大黑汀水库入唐渠与沙岭沟站流量比测分析

2018-04-02陈研研

陕西水利 2018年1期

郑苗，陈研研

0 前言

引滦入唐工程从滦河大黑汀水库引水，跨流域输入蓟运河支流还乡河邱庄水库，再从邱庄水库穿过还乡河与陡河分水岭，经陡河西支将水调入陡河水库，然后再从陡河水库将水输入下游和唐山市市区，供城市生活和工农业生产用水[1-3]。工程由明渠、渡槽、隧洞、埋管、水电站、公路桥和天然河道疏浚开卡组成。沙岭沟站（4+271.5 m）为引滦入唐水量监测辅助站，隶属迁西县河道管理处，该站自1994年率定水位～流量关系后一直沿用至今[4-5]。为了更准确的为引滦入唐引水量提供计量依据，通过实测数据分析大黑汀水库入唐渠和沙岭沟两站流量关系，率定沙岭沟站水位～流量关系曲线，为引滦入唐引水计量提供可靠的量化依据。

1 监测断面间渠道概况

沙岭沟流量监测断面（4+271.5 m）位于大黑汀水库入唐渠断面（0+725 m）下游3546.5 m，两断面间由明渠与渡槽连接。大黑汀水库入唐渠断面（0+725 m）至横河渡槽为人工开辟石渠。石渠段为梯形断面，底宽8m，边坡以1∶0.75的坡比与挡土墙相接，渠底纵坡i=1/4000。渠道底板及边坡为混凝土衬砌，强度标号R28=150，抗冻等级D=150号，抗渗等级S=4。渠顶高程与挡土墙顶相同，左右岸设有一级马道，左岸宽5 m，右岸宽3.5 m，为100号素混凝土结构。横河渡槽采用矩形槽型，分带拉杆槽和无拉杆槽两种。带拉杆槽共134节，每节长10 m，净宽10 m，节与节间设柏油沥青木板及橡皮油膏止水。不带拉杆槽共19节，每节长15 m，宽10 m，节间均设651型塑料止水，顶部1.6 m宽的人行道两侧设钢管栏杆。渡槽至沙岭沟断面为矩形混凝土渠道，渠道净宽10 m，净高5.5 m，底板厚1 m，侧墙顶部厚度0.5 m，底部厚1 m，设有1∶0.5的八字抹角。

两断面间渠道运行良好，引水期间没有明显跑、冒、滴、漏水现象，中途没有取水、偷水现象。

2 野外监测

2.1 断面水准测量

2.1.1 大黑汀水库（入唐渠）断面测量

大黑汀水库入唐渠断面为混凝土浇筑梯形断面，水尺为漆画倾斜水尺，河底高程115.44m，河底宽8m，两岸边坡比1∶0.75。经校核大黑汀水库（入唐渠）断面水尺零点高程115.44m，根据实测断面成果绘制了断面图及断面水位～面积关系曲线，见图1。

图1 大黑汀水库入唐渠断面图及水位～面积关系线图

2.1.2 沙岭沟断面测量

沙岭沟流量监测断面（4+271.5 m）渠道净宽10 m，净高5.5 m，底板厚1 m，侧墙顶部厚度0.5 m，设有1∶0.5的八字抹角。渠底高程114.27 m，底宽9.0 m，上口宽10.0 m。经校核沙岭沟断面水尺零点高程114.27 m。根据实测断面成果绘制断面图及断面水位～面积关系曲线，见图2。

图2 沙岭沟断面图及水位～面积关系线图

2.2 流量监测

2.2.1 监测方案

水库通过调度放水闸门，控制4个流量级放水，提闸顺序为：10→20→30→40→30→20→10→20（单位 m3/s），两站分别于涨、落水面的每个流量级施测一次流量。流量施测时机定为闸门变动水位平稳2～4小时后进行。水深条件具备时，流量测验采用三点精测法，共布设7条测速垂线。

2.2.2 流量监测情况

利用渠道放水时机，对大黑汀水库入唐渠断面（0+725 m）进行了流量监测，施测流量9次，测得水位变幅116.64m～117.88 m、流量变幅 9.59 m3/s～37.9 m3/s。

对沙岭沟（4+271.5）断面进行了12次流量监测，测得水位变幅 115.04～116.09 m、流量变幅 9.39～37.8 m3/s。

为分析两站流量关系，找出两站中途水量损失情况，沙泠沟站1～9次流量施测与大黑汀水库入唐渠断面同步进行。因两处断面相距3546.5 m，用不同流量级断面平均流速计算水头传递时间，沙岭沟断面测流时间较入唐渠断面测流时间后延30～50 min。

3 监测成果分析

3.1 单次流量测验精度分析

大黑汀水库入唐渠断面施测号数3次流量27.6 m3/s，总不确定度XQ=5.5%，系统误差μˆQ=-1.0；施测号数4次流量37.9 m3/s，总不确定度XQ=5.5%，系统误差μˆQ=-1.0。沙岭沟断面施测号数5次流量28.0 m3/s，总不确定度XQ=5.4%，系统误差 μˆQ=-1.0；施测号数4次流量37.8m3/s，总不确定度XQ=5.4%，系统误差μˆQ=-1.0；两站所有测次均能够达到二类站中、低水流速仪测法测验精度要求。

3.2 两站流量对比分析

比较大黑汀水库入唐渠（0+725 m）和沙岭沟（4+271.5 m）两站实测流量数据，沙岭沟站较上游入唐渠站平均偏小0.6%，相对值最大偏小2.1%，最小偏小0.0%；绝对值最大偏小0.2 m3/s，最小偏小0.0 m3/s。

下游的沙岭沟站流量较上游大黑汀水库入唐渠站流量基本没有流量损失，符合渠道特性。

3.3 水位～流量关系曲线精度分析

为了准确计算出引水水量，需要有实时的流量作为计算依据。目前两站只安装了自记水位计，只能获得实时水位变化情况，不能得到实时流量。对于水位流量关系比较稳定的断面，可以建立水位～流量关系曲线，利用水位来推求流量。用图解或解析计算的方法来率定水位～流量之间关系的工作称为定线。用率定好的水位～流量关系曲线推求流量的工作称为“推流”。定出的单一关系曲线是否能够满足流量推求精度要求，就要对水位流量关系曲线进行三种检验（符号检验、适线检验、偏离值检验），计算流量关系点对关系线的标准差及随机不确定度。

3.3.1 大黑汀水库入唐渠断面水位～流量关系曲线

大黑汀水库水文站为国家基本水文站，大黑汀水库入唐渠断面每年过水期间均施测流量，根据实测流量定线推流。本站水位～流量关系曲线除受测验河段控制外，还受水库电站发电及断面上游（基上135 m）分水闸门变化高度及分水影响。本次分析工作开展过程中，大黑汀水库放水闸门变闸，发电机组没有工作，基上135 m分水闸全部提出水面且没有向引滦入津渠分水。即本次分析工作监测的9次流量与日常引水实际情况略有不同，故本次实测流量成果只能用于对比分析本站与沙岭沟站流量损失情况，不能用本次流量定出水位～流量关系曲线作为今后引滦入唐渠计量依据。

分析工作由于只实测9次流量，不进行曲线三种检验计算，只结合实测流量给出水位～流量关系曲线见图3。经统计，测点相对误差在±5%之内的点子占总测次的100%，测点最大相对误差为-2.5%，且无系统偏离，《水文资料整编规范》（SL247-1999）渠道站单一曲线法流量定线精度要求。

图3 大黑汀水库入唐渠水位～流量关系图

3.3.2 沙岭沟断面水位～流量关系曲线

沙岭沟断面为人工砼浆砌，断面形状为矩形，无冲淤变化。下游为顺直矩形人工渠道和隧洞，纵坡稳定，下游河段形成了良好的河槽控制，适用单一曲线法推求流量。分析水位～流量、水位～面积、水位～流速关系曲线，其曲线水位～面积曲线凹向下方，且点子集中，反映了无冲淤的矩形断面特性。水位～流速关系曲线下部下凹，上部上凹，符合水位～流速关系规律。水位～流量关系为单一曲线，测点集中，关系良好。经统计，测点相对误差在±5%之内的点子占总测次的100%，测点最大相对误差为4.1%，且无系统偏离。

水位～流量关系曲线三种检验计算结果为：曲线标准差为2.1%，定线精度较高。沙岭沟断面水位～流量关系图见图4。受测验资料限制，以上水位流量关系曲线只在水位115.00 m～116.10 m（流量在 8.72～38.0 m3/s）范围内适用。

图4 沙岭沟站水位～流量关系图

分析沙岭沟断面水位～流量关系图可以发现，水位高于115.80 m（流量超过32.0 m3/s）时，水位流量关系线出现反曲。曲线反曲的原因为流速减小。分析不同流量级两断面间水面比降可以发现，第4次流量测次流量37.8 m3/s，但两断面间水面比降仅为0.505‰，水面比降明显和前3次比降不成同一系列，见图5。

图5 测验河段水面比降对比分析图

经调查，原因为南观电站（沙岭沟断面下游8433.5 m）为提高机组效率，从而抬高水位增加势能所致。当渠道流量超过32.0 m3/s时，南观电站闸门雍水可使沙岭子隧洞满管运行，下游回水使测验河段比降变小，影响了水流流速，从而影响了沙岭沟断面高水水位～流量关系。由于这一现实原因的存在，使水位超过115.80 m时，水位～流量关系曲线反曲也是合理的。

3.4 与以往结果对比

本次沙岭沟断面实测水位控制变幅115.04 m～116.09 m、流量变幅9.39 m3/s～37.8 m3/s。对比1994年与2012年水位～流量关系曲线，2012年关系线较1994年关系曲线偏左，说明同水位流量2012年较1994年有所偏小，平均偏小5.7%。正常引水情况下25.0～35.0 m3/s流量级平均偏小3.4%；水位115.00 m时流量偏小5.1%，115.80m时流量偏小2.1%。流量偏小主要原因为随着渠道运行时间的推移，渠道糙率变大，影响水头流速进而影响流量。