鄭玉峰

（河北省唐山水文勘測研究中心，河北 唐山 064106）

1 陡河流域概況

1.1 基本情況

陡河水庫位于河北省唐山市區(qū)東北15 km處的陡河上，是一座以防洪為主、兼供唐山市區(qū)生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水等綜合利用的大型水利樞紐工程，引灤入唐工程實施后也是引灤入唐輸水工程終端調(diào)節(jié)水庫。

陡河為季節(jié)性河流，獨流入海，屬河北沿海水系，介于灤河、薊運河兩水系之間。陡河上游分為東、西兩支：東支管河，河長33.0 km，集水面積263 km2，發(fā)源于遷安市東蛇探峪村，其中有分支龍灣河在灤縣宋家峪村匯入；西支泉水河，河長38.5 km，集水面積239 km2，發(fā)源于豐潤區(qū)上水路村東北馬蹄泉，于豐潤區(qū)千佛院村有腰帶河匯入其中；東、西兩支在雙橋附近匯合后始稱陡河。陡河穿過唐山市區(qū)，于開平區(qū)越河村南納石榴河，而后向南經(jīng)侯邊莊入豐南區(qū)境內(nèi)，于澗河注入渤海，全長121.5 km，流域面積1 340 km2[1]。

1.2 地形地貌

陡河水庫以上流域內(nèi)多山，北部有腰帶山、達子山、華山、成山等，高程300～500 m（大沽高程，下同），山坡陡峻，基巖裸露；中間和兩翼為淺山區(qū)，有鳳山、巍山、高山、長山等，高程在200～250 m，形成三面高山屏障、一面平原的地貌特點。上游山區(qū)山坡陡立，一般為20°以上，山麓地帶多開墾梯田，溝壑發(fā)育，沖刷切割較嚴重；中部為平原地區(qū)，地勢平坦，土地肥沃，為糧食主產(chǎn)區(qū)；下游地勢平緩，河槽窄小彎曲，洪水泄流不暢，豐南區(qū)柳樹以下為草泊及濱海洼地。流域平均寬度19.7 km，平均長度26.7km。

陡河水庫以上流域內(nèi)森林面積很少，主要為野生針葉松，一般為10～15 a 的幼林；草本植物中，山地陽坡主要為百草和黃背草，陰坡主要為牛毛草。流域內(nèi)土壤主要為黃土類土壤，按其成因可分為風成黃土和河流沉積物，風成黃土主要分布于淺山區(qū)和丘陵地區(qū)，河流沉積物則分布于河谷平原，土壤質(zhì)地主要為黏壤土和砂壤土。

1.3 水文氣象

陡河流域氣候溫和，四季分明，屬暖溫帶季風性氣候區(qū)，多年平均氣溫10.6oC，最高氣溫39.3oC（1972 年7 月），最低氣溫-22.4oC（1966 年2月）。霜凍期約130 d，最大凍土深度1.0 m，最大風速21.7 m∕s，多發(fā)生春季。

陡河流域下游地區(qū)靠近渤海，又受北部燕山山脈影響，每年夏秋季節(jié)易形成暴雨，且有山前地區(qū)的氣候特性，雨量大部分集中于汛期，而汛期又多集中于幾次暴雨，極易發(fā)生春旱夏澇，且年際變化較大。根據(jù)1953—2011 年降水資料統(tǒng)計分析，陡河水庫以上流域多年平均年降水量為658.1 mm，其中汛期6—9 月降雨量536.9 mm，占年降水量的81.6%，汛期最大降雨量886.9 mm（1969 年）、最小297.6mm（1968 年）。

陡河水庫以上流域的徑流變化較大，年際差別懸殊，年內(nèi)分配不均勻，主要集中在汛期，而汛期又集中在幾次雨洪中，一次暴雨徑流歷時一般為1～3 d。由于流域內(nèi)源短流急，雨后徑流匯集很快，河水暴漲暴落。根據(jù)1953—2011 年徑流資料統(tǒng)計分析，水庫以上流域多年平均年徑流量0.598 億m3，年最大徑流量1.645 億m3（1959 年）、最小0.011 億m3（1992年），豐水年是枯水年的150倍，多1.634 億m3。建庫后，最大一次洪水發(fā)生在1959 年7 月21—23 日，3 d洪量0.533億m3，洪峰流量1 320 m3∕s[2]。

1.4 水庫上游主要蓄水工程

陡河上游東、西兩支共有7 座小型水庫，控制流域面積共71.91 km2，累計庫容1 558.6 萬m3，小龍?zhí)端畮旌宛б勒畮鞛樾。?）型水庫，其余梅山溝水庫、老水湖水庫、田各莊水庫、西新莊營水庫、西胡各莊水庫為?。?）型水庫。小水庫攔蓄了部分洪水，起到了一定防洪興利作用，但當超過300 a一遇極端雨洪時有可能潰壩，形成水害。

2 陡河水庫及放水洞流量測驗概況

2.1 水庫工程現(xiàn)狀

陡河水庫于1955年開始興建，1956年建成并投入運用，歷經(jīng)1969—1971 年續(xù)建、1976—1977 年震后修復、1988—1989 年提高保壩標準工程建設，到1990 年全部完工，達到1 000 a 一遇設計洪水標準、可能最大洪水校核標準。水庫總庫容5.152 億m3，其中調(diào)洪庫容4.742 億m3、興利庫容0.684 億m3，在實際運用中，為滿足陡河電廠供水要求，水庫水位不低于30.0 m，實際上水庫興利庫容僅為0.557億m3。

2.2 放水洞概況

陡河水庫放水洞位于大壩左端、鳳山腳下，全長640 m，其中引水渠長173.05 m、進水塔長8.7 m、漸變段長8.9 m、隧洞長145.6 m、消能段長40.75 m、尾水渠長263 m。進水塔設2 個寬1.75 m×3.0 m 的長方形進水洞口，底高程22.545 m；設2 扇平板鋼閘門和QPQ2×40 t 啟閉機進行閘門啟閉，每扇閘門尺寸為2.55 m×3.20 m。隧洞洞身直徑3.6 m，洞底縱坡1∕50，出口底高程20.0 m；消力池底板高程18 m，池深2.0 m，設計最大流量150 m3∕s。

放水洞是水庫的樞紐工程之一，是向下游灌區(qū)供水的主要出口。在閘下650 m 處，設有水文測驗斷面，由陡河水庫水文站施測水位、流量。

2.3 流量測驗基本情況

陡河水庫放水洞的流量測驗斷面位于閘下650 m的河道內(nèi)。該河段基本順直，斷面形狀穩(wěn)定，歷來無較大變化。特別是2009 年后隨著唐山市環(huán)城水系建設工程正式開工，對陡河河道進行了規(guī)整，測驗斷面為規(guī)則的梯形，上寬38.3 m，兩岸為砌石，底部河床由塊石組成，并由鉛絲網(wǎng)固定，從而保證了斷面穩(wěn)定，基本無沖淤變化，提高了流量測驗精度。

該斷面原有的測驗設施是閉口式手搖纜道，于2015 年改建成電動纜道，使用鄭州星睿水利科技有限公司生產(chǎn)的纜道控制臺，鉛魚重約75 kg。設備的更新提高了流量測驗精度，能夠滿足校測放水洞流量的要求。

3 放水洞堰閘率定

放水洞的閘門型式為平板閘門、平底閘，其出流狀態(tài)為自由孔流。根據(jù)水文資料整編規(guī)范中水工建筑物流量的推流方法，其閘孔出流計算公式為[3]：

式中：Q為流量（m3∕s）；M1為自由孔流流量系數(shù)；B為閘孔總寬（m）；e為閘門開啟高度（m）；hu為上游水頭（m）；hc為收縮斷面處水深（m），可以e代替。

式中：hu為上游水頭（m）；Zu為上游水位（m）；Za為閘底高程（m）。

2016年5月3日—7月19日，根據(jù)上游水位和控制流量，閘門啟閉32 次，同時施測流量16 次。利用28 次（其中4 次閉閘，開度為0）閘門啟閉記錄中的數(shù)據(jù)和16次校核流量，通過智能閘門控制儀反求的閘門開度，計算了44 次e∕hu和M1值。這44 個相關點在原定的e∕hu-M1相關曲線上，或只有微小誤差臨近原曲線，如圖1 所示。這說明至今仍使用原率定成果和上述公式，利用智能閘門控制儀進行操作，來控制閘孔出流。

圖1 e/hu-M1關系曲線

從圖1 可以看出，當e∕hu較?。?.100 以下）時，流量系數(shù)M1較大，并隨e∕hu值的減小不斷增大；e∕hu值較大（0.100 以上）時，M1較小且趨于穩(wěn)定。這也符合e∕hu-M1相關曲線的一般規(guī)律，是比較合理的。

4 放水洞流量影響因素分析

4.1 流量系數(shù)M1的影響

由式（1）可以看出，M1值是決定閘孔出流的主要因素之一。由于放水洞的堰閘率定是20 世紀末進行的，時至今日，其相關關系是否發(fā)生了變化是首先需要解決的問題。

根據(jù)已經(jīng)刊布在水文年鑒中的陡河水庫放水洞堰閘率定成果表選用近年的成果，分析e∕hu-M1相關關系是否發(fā)生了變化。在最近2005—2015 年共11 a中，去掉2次在臨時斷面測流和8次測流斷面有死水可能存在流量測驗誤差的成果，尚有144 次測流成果可采用。分析表明，其中127 次率定成果的系統(tǒng)誤差小于5%，占144 次的88.2%，即與原來相關曲線比較，有88.2%的數(shù)據(jù)點的M1誤差在±5%之內(nèi)，且點群重心也與原率定曲線吻合，如圖1 所示。這說明e∕hu-M1關系至今沒有明顯改變，可用已采用原率定成果的智能閘門控制儀進行操作。

4.2 上游水位Zu的影響

為分析上游水位升降和閘門開度變化對放水洞流量的影響，根據(jù)e∕hu-M1相關關系，繪制Zu-e-Q關系曲線圖，考慮到陡河電廠用水對壩上水位的要求及溢洪道建成后放水洞功能的側(cè)重，同時考慮這里不是做堰閘率定，而是分析影響放水洞出流的有關因素，故采用近年（2005—2015 年）放水洞的流量率定成果中Zu、e、Q的變化范圍作為相關圖中上述3個參數(shù)的取值范圍，能夠滿足對上游水位漲落和閘門開度變化進行分析的要求，如圖2所示。

圖2 Zu-e-Q關系曲線

從圖2 可以看出，以e為參數(shù)的Zu-Q關系線基本為一條直線，且與縱軸夾角較小，即當Zu在30.50～33.50 的范圍內(nèi)同時e值不變的情況下，各級水位的變化對流量的影響是基本相同的，且影響較小。這里計算了Zu升降0.10 m 時對放水洞出流的影響，結果詳見表1。

表1 壩上水位Zu 升降0.10m時對放水洞流量影響的計算成果m3∕s

表1中的相對影響值取某一閘門開度下對最小流量（圖2中Zu為30.50 m 時的流量）影響的相對數(shù)，即某一閘門開度下最大的相對影響值。由表1 可知，當Zu升降0.10 m 時，e從0.10～3.00 m 發(fā)生的流量變化只有0.025～0.297 m3∕s，其相對影響值僅為0.8%左右，可見Zu的升降雖改變了水頭hu，但對出流的影響是有限的。當然，當Zu變化較大時，應考慮其對放水洞流量的影響。

2016 年5 月3 日—7 月19 日，共啟閉閘門32次，2 次動閘之間Zu均無較大變化，經(jīng)統(tǒng)計，Zu漲落小于0.10 m 的有14 次，Zu漲落在0.10～0.20 m 的有12 次，Zu變化大于0.20 m 的有2 次，并有4 次閘門全關、開度為0。其中，Zu變化最大的一次發(fā)生在7 月3 日11：30—7 月7 日12：00，7 月3 日11：30Zu為31.64 m，一孔閘門開啟，開度0.46 m，控制流量8.00 m3∕s，直到7 月7 日12：00，閘門開度一直未變，此時段Zu下降了0.35 m，根據(jù)表1 計算，受Zu下降影響，會使放水洞出流減小0.20 m3∕s，不足控制流量的3%。這種情況可以微調(diào)閘門開度（上升0.01 m）進行彌補，若操作難度較大也可暫不調(diào)整，待Zu變化較大時一并處理。

2016 年5 月3 日—7 月19 日，共施測流量16次，水文站測流是為了建立本斷面的Zu-Q關系，用于推求流量，同時進行放水洞的堰閘率定，也用來校核控制流量的準確度。為保證校核流量的精度，一般在上游閘門開啟后水流變得平穩(wěn)時進行，致使測流時間較動閘時間滯后，在這一時段內(nèi)Zu有較大變化時會使實測的校核流量與控制流量不一致，兩者失去可比性。經(jīng)統(tǒng)計，上述16 次測流中，施測時與最近一次動閘時的Zu變化有15 次在0.06 m之內(nèi)，變化很小，可不考慮其影響。只有第6 次測流與最近的第9 次動閘之間Zu上漲了0.13 m，按表1 計算，校核流量比控制流量增加0.17 m3∕s，雖數(shù)值較小，但兩者比較時應予考慮。

4.3 閘門開啟高度e的影響

由式（1）可以看出，閘門開度e是閘孔出流的重要影響因素。從圖2以e為參數(shù)的Zu-Q相關曲線可以看出，在同一上游水位級下，隨著e的變大，閘孔出流不斷增加且流量增幅不斷減少，即流量隨著閘門開度變大而增加，閘門開度越小流量增幅越大，反之閘門開度越大流量增幅越小。

為比較直觀地了解e對Q的影響，計算了Zu在30.50～33.50 m 范圍內(nèi)e為0.10～3.00 m 時的Q值以及e變化0.10 m 時Q隨之變化的絕對值和相對值，詳見表2。

表2 閘門開度e變化0.1、0.5 m時對放水洞出流影響計算成果

表2中“～”左邊為e下降0.10 m，右邊為e上升0.10 m 造成Q變化的數(shù)值。由表2 可知，在水位30.50～33.50 m 的范圍內(nèi)，e從0.10～3.00 m 時，放水洞單孔出流為2.11～47.9 m3∕s；當e變化0.10 m 時，Q變化的絕對值為1.80～1.10 m3∕s、相對值為0.74-0.03，e越小則Q越小，且e變化0.10 m 時Q變化的相對值越大，反之亦然。同時，小流量往往對應小開度且e變化對Q的影響越大，當Q小于8.00 m3∕s 時，e變化0.10 m 引起的Q變化相對值會大于0.20，而當Q大于10.0 m3∕s 時，e變化0.10 m 引起的Q變化相對值會小于0.15，可見小流量時閘門開度變化對流量的影響是比較顯著的。

一般情況下，率定閘孔出流取決于Zu、Q、e值。推算閘孔出流量取決于Zu、e、M1值，其中Zu值較易獲取，Q值誤差不大且精度不斷提高，M1值由Zu、Q、e所決定，只有e因啟閉閘門機制較復雜同時閘門開啟部分多淹沒在水下，其實際開啟高度難以隨時監(jiān)測，容易形成其預想開度與實際開度不一致且不易察覺，造成出流量的誤差。

為弄清預想閘門開度與閘門實際開度是否一致，水庫管理處與水文站的工作人員協(xié)作，利用閉閘期間放水洞無水的有利時機，在2016 年8 月初進行了e值的對比觀測，由水庫工作人員通過智能閘門控制儀輸入預想的閘門開度，水文站工作人員到洞內(nèi)量測閘門的實際開度，經(jīng)對比，兩者并不一致，具體結果詳見表3。

表3 閘門開度e不符值統(tǒng)計

表3中的智能閘門控制儀輸入開度是根據(jù)2016年5—7 月放水洞32 次動閘的部分開啟高度隨機輸入的，不符值由智能閘門控制儀輸入開度減去實際量測開度得到。由表3 可知，為滿足下游需水要求和達到控制流量，向智能閘門控制儀輸入了預想的閘門開度，但是與閘門的實際開度不符，其中1號閘門的不符值為1～3 cm，2 cm 最多；2 號閘門不符值為4～5 cm，多為4 cm，且在13 次對比中，均是預想開度高于實際開度，特別是小流量時其相對不符值顯得更大。由于實際開度低于預想開度，放水洞實際流量小于控制流量，無法滿足下游需水要求，也使控制流量與校核流量不一致，小開度時表現(xiàn)更為明顯。當然，一次對比觀測很難成為定量的依據(jù)，但定性地看實際開度低于預想開度，使實際閘孔出流小于控制流量。

5 結論與建議

（1）陡河水庫放水洞的堰閘率定于20 世紀末完成，至今的智能閘門控制儀仍采用原率定成果。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，近年的率定成果與原成果基本一致，可采用智能閘門控制儀進行操作。

（2）2016 年8 月初放水洞閘門開啟高度對比觀測結果表明，通過智能閘門控制儀輸入的閘門預想開度均高于實際開度，致使閘門開度達不到預想結果，造成控制流量與校核流量不一致，這種現(xiàn)象在小開度時更為明顯，因放水洞出流偏小，無法滿足下游的需水要求。

（3）閘門開度是影響放水洞流量大小的主要因素，可能因為閘門啟閉系統(tǒng)中鋼絲繩彈性變化等，閘門實際開度達不到預想開度且不易察覺。水庫有關部門應盡快查明原因進行處置，使預想開度符合實際、控制流量準確，滿足下游用水要求。

（4）在今后的測驗工作中，要不斷提高Zu、Q的觀測和測量精度，特別要保證e值的準確性，經(jīng)過長時期的資料積累，取得更加精確的率定成果。

（5）定期檢測智能閘門控制儀，提高其使用精度。

（6）對放水洞閘門整體結構經(jīng)常檢查，對易損、易耗部件（鋼絲繩等）及時更換，保證其運轉(zhuǎn)良好。