渭河魏家堡水文站流量測驗方法探究

◎張 楷 王君善

1 流域及斷面概況

1.1 流域概況

渭河是黃河最大的支流，發源于甘肅省渭源縣西南海拔3495m的鳥鼠山北側，自西向東流經甘肅省的渭源、武山、甘谷、天水后，于鳳閣嶺進入陜西省，經寶雞、楊凌、咸陽、西安、渭南等市(區)后，于潼關注入黃河。全長818km（其中陜境內河長504km），流域總面積134766km2。

渭河屬于不對稱水系，北岸支流源遠流長，主要流經黃土高原，泥沙含量大，徑流系數小；南岸支流較短，主要流經秦嶺北麓山區，含沙量小，徑流系數大。在陜西境內，北岸主要支流有通關河、千河、漆水河、涇河、北洛河等；南岸主要支流有清姜河、石頭河、湯峪河、黑河、澇河、灃河、灞河等。干流設有拓石、林家村、魏家堡、咸陽、臨潼、華縣等水文站。

渭河流域為干旱半干旱地區，屬典型的大陸型季風氣候。冬季寒冷干燥；春季氣溫不穩定，降水較少；夏季氣侯炎熱多雨，降水主要集中于七至九月，多雷暴雨、常出現早伏；秋季涼爽較濕潤，多有陰雨天氣。多年平均氣溫5℃～14℃，平均降水量572mm，水面蒸發量660mm～1200mm。徑流屬降雨補給型，年徑流量81.3億m3，陜西境內為53.8億m3。

1.2 斷面概況

魏家堡水文站位于寶雞市眉縣城關鎮西關村，東經107°42′,北緯34°18′，設立于1937年。魏家堡(五)水文斷面2002年由原魏家堡（四）斷面下移約1.8km設立，平均河床比降2.75‰，集水面積37006km2，至河口距離323km，為渭河中游干流重要控制站，屬國家重要水文站。

魏家堡（五）測驗河段順直，長度約1000m，復式河槽，斷面寬度約700m，主河槽寬度約250m。主河槽由卵石組成，較為穩定；左岸河床由砂卵石組成，沖淤變化嚴重，小水有分流，水面寬變化較大。

魏家堡水文站設站以來實測最大流量5780m3/s（1954年8月17日），實測最大含沙量725kg/m3(1966年6月28日)。魏家堡(五)站實測最大流量3010 m3/s，發生在2003年8月30日；實測最大點流速4.12 m/s，出現在2010年7月24日；平均最大流速2.43 m/s，出現在2003年8月30日。

2 測驗河段河床演變分析

2.1 實測斷面資料分析

為了分析魏家堡（五）站斷面沖淤變化，將2002年~2011年汛前施測的斷面數據點繪斷面變化圖，見圖1至圖3。

從圖可以看出，魏家堡（五）站斷面的沖淤變化主要發生在右岸，起點距30m～230m之間，起點距230m～700m之間斷面沖淤基本趨于平衡狀態。2011年與2002年斷面比較，沖刷主要出現在起點距 30m～140m，平均沖刷深度1.39m，最大沖刷位于起點距120m處，沖刷深度2.32m；河床最低點位于起點距55m處，河底高程為491.17m。起點距150m～190m之間平均淤積1.28m；起點距200m～700m平均沖刷不足0.01m基本趨于平衡。

2.2 利用不同年代地形圖分析

為了進一步分析魏家堡水文站斷面歷史變化，主河槽擺動情況，點繪了魏家堡（五）斷面現狀平面與1956年航拍圖片形成的地形圖比較圖，分析該斷面50多年來的河床演變和主河槽擺動。通過分析可以看出，魏家堡（五）斷面主河槽50多年來一直位于右岸基本沒有改變，1956年主河槽寬度約550m，現在主河槽約230m，主河槽與1956年相比變窄約300m。

3 測驗河段洪水分析

3.1 利用實測資料分析

為了分析測驗斷面洪水組成，把魏家堡（五）站流量大于1800m3/s洪水過程的流速分布整理，主河槽按250m考慮，對主槽流量分布進行分析。從分析統計成果表看：魏家堡（五）站建站以來，2003年出現實測最大流量3010m3/s洪水，重現期相當于5～6年一遇，主槽流量為2272m3/s，占整個斷面流量的75.5%；水面寬度660m占整個斷面寬度700m的94.3%，基本接近全斷面過洪。其他場次洪水洪峰流量在2000m3/s左右，相當于多年均值洪水，過洪斷面寬度在379m～511m之間，占全斷面700m的54.1%～73.0%，主河槽流量占整個斷面流量的90%以上。

表1 魏家堡水文站不同頻率洪峰流量主灘槽流量分配表

由此可見，發生小于10年一遇洪水時，主槽過洪能力較大，占整個斷面過洪流量的70%以上；發生超過10年一遇洪水時，灘地過洪能力逐漸增大，灘地流量測驗不可輕視。

3.2 利用不同頻率洪水過水面積比例分析

為了分析魏家堡(五)站不同頻率洪峰流量在斷面的分布情況，繪制水位流量關系曲線，利用關系線查算不同頻率洪峰對應水位，計算不同頻率洪峰流量的主河槽流量、主河槽流量比例（計算結果見表1）。由表分析可知，不同頻率主河槽、灘地的過洪流量不同，50年一遇洪水主河槽過洪流量占全斷面的47.8%，20年一遇洪水主河槽過洪流量占全斷面的50.6%，10年一遇洪水主河槽過洪流量占全斷面的53.2%。總體而言，主河槽過洪流量占全斷面的50%左右，左岸灘地過洪流量占50%左右，灘地過洪流量所占比例較大。

4 流量測驗方法分析

由于該站的測驗質量對咸陽、西安、渭南等市防汛工作、水資源調度、配置、管理等具有十分重要意義，測驗質量直接影響下游防汛和水資源調度管理，所以平時在精測主河槽流量過程的同時，不能忽視洪水期灘地流量的測驗，流量測驗設施要兼顧整個斷面，同時還要注意主河槽沖刷影響。

基于此，適合該斷面條件的流量測驗方法有：流速儀法（水文纜道測流、動船測流、橋上測流）、浮標法、比降面積法、利用多普勒效應測流法（聲學多普勒流速剖面儀、手持式電波流速儀、雷達流量計）。流速儀法是基本的測流方法，具有較高的精度，流量規范將其作為其他測流方法的率定、檢驗和校核的標準，應該首先考慮。浮標法、比降面積法測驗精度相對較低，是大水或者特大洪水不能采用流速儀法時的測驗方法，可與流速儀法配合施測。多普勒測流法是近幾年隨著科技的發展研制出的一種流速測驗方法，是通過儀器發射信號，然后接收被水體中顆粒物反射回來信號多少來測量水體運動速度，在我省正處于對比試驗、嘗試試用階段，其中的手持式電波流速儀在大洪水期可以替代浮標測流。

對某個水文站來說，為完成各級洪水下的流量測驗任務，往往根據洪水特性和設施情況，采用幾種方法聯合測流。魏家堡水文站是渭河干流中游重要控制站，屬于國家重要水文站，按照國家重要站流量測驗精度要求，應達到按現有測驗手段和方法能取得的可能精度。該站流量測驗中低水首先考慮采用流速儀測流方案，高水適當考慮浮標測流和利用多普勒效應測流法。對流速儀法中的水文纜道測流、動船測流、橋上測流分別分析適用性。

4.1 動船法測流

動船法是使用一艘裝有流速儀、回聲測深儀和測角儀器的輕便靈活船只，沿預定斷面橫渡進行流量測驗。測驗河道要盡可能順直，水流穩定、流線平行，河床平整，水面漂浮物少，水深要大于2m、河寬要大于300m，還要有停船碼頭。

魏家堡站洪水期流速較大，近十年實測最大流速4.12m/s，水面漂浮物較多，洪水漲落急劇，平水期水流集中在起點距30m～230m之間，水深不足1m。另外，行船需要專業人員進行操作，所以該站不適合使用船測。

4.2 橋上測流

橋上測流是將流速儀等測流設備安裝在橋測車上，在固定垂線施測流速計算斷面流量，選作橋上測流的河段水流應較為集中，無分流、岔流、回流、死水，水流流向與橋軸線夾角不超過10°，橋墩上游2m～5m內水流平穩，無急劇雍浪、漩渦；橋面距離河底不超過20m，橋上過往車輛不能十分頻繁，高速公路或交通繁忙的橋不能進行橋上測流；橋測車懸臂應力強度應能夠承受本站最大流速時所懸吊的配套鉛魚重量及水流沖擊力。該站下游眉縣渭河大橋正在改造，改造后該橋將成為西寶高速眉縣進出口的連接線，來往車輛多，交通繁忙。由于目前國內橋測車懸臂伸出車體外最大僅3.0m左右，這樣，橋測車不能靠近橋邊，流速儀不能達到有效入水位置；測流時懸臂需要隨時收放,測流時間較長，可能造成單次洪水施測不完整，影響測驗質量。另外，目前國內定型橋測車最大測速4m/s，最大起吊額定載荷150kg，而現斷面主河槽流速較大，2003年出現3010 m3/s洪峰時實測最大流速4.12m/s，超過儀器限定施測流速；最大起吊荷載150 kg使流速儀難以入水，流量測驗誤差較大、精度較低且存在安全隱患。所以，該站也不適合橋上測流。

4.3 水文纜道測流

水文纜道是目前國內各水文站普遍使用的常規測驗設備，根據目前國內水文纜道發展現狀和架設形式，魏家堡站有5種方案可供選擇：單跨雙索雙纜道（咸陽站）、單跨雙索全斷面纜道（張家山站）、單跨單索半斷面纜道（臨潼站）、雙跨雙索雙纜道、雙跨單索單纜道。

方案一技術簡單，洪水期二套纜道同時使用，可全斷面施測洪水，測流歷時短，測驗精度高；但需要在左右兩岸架設供電線路、安裝控制系統、建設纜道房，建設成本高，使用、看護不變，建設用地難以審批，人員需要成倍增加。方案二能全斷面施測洪水，測驗精度有保證；但主索跨度和垂度較大，主跨700m超過纜道架設跨度一般不超過500m的使用條件；支架較高，動力系統需要成倍增加，運行速度不宜過快，測流時間長，維護不便，建設成本較高。方案三主索跨度和垂度小，但只能施測主河槽流量，無法施測灘地流量；魏家堡站出現10年以上洪水時灘地過洪流量占相當大比例，此方法不可行。方案四與方案一相似，雙跨纜道行車還需要翻越中間支架，此項技術處理需要研究。方案五纜道支架低，主索垂度小，只在右岸建設纜道房、安裝控制系統，能夠全斷面施測流量，只要將纜道行車翻越中間支架技術處理好就可穩定測流，建設成本相對較低。所以，該站流量測驗比較合理可行的方案應該為雙跨單索單纜道測流方法。

5 結語

渭河魏家堡水文站是渭河干流中游重要控制站，屬于國家重要水文站，該站的水文信息對咸陽、西安、渭南等市防汛、水資源調度、配置、管理等具有十分重要意義，選取切實可行的流量測驗方法對該站建設十分重要。通過對該站河段的河床演變、測驗河段過洪能力及流量分布研究分析，提出切實可行的流量測驗方法，為水文站流量測驗方法探究提供參考。陜西水利