石牡麗

(陜西省水文水資源勘測(cè)局，陜西西安721000)

1 基本情況

1.1 測(cè)站基本情況

1.2 流域概況

黑河為渭河南岸較大支流，發(fā)源于秦嶺北麓太白山主峰東側(cè)，河長(zhǎng)115 km。黑峪口水文站位于黑河下游，上游1 km建有金盆水庫(kù)一座。其上主要支流有大莽河、板房子河、虎豹河、王家河等，河流水系呈扇形。

1.3 水文氣象

流域地處秦嶺北麓，為秦嶺褶皺帶，上游大部分為高中山區(qū)，海拔700 m～3500 m。流域?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫13.2℃。本站多年平均降水量786 mm,多年平均徑流量5.919億m3，調(diào)查最大流量3620 m3/s，發(fā)生在1898年8月3日。實(shí)測(cè)最大流量2970 m3/s，發(fā)生于1980年7月2日。建站以來(lái)最大流量3040 m3/s，發(fā)生在1980年7月2日。實(shí)測(cè)最大含沙量92.2kg/m3，發(fā)生于1980年8月23日。

1.4 測(cè)驗(yàn)斷面情況

基本斷面上游1 km處建有黑河金盆水利樞紐工程，為西安市重要水源地。本站測(cè)驗(yàn)河段順直，河床由沙卵石組成，左右岸均為人工提防。上游約700 m處有黑河金盆水庫(kù)一座，下游90 m處建有黑惠渠引水拱水壩一處。測(cè)驗(yàn)河段共布設(shè)上、中、下三個(gè)斷面，流速儀測(cè)流斷面兼浮標(biāo)中斷面，基本水尺斷面與流速儀斷面、浮標(biāo)中斷面重合，浮標(biāo)上下斷面間距110 m。2010年基上360 m設(shè)立固定臨時(shí)斷面為低水測(cè)流斷面。

1.5 金盆水庫(kù)電站發(fā)電情況

金盆水庫(kù)壩后電站裝置三臺(tái)HLAl53-LJ-120型水輪機(jī)及單機(jī)容量4000 kW的發(fā)電機(jī)一臺(tái)、8000 kW發(fā)電機(jī)兩臺(tái)，總裝機(jī)容量20000 kW。電站年平均發(fā)電量7308萬(wàn)kW·h。其中一臺(tái)8000 kW機(jī)組常年發(fā)電，流量約為10 m3/s，棄水泄入供水管道，為西安城市供水。其余兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，根據(jù)上游來(lái)水及黑惠渠用水量多少選擇決定，棄水泄入河道。其4000 kW的發(fā)電機(jī)開(kāi)啟運(yùn)行，下泄流量約5 m3/s，其8000 kW的發(fā)電機(jī)開(kāi)啟運(yùn)行，下泄流量約10 m3/s，其二臺(tái)發(fā)電機(jī)組同時(shí)開(kāi)啟運(yùn)行，下泄流量約15 m3/s。

2 分析目的

通過(guò)搜集本站歷年實(shí)測(cè)水文資料，分析證明水位～流量歷年關(guān)系穩(wěn)定，從而確定水位流量單值化關(guān)系，為簡(jiǎn)化該站測(cè)驗(yàn)工作和水文巡測(cè)提供技術(shù)支撐。

3 分析依據(jù)

本次分析依據(jù)為中華人民共和國(guó)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水文巡測(cè)規(guī)范》(SL 195-2015)。

4 資料選用

4.1 資料選用的緣由

由于本站資料受水力因素和設(shè)施改造等影響因素較多，因此本次單值化分析在選用資料時(shí)，從資料的代表性、可靠性、一致性綜合考慮，按本站測(cè)驗(yàn)斷面變化和受影響因素等相同條件的資料分別進(jìn)行分析。從而達(dá)到單值化范圍更大、更合理的目的。

3.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體的弱質(zhì)性。目前，重慶市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)法人經(jīng)營(yíng)主體以農(nóng)業(yè)合作社或中小型農(nóng)業(yè)公司為主，普遍存在規(guī)模小、實(shí)力弱、專(zhuān)業(yè)素質(zhì)不高、經(jīng)營(yíng)管理粗放等問(wèn)題，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)運(yùn)營(yíng)低效、創(chuàng)收效益不強(qiáng)。2017年，重慶城鄉(xiāng)居民收入比為2.55∶1，城鄉(xiāng)收入差距高于同期四川省水平。

4.2 分析資料采用

選用了黑峪站2007年～2019年基本斷面的實(shí)測(cè)大斷面資料和2007年～2019實(shí)測(cè)流量成果，分析基本斷面水位流量關(guān)系；選用2013年～2019年實(shí)測(cè)大斷面成果和實(shí)測(cè)流量成果，分析設(shè)施改造及基本斷面水尺由左岸移至右岸后的基本斷面水位～流量關(guān)系；選用基上360 m處實(shí)測(cè)大斷面資料及實(shí)測(cè)流量成果，分析基上360 m處實(shí)測(cè)水位～流量單值關(guān)系。

4.3 采用資料次數(shù)及舍棄情況

本次分析選用基本斷面實(shí)測(cè)流量點(diǎn)276次，其中2013年～2019年實(shí)測(cè)流量74次，選用基本斷面實(shí)測(cè)大斷面資料13次；舍棄錯(cuò)誤點(diǎn)一次，選用臨時(shí)斷面實(shí)測(cè)流量點(diǎn)193次，臨時(shí)斷面實(shí)測(cè)大斷面資料7次。

5 水位流量關(guān)系單值化分析

5.1 測(cè)驗(yàn)斷面分析

黑峪口站測(cè)驗(yàn)河段較順直，河床由卵礫石組成，右岸河堤為自然坡岸，左岸河堤為人工堤防。河床沖淤變化直接受黑河金盆水庫(kù)調(diào)節(jié)放水影響，陡漲陡落嚴(yán)重，河床沖淤變化主要發(fā)生在洪水期?；緮嗝嫦掠喂八畨?005出現(xiàn)垮壩，2006年原址、原高程重新修建，2006年當(dāng)年投入使用，從實(shí)測(cè)流量成果資料情況看2009年以前受下游拱水壩較小，2009年6月12日以前基本斷面水位受下游拱水壩影響，水位高，流量小，2009年6月12日以后，因黑惠渠改造閘門(mén)，導(dǎo)致基本水尺水位沒(méi)有代表性，在基上400 m處測(cè)流，實(shí)測(cè)對(duì)應(yīng)的水位為基上400 m處水位，2010年開(kāi)始固定基上360 m斷面為臨時(shí)測(cè)流斷面，流量小于或等于22 m3/s在臨時(shí)斷面(基上360 m)測(cè)流，對(duì)應(yīng)水位為臨時(shí)斷面的水位；流量大于22 m3/s在基本水尺斷面測(cè)流。2012年，本站測(cè)驗(yàn)設(shè)施改造，起點(diǎn)距發(fā)生改變，實(shí)測(cè)大斷面圖出現(xiàn)位移，水流導(dǎo)槽，從左岸導(dǎo)入右岸，基本斷面水尺也從左岸設(shè)立至右岸。測(cè)驗(yàn)斷面變化圖，見(jiàn)圖1。2012年～2019年河床略呈逐年抬高趨勢(shì)見(jiàn)圖2。臨時(shí)斷面右岸河槽近年基本穩(wěn)定，左岸受沖淤積變化較大，2019年受大水影響淤積較嚴(yán)重。歷年斷面變化圖見(jiàn)圖3。

圖1 黑峪口水文站歷年實(shí)測(cè)大斷面圖

圖3 黑峪口(四)站基上360 m大斷面圖

5.2 實(shí)測(cè)流量水位變幅的控制分析

5.2.1 基本斷面不受回水及閘門(mén)影響系列資料分析

實(shí)測(cè)流量水位變幅控制分析選用2007年～2019基本斷面不受回水及閘門(mén)影響的資料，參加分析的實(shí)測(cè)流量277點(diǎn)次，實(shí)測(cè)最高洪水位470.76 m(2019年)，實(shí)測(cè)最大流量1070 m3/s(2019年)，實(shí)測(cè)最低水位河干(2007年)，實(shí)測(cè)最小流量0 m3/s(2007年)，歷年最高水位470.76 m，最低水位河干463.83 m(2018年)，水位變幅8.41 m，實(shí)測(cè)水位變幅占?xì)v年水位變幅的44%。見(jiàn)表1。

表1 黑峪口(四)站水位變幅計(jì)算表

5.2.2 基本斷面因設(shè)施改造，斷面發(fā)生變化后的系列資料分析

實(shí)測(cè)流量水位變幅控制分析選用2013年～2019斷面變化后的資料，參加分析的實(shí)測(cè)流量75點(diǎn)次，實(shí)測(cè)最高洪水位470.76 m(2019年)，實(shí)測(cè)最大流量1070 m3/s(2019年)，實(shí)測(cè)最低水位河干(2013年)，實(shí)測(cè)最小流量0 m3/s(2013年)，歷年最高水位470.76 m，最低水位河干463.83 m(2018年),水位變幅6.93 m,實(shí)測(cè)水位變幅占?xì)v年水位變幅的32.5%。見(jiàn)表2，水幅未達(dá)到規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)，原因同前。

表2 黑峪口(四)站水位變幅計(jì)算表

5.2.3 基上360 m臨時(shí)測(cè)流斷面系列資料分析

從以上測(cè)點(diǎn)及表3得知，表3達(dá)到了此標(biāo)準(zhǔn)，表1、表2，沒(méi)有達(dá)到規(guī)范規(guī)定的實(shí)測(cè)流量水位變幅控制歷年水位變幅80%以上的規(guī)定。原因如下：一是由于受上游水庫(kù)調(diào)節(jié)影響所致，非汛期經(jīng)常出現(xiàn)河干現(xiàn)象；二是流量在22 m3/s以下在基上360 m測(cè)流，采用臨時(shí)斷面水位；三是流量在22 m3～110 m3由于水庫(kù)放水設(shè)施受影響洪水漲落速度非?？欤矛F(xiàn)有設(shè)施設(shè)備不能精準(zhǔn)及時(shí)施測(cè)，實(shí)測(cè)流量點(diǎn)子稀缺。

表3 黑峪口(四)站水位變幅計(jì)算表

5.3 水位流量關(guān)系線綜合分析

5.3.1 2007年～2019年基本斷面歷年水位～流量綜合關(guān)系線繪制與分析

將黑峪口(四)站從2007年～2019年基本斷面水位流量關(guān)系曲線點(diǎn)繪在同一張圖上，見(jiàn)圖4，由圖可見(jiàn),歷年水位流量關(guān)系點(diǎn)據(jù)密集，自然分布呈一條帶狀。由于測(cè)點(diǎn)較多，主要表現(xiàn)在低水點(diǎn)子散亂，誤差相對(duì)較大，但經(jīng)過(guò)對(duì)曲線不斷的調(diào)整，分別進(jìn)行三種檢驗(yàn)及隨機(jī)不確定度計(jì)算，三種檢驗(yàn)中適線檢驗(yàn)不能通過(guò)，見(jiàn)表5，其不確定度為15.2%，符合《規(guī)范》表4.5.2單值化關(guān)系線定線允許隨機(jī)不確定度二類(lèi)站精度的水文站不確定度16%的要求。系統(tǒng)誤差為-0.4%，小于《規(guī)范》允許誤差標(biāo)準(zhǔn)±3%的規(guī)定。通過(guò)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)分析主要原因是因?yàn)?2 m3/s～110 m3/s流量點(diǎn)次偏少，誤差太大造成的。

圖4 黑峪口(四)站基本斷面2007年～2019年水位流量綜合關(guān)系曲線

表4 單值化關(guān)系定線允許隨機(jī)不確定度 單位：%

通過(guò)表5得知，用2007年～2019年實(shí)測(cè)點(diǎn)確定綜合線能通過(guò)檢驗(yàn)并達(dá)二類(lèi)站精度要求標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)測(cè)流量在1.30 m3/s～1070 m3/s，但由于設(shè)施改造斷面變化資料不呈同一系列，它們的相同之處是都是基本斷面的實(shí)測(cè)點(diǎn)，而且基本斷面低水實(shí)測(cè)點(diǎn)少而在現(xiàn)有設(shè)施設(shè)備條件下比較難得，如果條件允許的話(huà)，以后用先進(jìn)儀器在基本斷面測(cè)流，校正以上分析成果，可以延長(zhǎng)水位流量單值化的范圍。

表5 黑峪口(四)站水位流量關(guān)系曲線檢驗(yàn)表

5.3.2 2013年～2019年基本斷面歷年水位～流量關(guān)系線繪制與分析

將2013年～2019年各年基本斷面實(shí)測(cè)點(diǎn)分別定線，見(jiàn)圖5，各年水位流量關(guān)系呈單一線，并能通過(guò)曲線檢驗(yàn)，當(dāng)年關(guān)系線與綜合關(guān)系線最大偏離值不大于巡測(cè)規(guī)范規(guī)定的流量間測(cè)關(guān)系曲線偏離允許的相對(duì)誤差。誤差計(jì)算見(jiàn)表6、表7。2016年全年在臨時(shí)斷面測(cè)流，因此未定2016年水位、流量關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3。

表6 黑峪口(四)流量間測(cè)關(guān)系曲線偏離相對(duì)誤差 單位：%

表7 黑峪口(四)2013年～2019年實(shí)測(cè)流量點(diǎn)綜合線檢驗(yàn)表

圖5 黑峪口(四)站2013年～2019年實(shí)測(cè)點(diǎn)與水位流量綜合關(guān)系線圖

由此可以看出2013年～2019年各年關(guān)系線符合規(guī)范要求標(biāo)準(zhǔn)，可以在分析值范圍內(nèi)(流量110 m3/s～1070 m3/s)實(shí)行間測(cè)。

5.3.3 2013年～2019年臨時(shí)斷面水位～流量關(guān)系線繪制與分析

將2013年～2019年基上360 m處實(shí)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)繪在一張圖上，實(shí)測(cè)點(diǎn)密集成一帶狀，過(guò)點(diǎn)群中心定一條曲線，見(jiàn)圖6。由于低水點(diǎn)多，對(duì)曲線進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)均無(wú)法通過(guò)檢驗(yàn)，達(dá)不到規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)分析上游360 m臨時(shí)斷面基本穩(wěn)定，水位流量關(guān)系良好，主要受洪水漲落，斷面沖淤變化影響所致。

圖6 黑峪口(四)站基上360 m歷年實(shí)測(cè)流量點(diǎn)與綜合關(guān)系曲線圖

6 結(jié)論及建議

6.1 通過(guò)分析得出以下結(jié)論：

1)對(duì)該站多年實(shí)測(cè)流量資料分析，該站基本斷面流量可以概括為三方面：①區(qū)間產(chǎn)流及大壩滲水Q=0～2.5 m3/s；②大壩泄流Q>100 m3/s；③發(fā)電站棄水Q=5 m3/s～15 m3/s。三者之間過(guò)度很快，系人為因素，極少持續(xù)發(fā)生，平時(shí)很難正常捕捉施測(cè)瞬時(shí)流量。Q=20 m3/s～100 m3/s很少發(fā)生，僅僅是水庫(kù)泄洪開(kāi)閘、關(guān)閘瞬間存在。

2)黑峪口(四)站流量在110 m3/s～1070 m3/s范圍內(nèi)可以單值化，利用單值化水位流量綜合線直接推求；當(dāng)河道出現(xiàn)大于1070 m3/s流量時(shí)，要及時(shí)恢復(fù)高流量測(cè)驗(yàn)，控制洪峰過(guò)程，并用實(shí)測(cè)洪水點(diǎn)修定水位流量關(guān)系曲線。

3)流量22 m3/s～110 m3/s，僅僅是水庫(kù)泄洪開(kāi)閘、關(guān)閘影響，實(shí)測(cè)流量點(diǎn)子偏少，也是造成2007年～2019年綜合關(guān)系曲線適檢驗(yàn)無(wú)法通過(guò)的主要原因。

4)22 m3/s以下，由于黑惠渠閘門(mén)改造影響，基本斷面水位失去代表性，在基上360 m處測(cè)流，用基上360 m處水位建立水位流量關(guān)系，與基本斷面無(wú)直接水位流量關(guān)系，用基上360 m處水位與相應(yīng)實(shí)測(cè)流量建立關(guān)系，無(wú)法通過(guò)三項(xiàng)檢驗(yàn)，暫時(shí)不能定制出臨時(shí)斷面實(shí)測(cè)流量單值化綜合線。

6.2 建議

建議流量在110 m3/s以下用電波流速儀或ADCP測(cè)流儀在基本斷面測(cè)流并校正2007年～2019年水位流量綜合線，22 m3/s以下，如果實(shí)測(cè)點(diǎn)均勻分布在綜合線兩邊，可以減少流量測(cè)驗(yàn)次數(shù)，22 m3/s～110 m3/s加密流量測(cè)次，校正合理的情況下可以縮短110 m3/s以下流量間測(cè)試驗(yàn)時(shí)間，通過(guò)再分析重新率定綜合線延長(zhǎng)水位流量單值化范圍，或者在基本斷面下游修建量水堰來(lái)解決流量≤110 m3/s的測(cè)驗(yàn)問(wèn)題。