滕州水文站水文測驗受工程影響分析

李 珂 朱 祥 孫友和 張亞男 萬 珂

水文工作是水利及一切與水資源有關(guān)聯(lián)的國民經(jīng)濟建設(shè)、社會發(fā)展所必須的基礎(chǔ)性工作，近年來受涉水工程建設(shè)的影響，天然河道的自然特性受到較大破壞，改變了河流流態(tài)和洪水水文特性，嚴(yán)重影響了水文測站的測算報整工作以及水文資料系列的可靠性、一致性、代表性。滕州市位于山東省南部，河網(wǎng)密布，涉水工程眾多，水文監(jiān)測易受工程影響，其中滕州水文站是當(dāng)?shù)厮恼揪W(wǎng)中受工程影響最為典型的測站。本文將從水位觀測和流量測驗兩個方面對滕州水文站受工程影響的現(xiàn)狀、主要影響原因以及日常工作中采取的相應(yīng)對策進行簡要分析。

一、滕州水文站概況

1951年4月，由華東軍政委員會水利部設(shè)立滕縣水文站，2005年更名為滕州水文站。滕州水文站屬國家基本水文站，湖東區(qū)域代表站，位于城河中游，為常年河道站。站以上集水面積605km2，其中巖馬水庫集水面積353km2，占總集水面積的58%。流域呈芭蕉葉形，流域總長度43.0km，流域平均寬度13.6km，流域內(nèi)70%為丘陵地，淺山區(qū)和平原各約占15%。流域內(nèi)現(xiàn)有大型水庫1座，中型水庫1座，小型水庫32座，中小型水庫總控制面積103.5km2，總庫容 0.35×108m3。

滕州水文站測驗河段兩岸均為高地及人工砌石擋水墻，斷面總寬度約120m，主河槽寬81.6m。斷面上游235m為荊河橡膠壩（壩長90m，壩高3.0m），上游2400m為洪村橡膠壩（壩長80m，壩高3m）。斷面下游20m處建有一座漿砌石溢流堰（堰長79m，堰高 2m，堰頂高程 63.30m），下游1800m為城南橡膠壩（壩長116.5m，壩高2.5m）。

二、水位觀測受工程影響分析

1.洪水期水位變幅，水位漲落率均有所減小

水位變幅影響可根據(jù)日、月、年實際觀測資料分析計算，水位漲落率宜按6～30min的實際觀測水位最大變幅除以相應(yīng)時段長得到的水位漲落率與受工程影響前的相似洪水最大水位漲落率比較分析進行判別。經(jīng)過對本站逐年洪水期實測水位資料分析計算發(fā)現(xiàn)，滕州站洪水水位變幅及水位漲落率隨水利工程的逐年增加均有明顯減小的趨勢。主要是受上游巖馬水庫的調(diào)洪削峰影響，以及近年來斷面上游新建了大量的攔蓄工程，洪峰到達測站斷面時已經(jīng)過層層削減，不論是水位變幅還是水位漲落率均有所降低。

2.水位記錄失真，水位極值代表性差

受上游水利工程調(diào)洪影響，本站水位記錄已無法真實反映洪水的天然變化過程，水位記錄明顯失真。由于距上游荊河橡膠壩較近，汛期洪峰流量不大時，洪峰水位不一定即為當(dāng)日、當(dāng)月水位最高值，極值有可能出現(xiàn)在上游荊河橡膠壩快速升、落壩期間。同樣，年水位極值有可能出現(xiàn)在非汛期上游水利工程調(diào)整庫容的期間，由此可見，水利工程已逐漸成為測站水位變化的主要影響因素之一。在水位資料整編時應(yīng)特別注意，洪水期日平均水位不能代表水位變化過程的水位站應(yīng)編制洪水水位要素摘錄表，考慮到滕州站為河道站，兼有水位和流量測驗任務(wù)，可結(jié)合流量變化過程編制洪水水文要素摘錄表。

3.水位觀測設(shè)施設(shè)備影響及水位測驗整編方式的轉(zhuǎn)變

為更好地控制水位變化轉(zhuǎn)折點，測記更為完整的水位變化過程，滕州站目前采用人工和自動監(jiān)測相結(jié)合的方式觀測水位。根據(jù)規(guī)范要求，測站應(yīng)根據(jù)水位觀測的任務(wù)、要求及河流特性、河道地形以及水位變幅、漲落率等情況，選擇合適的自記水位計。結(jié)合測驗河段實際情況，經(jīng)過對不同類型的水位監(jiān)測設(shè)備進行對比分析，最終確定選用靈敏度較高、可靠性較好的浮子式水位計。滕州站位于滕州市主城區(qū)內(nèi)，因城市景觀的需要，河道斷面經(jīng)過多次整治，河底高程明顯降低，出現(xiàn)了自記水位井進水口高于現(xiàn)狀河底高程的情況。現(xiàn)階段通過施工改造降低進水口高程的難度較大，故在低水期完全采用人工觀測，在自記正常使用期間，人工和自記同時觀測，并視水情變化適當(dāng)增加人工觀測和自記校對次數(shù)，以確保能夠測得完整的水位變化過程。水位資料整編時，先選用自記資料進行整編，并根據(jù)人工觀測資料和水位變化趨勢對自記資料進行適當(dāng)精簡。但是要確保處理后的水位變化過程的完整性，確保經(jīng)處理以后計算的日平均水位與采用所有數(shù)據(jù)計算日平均水位相差不超過2cm，除此之外，處理后的水位變化過程還應(yīng)滿足推求流量的要求。

三、流量測驗受工程影響分析

1.低水測驗影響較大，測驗斷面無法固定，測驗方法多變，測次明顯增加

受上游橡膠壩及基下20m溢流堰蓄水影響，低水期斷面流量小、水深大、水面寬，最大水深超過2m，水面寬度大于70m，斷面平均流速很低，基本水尺斷面處已無法開展正常的流量測驗。根據(jù)規(guī)范要求，測驗河段宜選在石梁、急灘、彎道、卡口和人工堰壩等易形成斷面控制的上游河段。且低水期因景觀用水需要，基下1800m城南橡膠壩升壩蓄水，堰下斷面同樣出現(xiàn)水深大，水面寬，流速小的情況，故只能考慮在溢流堰上游尋找合適測流斷面。經(jīng)多次測流試驗發(fā)現(xiàn)，低水期可優(yōu)先于基上180m荊河橋混凝土底板進行流量測驗，該測流斷面平均水深一般大于0.16m，可利用流速儀懸桿涉水施測，水流平穩(wěn)時流速儀測法方便、快捷且精度較高。當(dāng)流量稍大，或荊河橡膠壩落壩放水時，由于該測流斷面距橡膠壩較近，流速隨流量的增加而迅速加大，水流變得紊亂，人員難以站立，無法繼續(xù)涉水施測。若改用測流車或ADCP施測，斷面水深相對較淺，很難保證測驗精度，故改為于基上600m茂源大橋利用ADCP或者測流車施測流量。茂源大橋位于荊河橡膠壩上游，受荊河橡膠壩蓄水影響，水深一般大于1.0m，利用ADCP或者測流車施測流量比較方便，流量成果精度較好。

現(xiàn)階段滕州站低水流量測驗受工程影響較為嚴(yán)重，測驗條件改變較大，不同斷面測驗精度有高有低，靠遷移斷面等傳統(tǒng)方法也很難找到合適的斷面。目前只能是根據(jù)水位級變化增設(shè)不同的測驗斷面，并視水流情況適當(dāng)增加流量測次。需要注意的是應(yīng)盡量避免在上游工程調(diào)節(jié)及水流波動劇烈期間進行流量測驗，可在調(diào)節(jié)結(jié)束后或水流平穩(wěn)持續(xù)時間較長、測驗精度受調(diào)節(jié)影響較小的時段內(nèi)進行。除此之外，還可考慮在今后測驗中嘗試使用水平式ADCP、底座式ADCP等較為科學(xué)實用的河流在線流量監(jiān)測方法。

2.水位流量關(guān)系影響及定線推流方法的選擇

要使水位流量關(guān)系保持穩(wěn)定，必須在同一水位下，斷面面積、水力半徑、河床糙率、水面比降等因素均保持不變，或者各因素雖有變化，但對水位流量關(guān)系的影響能相互補償。滕州站基下20m漿砌石溢流堰的堰高、堰寬固定，兩岸斷面相對規(guī)則，易形成斷面控制。同時，受上游水利工程攔蓄影響，水流含沙量低，斷面受沖淤影響較小，河底比降相對固定，有利于形成較為穩(wěn)定的水位流量關(guān)系。下游城南橡膠壩正常蓄水位與溢流堰堰下消力池等高，因有溢流堰相隔，下游橡膠壩正常升落壩對斷面不產(chǎn)生變動回水影響，過水流態(tài)為自由式堰流，水位流量關(guān)系點理論上應(yīng)較為密集，分布呈明顯帶狀，符合水位流量關(guān)系單一曲線的基本走勢。但在水位流量關(guān)系圖上，關(guān)系點子的分布還受測驗誤差、水力因素變化的影響，甚至?xí)斐杉傧螅诜治鰰r要力求將水力因素的變化和測驗的誤差或問題的影響分辨清楚；要很好地了解測站河流特性和測驗工作情況、誤差幅度，深入細致地進行分析。

根據(jù)實測流量成果，點繪水位流量、水位面積、水位流速點據(jù)，通過點群中心，分別勾繪出相應(yīng)的3條平滑關(guān)系曲線，使測點均勻地分布于曲線兩旁，并使曲線盡可能靠近測驗精度較高的測點。從關(guān)系曲線圖中可以看出，大多數(shù)測點與平均關(guān)系曲線的偏離不大，同水位曲線上查得的流量近似等于面積與流速的乘積，但仍有部分測點偏離超過±5%。對偏離測點的斷面位置，測時水位、水流情勢等進行研究分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)上游荊河橡膠壩壩高不變，測驗斷面相對固定的時段內(nèi)，測點水位流量關(guān)系較好；在橡膠壩壩高變動或受其他人為因素影響，測驗斷面無法固定的時段內(nèi)，水位流量關(guān)系較差。綜合滕州站現(xiàn)狀水位流量關(guān)系情況，決定采用臨時曲線法和連時序法相結(jié)合的方式定線推流，水流相對平穩(wěn)時期采用臨時曲線法推流，其他時間采用連時序法推求。

四、結(jié)語

近年來隨著涉水工程的興建，水文測驗受工程影響日益嚴(yán)重，滕州水文站駐站人員正視存在問題，改變傳統(tǒng)測驗觀念，針對測站上下游工程現(xiàn)狀，認真分析主要影響原因，依據(jù)相關(guān)測驗整編規(guī)范提出了具體的應(yīng)對策略。通過調(diào)整測驗斷面，增加流量測次，改變測驗、整編方法，制定具體的測驗方案，滕州水文站目前可較好地完成日常水文測驗整編工作，但這并不能從根本上解決受工程影響的水文測驗問題，必須采用新技術(shù)和其他測驗方式代替現(xiàn)行測驗方式。建議相關(guān)部門盡快制定更為詳細的受工程影響的水文測驗規(guī)定，積極推廣運用各種水文新方法、新技術(shù)，為解決現(xiàn)行測驗問題提供更多、更好的技術(shù)支持