變動回水影響下水文站的測驗方式探討

李廷貴++楊智++劉燕

摘 要：山區(qū)大中河流上，越來越多的基本水文站流量測驗斷面選擇不可避免地受到水利工程變動回水影響而被撤銷或遷建，致使流域站點布設(shè)和功能搭配嚴(yán)重失衡。基于當(dāng)前測驗技術(shù)，文章提出了在回水變動影響區(qū)內(nèi)進(jìn)行流量測驗的解決方案。并建議組織系統(tǒng)的高層次變動回水影響條件下水文站測驗實驗研究，以及時修改完善規(guī)范，突破回水變動影響對水文測驗斷面選擇的限制，推動水文站網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)合理化。

關(guān)鍵詞：變動回水影響；流量測驗；方式轉(zhuǎn)變

中圖分類號：TV123 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）12-0064-02

1 變動回水對水文站測驗和站點布設(shè)的影響

現(xiàn)行《河道流量測驗規(guī)范》對山區(qū)性河流測驗斷面選擇的條件，是要求河道穩(wěn)定、避開支流匯入或者湖泊水庫等大水體產(chǎn)生的變動回水的影響，選擇各級水位均具備較好的測站控制且水流平穩(wěn)的斷面。

山區(qū)的大中河流，大多水力資源豐富，開發(fā)條件優(yōu)異，是水電開發(fā)的重點區(qū)域。特別是交通、電網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施較好的中下游地區(qū)。為充分利用水能資源，大江大河上各梯級電站水位相互銜接。隨著水電工程紛紛建成，干流上的水文測站逐一被淹沒。受水利工程變動回水的影響，水文測站斷面測驗條件不滿足規(guī)范要求，只能遷建或者撤銷，退出流域中下游。形勢的持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致流域內(nèi)的水文測站都集中在流域干支流上游的小河道上，站網(wǎng)系統(tǒng)中流域面積較大的重要大河控制站、區(qū)域代表站逐漸減少。站網(wǎng)系統(tǒng)控制的全面性、分布的均衡性、功能和規(guī)模的協(xié)調(diào)搭配都全面下降，所收集水文資料性質(zhì)單一，不能系統(tǒng)全面地反映水文要素在整個流域中的演變規(guī)律，難以起到對水資源開發(fā)與保護(hù)中調(diào)查評價和監(jiān)督的指導(dǎo)作用。

2 克服變動回水影響的途徑

面對日益嚴(yán)峻的形勢，我們只有克服無法“避開變動回水影響”的困難。在有回水影響的條件和前提下，堅持并探索新的流量測驗和徑流計算統(tǒng)計的方法，才能從根本上解決站點合理規(guī)劃建設(shè)的難題。

當(dāng)流量測驗斷面受到變動回水影響時如何測流和計算統(tǒng)計河川徑流呢？

當(dāng)前水文站的流量測驗中，《河道流量測驗規(guī)范》是采用以精度較高的流速面積法為標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)，來比測和檢驗其他測驗方式的有效性。采用流速儀法測流的情況下，因為無法直接連續(xù)監(jiān)測流量，只能采用連時序法、附加比降等修正水位流量關(guān)系線的方法，對失去穩(wěn)定性的關(guān)系線進(jìn)行補(bǔ)救。這些方法觀測和計算工作量很大，而且成果精度也大打折扣。

因此，單從計算方法上克服變動回水影響，效果十分有限。從測驗技術(shù)方進(jìn)步突破限制，則取得了明顯進(jìn)步，成為當(dāng)前的主要方向。

在目前技術(shù)條件下，流速實用測驗技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于包括水文行業(yè)在內(nèi)的各種流體測量領(lǐng)域。技術(shù)進(jìn)步在于兩個方面：一方面是斷面流量測驗方式的變革，以ADCP為代表的新一代測驗儀器在測驗中，對整個斷面的流場進(jìn)行掃描，同時測驗流速和流向，流量計算中不再以點帶面，而是逐點累加，實現(xiàn)了從簡單抽樣到全部枚舉的質(zhì)變。在這一技術(shù)條件下，對測驗斷面水流流態(tài)的要求沒有了，理論上，均勻流、漸變流、急變流，回流、斜流等都不會影響測驗成果。另一方面，是流速的連續(xù)監(jiān)測已經(jīng)有以水下超聲波和水面雷達(dá)為基礎(chǔ)的多種成熟技術(shù)，連續(xù)在線監(jiān)測得以實現(xiàn)。一塊太陽能電池板即可讓雷達(dá)測速計在野外連續(xù)工作。流速的連續(xù)監(jiān)測，變得和水位監(jiān)測一樣簡單易行。

這樣我們就可以連續(xù)監(jiān)測水位和流速，通過局部流速來推求斷面流速，再以水位推求斷面過水面積，最后求出流量。雖然這一途徑也是屬于流速面積法的范疇，但與流速儀法卻有著本質(zhì)的區(qū)別。流速儀法中，流速、面積都是水位的函數(shù)，實際上流量最終直接取決于水位。徑流統(tǒng)計中，必須通過水位流量關(guān)系線，使用水位來計算流量。用流速在線監(jiān)測法計算斷面流量時，斷面平均流速是局部流速的函數(shù)，過水面積是水位的函數(shù)，斷面流量取決于局部流速和水位。在這里，水位只用來計算面積，流速和水位不相關(guān)，是兩個獨立的變量。用這一方法測驗流量，只要斷面流態(tài)穩(wěn)定，漸變流，局部流速和斷面平均流速之間關(guān)系穩(wěn)定；斷面形狀穩(wěn)定，水位和過水面積關(guān)系穩(wěn)定，就可以得到準(zhǔn)確的斷面流量數(shù)值。連續(xù)監(jiān)測流速和水位，就可以得到連續(xù)的流量過程。徑流統(tǒng)計中不需要水位流量關(guān)系線，直接使用流量過程計算出河道徑流。理論上，它不受變動回水的制約，完全可以在淹沒庫區(qū)內(nèi)進(jìn)行流量測驗。

3 回水影響下鹽津水文站的測驗方案

為了收集橫江上游河段水文資料并能為鹽津縣城防洪服務(wù)，要在橫江鹽津以上河段上增設(shè)一座水文站。而橫江干流上梯級水電站密布，逐級銜接，新建水文站只能在撒漁沱電站庫區(qū)選址。

基于已有現(xiàn)實可行的在變動回水影響區(qū)內(nèi)進(jìn)行流量測驗技術(shù)基礎(chǔ)上，我們提出鹽津水文站選擇東風(fēng)大橋斷面進(jìn)行流量測驗。因為這一斷面同時具有較好的水位和流速測驗條件。這一河段雖然位于撒魚沱電站庫區(qū)，但是河道順直，岸坡穩(wěn)定，水流平緩，這樣的斷面，水位面積關(guān)系、局部流速和斷面平均流速關(guān)系都很穩(wěn)定。通過雷達(dá)水位計和雷達(dá)流速儀在線監(jiān)測水位和中泓水面流速。結(jié)合大斷面測量，計算過水面積。利用ADCP測驗斷面流量，建立雷達(dá)測點表面流速和斷面平均流速的關(guān)系，從而實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測河道流量，收集河道水文資料的目標(biāo)。

這一方案也有缺點，都與目前的測驗儀器設(shè)備的局限性有關(guān)。一是流速過低時，雷達(dá)測速儀測驗困難。目前的雷達(dá)流速計，流速測量范圍：0.20～15 m/s，距離水面高度：0.5～20 m，測量最小波高：<5 mm。這說明，當(dāng)流速過低，水位變幅過大導(dǎo)致探頭距離水面太遠(yuǎn)，或者水面平穩(wěn)，波高不足，都會導(dǎo)致流速測驗失敗。二是ADCP則要求水流含沙量較小，否則，散射嚴(yán)重，測驗效果很差或者無法取得有效數(shù)據(jù)。橫江是一條多沙河流，上游干流豆沙關(guān)水文站實測最大含沙量109 kg/m3，支流白水江上的牛街水文站實測最大含沙量80.5 kg/m3。經(jīng)過實地測試，ADCP的使用效果較差，在高水高沙期間，基本無法使用，高水階段的斷面流速關(guān)系難以率定。