿足定線與整編要求,且巡測時段均為平水期與枯水期,無洪水過程發(fā)生,巡測時間可適當提前或推移。

        上述內容均符合《水文巡測規(guī)范》(SL195-2015)要求。

        4.3 巡測方案的可操作性

        巡測方案的編制綜合考慮了水文站平水期與枯水期流量相對穩(wěn)定,并已滿足現(xiàn)行《水文巡測規(guī)范》(SL195-2015)第4.2.4 條第c、e 條內容的規(guī)定,即c)水位流量不呈單一線的測站,全年采用巡測資料推算流量,或部分時段采用巡測資料推算流量,由時段徑流量誤差算得的年徑流量的誤差一類精度的水文站為2%;e)水位流量關系不呈單一線的測站,當距離巡測基地較近,具備交通、通信條件,能夠及時按水情變化施測流量。

        上述內容滿足巡測規(guī)范、定線與整編要求,巡測方案具備可操作性。

        5 結語

        水文巡測是水文專業(yè)人員以巡回流動的方式定期或不定期對一個地區(qū)或流域內水文測站或斷面的水文要素進行的觀測作業(yè)。通過對某水文站巡測方案的探討分析可知,采取合理有效的巡測模式,不僅可以有效、系統(tǒng)地管理好水文站點,應對突發(fā)水事件,還節(jié)約了人力和物力,改善了測站職工生活,為實現(xiàn)科學防災減災、水資源優(yōu)化配置與高效利用提供科學依據,可供相關站點參考。

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