單志學(xué)

(河北省承德水文勘測研究中心，河北 承德 067000)

0 前言

廟宮水庫屬于涼溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長，寒冷少雪，春季多風(fēng)，干燥少雨，夏季炎熱，雨量集中，常造成洪澇災(zāi)害，少數(shù)年份又產(chǎn)生伏旱，全年日照2 900 h，無霜期110～145 d，年積溫2 700℃～3 500℃，年干旱指數(shù)介于1.6～1.7之間，由11月中旬開始封凍，至次年4月上旬解凍，封凍期120～150 d，土地凍結(jié)深度為1～1.5 m。灌區(qū)所在地年平均降雨量520 mm，分布自北向南由450～550 mm，年內(nèi)分布較不平衡，汛期6-9月份，降水量占全年80%左右，而6-7月份，局部易發(fā)生短歷時高強(qiáng)度暴雨，常發(fā)生洪水災(zāi)害，12月至次年2月降水僅占總量的15%，年際變化差異也較大，年最大與最小雨量相差2～3倍，多年平均水資源量為2.2億 m3。

廟宮灌區(qū)3個典型分渠渠首遠(yuǎn)程在線計(jì)量監(jiān)控?cái)嗝娣謩e為：河南營渠、東大壩、唐北二號進(jìn)行水位、流速和流量的人工監(jiān)測。在監(jiān)測結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析不同水位情況下，監(jiān)測斷面水面流速和斷面平均流速的關(guān)系，人工觀測水位與在線水位數(shù)值的偏差大小，人工監(jiān)測流量與在線計(jì)量流量之間的偏差[1-3]。

1 灌區(qū)概況

廟宮灌區(qū)位于承德市北部山區(qū)，地處東經(jīng)117°03′～118°09′，北緯40°52′～42°52′之間，灌區(qū)涉及圍場、隆化、灤平、雙灤區(qū)三縣一區(qū)，轄11個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))90個行政村和2個國營農(nóng)、林場。灌區(qū)以廟宮水庫為水源，伊遜河行洪河道為輸水總干渠。廟宮灌區(qū)屬于涼溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長，寒冷少雪，春季多風(fēng)，干燥少雨，夏季炎熱，雨量集中，常造成洪澇災(zāi)害，少數(shù)年份又產(chǎn)生伏旱，全年日照2 900 h，無霜期110～145 d，年積溫2 700℃～3 500℃，年干旱指數(shù)介于1.6～1.7之間，由11月中旬開始封凍，至次年4月上旬解凍，封凍期120～150 d，土地凍結(jié)深度為1～1.5 m。其地理位置如圖1。

圖1 承德市地理位置圖

本文確定的監(jiān)測點(diǎn)為廟宮水庫灌區(qū)的3個典型分渠渠首，均為明渠標(biāo)準(zhǔn)段固定測站。

2 測量原理

通過監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)渠段某斷面處的有效水深和水面流速，由斷面平均流速和有效水深計(jì)算斷面過流水量，稱作明渠標(biāo)準(zhǔn)渠斷面流速法。

明渠標(biāo)準(zhǔn)斷面流速法：要求明渠標(biāo)準(zhǔn)段順直段長度大于30 m，渠段規(guī)整，采用混凝土或漿砌石襯砌，下游分水口或節(jié)制閘對斷面處的水流影響較小，水流平穩(wěn)，在渠段內(nèi)選擇一處標(biāo)準(zhǔn)斷面，采用測點(diǎn)斷面處的水深和表面流速，采用過流斷面處的水流平均流速和有效水深，計(jì)算渠段斷面的過流水量。渠道斷面過流水量的計(jì)算公式：

(1)

式中，Q為斷面流量，m3/s；k為流速系數(shù)，即表面流速與斷面平均流速之比，需要實(shí)際率定；V表面為渠道斷面處的水流表面流速，m/s；B上口、B下口分別為渠道斷面上口、下口寬度，m；H有效為渠道斷面處的有效水深，m。即：水面高度減去基準(zhǔn)點(diǎn)高度

因此，渠道斷面處的過流量：

(2)

明渠標(biāo)準(zhǔn)段量水采用斷面流量法，用水位和理論公式或水位-流量曲線，推算過流斷面的流量。

3 監(jiān)測方案

3.1 監(jiān)測點(diǎn)斷面勘查

對斷面經(jīng)緯度進(jìn)行現(xiàn)場定位，對監(jiān)測斷面找到合適位置進(jìn)行設(shè)置臨時水準(zhǔn)點(diǎn)，測量水面與自動水位計(jì)探頭之間的高差，與水位計(jì)測得水位比較，計(jì)算水尺零點(diǎn)高程，并校核一次。采用水準(zhǔn)儀結(jié)合鋼尺對監(jiān)測斷面的上邊，底邊，兩個斜邊的長度進(jìn)行測量，繪制斷面圖進(jìn)行編號，繪制水位面積關(guān)系曲線或推算水位面積公式。

考慮監(jiān)測斷面的實(shí)際情況，在遠(yuǎn)傳水位計(jì)的監(jiān)測斷面設(shè)置人工監(jiān)測水位斷面。

3.2 監(jiān)測方法

將觀測設(shè)備垂直放置于明渠標(biāo)準(zhǔn)段水槽的底面，讀取水面截于觀測設(shè)備的讀數(shù)，每次觀讀不少于2次，取其平均值與假定(絕對)基面高程的代數(shù)和作為觀測水位。

本項(xiàng)目水位比測工作在明渠標(biāo)準(zhǔn)段固定測站輸水時的高、中、低水位級分別開展。

4 監(jiān)測結(jié)果及關(guān)系擬合

4.1 斷面測量

渠道的大斷面本文主要是指垂直于水流方向的渠道橫斷面，所涉及渠道主要用作引水、灌溉等功能，根據(jù)水文測量相關(guān)規(guī)范要求，進(jìn)行渠道斷面的測量，本文中主要為梯形斷面和矩形斷面。以自動監(jiān)測設(shè)備自動水位計(jì)所在斷面為測量斷面，對渠道斷面底部高程進(jìn)行測量，最高點(diǎn)測量到渠道的左右壩頂，同時繪制斷面圖，斷面水位面積累計(jì)曲線，見圖3～圖5所示。

圖2 監(jiān)測、測量現(xiàn)場照片

圖3 河南營渠水?dāng)嗝鎴D及水位-累計(jì)面積曲線圖

圖4 東大壩過水?dāng)嗝鎴D及水位-累計(jì)面積曲線圖

圖5 唐北二號過水?dāng)嗝鎴D及水位-累計(jì)面積曲線圖

河南營渠斷面位于唐三營鎮(zhèn)石片村橋下；東大壩斷面位置，位于唐三營鎮(zhèn)東大壩村北；唐北二號，位于唐三營鎮(zhèn)唐北村新大橋下，監(jiān)測、測量現(xiàn)場照片如圖2。

4.2 相關(guān)關(guān)系擬合

對人工實(shí)測流量與儀器自動斷面流量建立相關(guān)關(guān)系，經(jīng)過分析兩者存在較高相關(guān)度(見圖6～圖8)。

圖6 河南營渠人工實(shí)測斷面流量與儀器自動斷面流量相關(guān)關(guān)系圖

圖7 東大壩人工實(shí)測斷面流量與儀器自動斷面流量相關(guān)關(guān)系圖

圖8 唐北二號人工實(shí)測斷面流量與儀器自動斷面流量相關(guān)關(guān)系圖

對人工實(shí)測流量與儀器自動水位建立水位流量關(guān)系，采用二次多項(xiàng)式對水位流量關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合的函數(shù)供參考。

圖9 河南營渠人工實(shí)測斷面流量與儀器自動水位相關(guān)關(guān)系圖

圖10 東大壩人工實(shí)測斷面流量與儀器自動水位相關(guān)關(guān)系圖

圖11 唐北二號人工實(shí)測斷面流量與儀器自動水位相關(guān)關(guān)系圖

采用流速儀人工涉水測流方式對高中低三個水位級的渠道斷面流量進(jìn)行人工測量，并對人工實(shí)測斷面平均流速與儀器監(jiān)測水面流速比較。結(jié)果表明，儀器監(jiān)測水面流速與人工實(shí)測斷面平均流速相差比較大，水位越低，流速相差越大，水位越高，流速相差越小(見圖12～圖14)。

圖12 河南營渠人工實(shí)測斷面平均流速與儀器監(jiān)測水面流速相關(guān)關(guān)系圖

圖13 東大壩人工實(shí)測斷面平均流速與儀器監(jiān)測水面流速相關(guān)關(guān)系圖

圖14 唐北二號人工實(shí)測斷面平均流速與儀器監(jiān)測水面流速相關(guān)關(guān)系圖

4.3 結(jié)果分析

通過對渠首自動監(jiān)測斷面水位進(jìn)行人工測量，并對人工測量水位與儀器自動測量的水位精度進(jìn)行比較，結(jié)果表明，儀器設(shè)備測量的水位十分精準(zhǔn)。采用流速儀人工涉水測流方式對高中低三個水位級的渠道斷面流量進(jìn)行人工測量，并對人工實(shí)測流量與儀器自動斷面流量進(jìn)行比較。結(jié)果表明，儀器設(shè)備測量的流量與人工測量流量相差比較大，低水水位，流量相差較大，中、高水位，流量相差較小。對人工實(shí)測流量與儀器自動水位建立水位流量關(guān)系，采用二次多項(xiàng)式對水位流量關(guān)系進(jìn)行擬合，河南營渠、東大壩、唐北二號擬合的函數(shù)關(guān)系分別為：y=1.904 8 x2-0.883 3x+0.004 3、y=2.857 1x2-2.314 3x+0.595 9、y=-4.985 5x2+5.784 1x - 1.333 1供參考。采用流速儀人工涉水測流方式對高中低三個水位級的渠道斷面流量進(jìn)行人工測量，并對人工實(shí)測斷面平均流速與儀器監(jiān)測水面流速比較。結(jié)果表明，儀器監(jiān)測水面流速與人工實(shí)測斷面平均流速相差比較大，低水水位，流速相差較大，中、高水位，流速相差較小。對人工實(shí)測斷面平均流速與儀器監(jiān)測水面流速建立相關(guān)關(guān)系，經(jīng)過分析兩者存在較高相關(guān)度，河南營渠、東大壩、唐北二號的R2值分別為： 0.990 4、0.972 5、0.891 1。人工實(shí)測斷面平均流速與儀器監(jiān)測水面流速關(guān)系是個直線函數(shù)，河南營渠、東大壩、唐北二號的函數(shù)關(guān)系分別為：y=2.174 9x-0.964 3、y=1.435 8x-0.219 4、y=0.895 1x-0.047 7。通過分析，雷達(dá)流速儀在低水時流速流量都偏大，流速偏大嚴(yán)重，并且雷達(dá)流速儀在渠道流速較小時精度比較低[4-6]過人工監(jiān)測數(shù)據(jù)和自動計(jì)量數(shù)據(jù)對比，對于改進(jìn)自動計(jì)量系統(tǒng)各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)，提高引水口的取用水量的計(jì)量精度具有重要意義，具有重要的社會效益，以及經(jīng)濟(jì)效益。