大黑汀水庫入唐渠與沙嶺溝站流量比測分析

鄭 苗，陳研研

0 前言

引灤入唐工程從灤河大黑汀水庫引水，跨流域輸入薊運(yùn)河支流還鄉(xiāng)河邱莊水庫，再從邱莊水庫穿過還鄉(xiāng)河與陡河分水嶺，經(jīng)陡河西支將水調(diào)入陡河水庫，然后再從陡河水庫將水輸入下游和唐山市市區(qū)，供城市生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水[1-3]。工程由明渠、渡槽、隧洞、埋管、水電站、公路橋和天然河道疏浚開卡組成。沙嶺溝站（4+271.5 m）為引灤入唐水量監(jiān)測輔助站，隸屬遷西縣河道管理處，該站自1994年率定水位～流量關(guān)系后一直沿用至今[4-5]。為了更準(zhǔn)確的為引灤入唐引水量提供計(jì)量依據(jù)，通過實(shí)測數(shù)據(jù)分析大黑汀水庫入唐渠和沙嶺溝兩站流量關(guān)系，率定沙嶺溝站水位～流量關(guān)系曲線，為引灤入唐引水計(jì)量提供可靠的量化依據(jù)。

1 監(jiān)測斷面間渠道概況

沙嶺溝流量監(jiān)測斷面（4+271.5 m）位于大黑汀水庫入唐渠斷面（0+725 m）下游3546.5 m，兩斷面間由明渠與渡槽連接。大黑汀水庫入唐渠斷面（0+725 m）至橫河渡槽為人工開辟石渠。石渠段為梯形斷面，底寬8m，邊坡以1∶0.75的坡比與擋土墻相接，渠底縱坡i=1/4000。渠道底板及邊坡為混凝土襯砌，強(qiáng)度標(biāo)號R28=150，抗凍等級D=150號，抗?jié)B等級S=4。渠頂高程與擋土墻頂相同，左右岸設(shè)有一級馬道，左岸寬5 m，右岸寬3.5 m，為100號素混凝土結(jié)構(gòu)。橫河渡槽采用矩形槽型，分帶拉桿槽和無拉桿槽兩種。帶拉桿槽共134節(jié)，每節(jié)長10 m，凈寬10 m，節(jié)與節(jié)間設(shè)柏油瀝青木板及橡皮油膏止水。不帶拉桿槽共19節(jié)，每節(jié)長15 m，寬10 m，節(jié)間均設(shè)651型塑料止水，頂部1.6 m寬的人行道兩側(cè)設(shè)鋼管欄桿。渡槽至沙嶺溝斷面為矩形混凝土渠道，渠道凈寬10 m，凈高5.5 m，底板厚1 m，側(cè)墻頂部厚度0.5 m，底部厚1 m，設(shè)有1∶0.5的八字抹角。

兩斷面間渠道運(yùn)行良好，引水期間沒有明顯跑、冒、滴、漏水現(xiàn)象，中途沒有取水、偷水現(xiàn)象。

2 野外監(jiān)測

2.1 斷面水準(zhǔn)測量

2.1.1 大黑汀水庫（入唐渠）斷面測量

大黑汀水庫入唐渠斷面為混凝土澆筑梯形斷面，水尺為漆畫傾斜水尺，河底高程115.44m，河底寬8m，兩岸邊坡比1∶0.75。經(jīng)校核大黑汀水庫（入唐渠）斷面水尺零點(diǎn)高程115.44m，根據(jù)實(shí)測斷面成果繪制了斷面圖及斷面水位～面積關(guān)系曲線，見圖1。

圖1 大黑汀水庫入唐渠斷面圖及水位～面積關(guān)系線圖

2.1.2 沙嶺溝斷面測量

沙嶺溝流量監(jiān)測斷面（4+271.5 m）渠道凈寬10 m，凈高5.5 m，底板厚1 m，側(cè)墻頂部厚度0.5 m，設(shè)有1∶0.5的八字抹角。渠底高程114.27 m，底寬9.0 m，上口寬10.0 m。經(jīng)校核沙嶺溝斷面水尺零點(diǎn)高程114.27 m。根據(jù)實(shí)測斷面成果繪制斷面圖及斷面水位～面積關(guān)系曲線，見圖2。

圖2 沙嶺溝斷面圖及水位～面積關(guān)系線圖

2.2 流量監(jiān)測

2.2.1 監(jiān)測方案

水庫通過調(diào)度放水閘門，控制4個流量級放水，提閘順序?yàn)椋?0→20→30→40→30→20→10→20（單位 m3/s），兩站分別于漲、落水面的每個流量級施測一次流量。流量施測時機(jī)定為閘門變動水位平穩(wěn)2～4小時后進(jìn)行。水深條件具備時，流量測驗(yàn)采用三點(diǎn)精測法，共布設(shè)7條測速垂線。

2.2.2 流量監(jiān)測情況

利用渠道放水時機(jī)，對大黑汀水庫入唐渠斷面（0+725 m）進(jìn)行了流量監(jiān)測，施測流量9次，測得水位變幅116.64m～117.88 m、流量變幅 9.59 m3/s～37.9 m3/s。

對沙嶺溝（4+271.5）斷面進(jìn)行了12次流量監(jiān)測，測得水位變幅 115.04～116.09 m、流量變幅 9.39～37.8 m3/s。

為分析兩站流量關(guān)系，找出兩站中途水量損失情況，沙泠溝站1～9次流量施測與大黑汀水庫入唐渠斷面同步進(jìn)行。因兩處斷面相距3546.5 m，用不同流量級斷面平均流速計(jì)算水頭傳遞時間，沙嶺溝斷面測流時間較入唐渠斷面測流時間后延30～50 min。

3 監(jiān)測成果分析

3.1 單次流量測驗(yàn)精度分析

大黑汀水庫入唐渠斷面施測號數(shù)3次流量27.6 m3/s，總不確定度XQ=5.5%，系統(tǒng)誤差μ?Q=-1.0；施測號數(shù)4次流量37.9 m3/s，總不確定度XQ=5.5%，系統(tǒng)誤差μ?Q=-1.0。沙嶺溝斷面施測號數(shù)5次流量28.0 m3/s，總不確定度XQ=5.4%，系統(tǒng)誤差 μ?Q=-1.0；施測號數(shù)4次流量37.8m3/s，總不確定度XQ=5.4%，系統(tǒng)誤差μ?Q=-1.0；兩站所有測次均能夠達(dá)到二類站中、低水流速儀測法測驗(yàn)精度要求。

3.2 兩站流量對比分析

比較大黑汀水庫入唐渠（0+725 m）和沙嶺溝（4+271.5 m）兩站實(shí)測流量數(shù)據(jù)，沙嶺溝站較上游入唐渠站平均偏小0.6%，相對值最大偏小2.1%，最小偏小0.0%；絕對值最大偏小0.2 m3/s，最小偏小0.0 m3/s。

下游的沙嶺溝站流量較上游大黑汀水庫入唐渠站流量基本沒有流量損失，符合渠道特性。

3.3 水位～流量關(guān)系曲線精度分析

為了準(zhǔn)確計(jì)算出引水水量，需要有實(shí)時的流量作為計(jì)算依據(jù)。目前兩站只安裝了自記水位計(jì)，只能獲得實(shí)時水位變化情況，不能得到實(shí)時流量。對于水位流量關(guān)系比較穩(wěn)定的斷面，可以建立水位～流量關(guān)系曲線，利用水位來推求流量。用圖解或解析計(jì)算的方法來率定水位～流量之間關(guān)系的工作稱為定線。用率定好的水位～流量關(guān)系曲線推求流量的工作稱為“推流”。定出的單一關(guān)系曲線是否能夠滿足流量推求精度要求，就要對水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行三種檢驗(yàn)（符號檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離值檢驗(yàn)），計(jì)算流量關(guān)系點(diǎn)對關(guān)系線的標(biāo)準(zhǔn)差及隨機(jī)不確定度。

3.3.1 大黑汀水庫入唐渠斷面水位～流量關(guān)系曲線

大黑汀水庫水文站為國家基本水文站，大黑汀水庫入唐渠斷面每年過水期間均施測流量，根據(jù)實(shí)測流量定線推流。本站水位～流量關(guān)系曲線除受測驗(yàn)河段控制外，還受水庫電站發(fā)電及斷面上游（基上135 m）分水閘門變化高度及分水影響。本次分析工作開展過程中，大黑汀水庫放水閘門變閘，發(fā)電機(jī)組沒有工作，基上135 m分水閘全部提出水面且沒有向引灤入津渠分水。即本次分析工作監(jiān)測的9次流量與日常引水實(shí)際情況略有不同，故本次實(shí)測流量成果只能用于對比分析本站與沙嶺溝站流量損失情況，不能用本次流量定出水位～流量關(guān)系曲線作為今后引灤入唐渠計(jì)量依據(jù)。

分析工作由于只實(shí)測9次流量，不進(jìn)行曲線三種檢驗(yàn)計(jì)算，只結(jié)合實(shí)測流量給出水位～流量關(guān)系曲線見圖3。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，測點(diǎn)相對誤差在±5%之內(nèi)的點(diǎn)子占總測次的100%，測點(diǎn)最大相對誤差為-2.5%，且無系統(tǒng)偏離，《水文資料整編規(guī)范》（SL247-1999）渠道站單一曲線法流量定線精度要求。

圖3 大黑汀水庫入唐渠水位～流量關(guān)系圖

3.3.2 沙嶺溝斷面水位～流量關(guān)系曲線

沙嶺溝斷面為人工砼漿砌，斷面形狀為矩形，無沖淤變化。下游為順直矩形人工渠道和隧洞，縱坡穩(wěn)定，下游河段形成了良好的河槽控制，適用單一曲線法推求流量。分析水位～流量、水位～面積、水位～流速關(guān)系曲線，其曲線水位～面積曲線凹向下方，且點(diǎn)子集中，反映了無沖淤的矩形斷面特性。水位～流速關(guān)系曲線下部下凹，上部上凹，符合水位～流速關(guān)系規(guī)律。水位～流量關(guān)系為單一曲線，測點(diǎn)集中，關(guān)系良好。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，測點(diǎn)相對誤差在±5%之內(nèi)的點(diǎn)子占總測次的100%，測點(diǎn)最大相對誤差為4.1%，且無系統(tǒng)偏離。

水位～流量關(guān)系曲線三種檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果為：曲線標(biāo)準(zhǔn)差為2.1%，定線精度較高。沙嶺溝斷面水位～流量關(guān)系圖見圖4。受測驗(yàn)資料限制，以上水位流量關(guān)系曲線只在水位115.00 m～116.10 m（流量在 8.72～38.0 m3/s）范圍內(nèi)適用。

圖4 沙嶺溝站水位～流量關(guān)系圖

分析沙嶺溝斷面水位～流量關(guān)系圖可以發(fā)現(xiàn)，水位高于115.80 m（流量超過32.0 m3/s）時，水位流量關(guān)系線出現(xiàn)反曲。曲線反曲的原因?yàn)榱魉贉p小。分析不同流量級兩斷面間水面比降可以發(fā)現(xiàn)，第4次流量測次流量37.8 m3/s，但兩斷面間水面比降僅為0.505‰，水面比降明顯和前3次比降不成同一系列，見圖5。

圖5 測驗(yàn)河段水面比降對比分析圖

經(jīng)調(diào)查，原因?yàn)槟嫌^電站（沙嶺溝斷面下游8433.5 m）為提高機(jī)組效率，從而抬高水位增加勢能所致。當(dāng)渠道流量超過32.0 m3/s時，南觀電站閘門雍水可使沙嶺子隧洞滿管運(yùn)行，下游回水使測驗(yàn)河段比降變小，影響了水流流速，從而影響了沙嶺溝斷面高水水位～流量關(guān)系。由于這一現(xiàn)實(shí)原因的存在，使水位超過115.80 m時，水位～流量關(guān)系曲線反曲也是合理的。

3.4 與以往結(jié)果對比

本次沙嶺溝斷面實(shí)測水位控制變幅115.04 m～116.09 m、流量變幅9.39 m3/s～37.8 m3/s。對比1994年與2012年水位～流量關(guān)系曲線，2012年關(guān)系線較1994年關(guān)系曲線偏左，說明同水位流量2012年較1994年有所偏小，平均偏小5.7%。正常引水情況下25.0～35.0 m3/s流量級平均偏小3.4%；水位115.00 m時流量偏小5.1%，115.80m時流量偏小2.1%。流量偏小主要原因?yàn)殡S著渠道運(yùn)行時間的推移，渠道糙率變大，影響水頭流速進(jìn)而影響流量。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）兩站流量對比結(jié)果：流量穩(wěn)定情況下，沙嶺溝站實(shí)測流量較大黑汀水庫入唐渠站平均偏小0.6%，相對值最大偏小2.1%，最小偏小0.0%；絕對值最大偏小0.2 m3/s，最小偏小0.0 m3/s。下游的沙嶺溝站較上游大黑汀水庫入唐渠站基本沒有水量損失，符合渠道特性。

（2）沙嶺溝站2012年水位～流量單一關(guān)系曲線同水位級流量較1994年關(guān)系曲線平均偏小5.7%，25.0 m3/s～35.0 m3/s流量級平均偏小3.4%，曲線標(biāo)準(zhǔn)差為2.1%。定線方法及定線精度滿足《水文資料整編規(guī)范》要求，本站水位～流量單一曲線可以作為引水計(jì)量輔助參考依據(jù)。

4.2 建議

本次分析工作重點(diǎn)率定115.50 m～115.90 m（相應(yīng)流量23.0 m3/s～35.0 m3/s）水位～流量關(guān)系，低水及高水部分沒有分析。要得到現(xiàn)狀條件下完整水位～流量關(guān)系曲線，今后應(yīng)重點(diǎn)對低、高水增加流量測次，結(jié)合南觀電站發(fā)電情況，確定低、高水曲線走勢。

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