渭河魏家堡水文站流量測(cè)驗(yàn)方法探究

◎張 楷 王君善

1 流域及斷面概況

1.1 流域概況

渭河是黃河最大的支流，發(fā)源于甘肅省渭源縣西南海拔3495m的鳥(niǎo)鼠山北側(cè)，自西向東流經(jīng)甘肅省的渭源、武山、甘谷、天水后，于鳳閣嶺進(jìn)入陜西省，經(jīng)寶雞、楊凌、咸陽(yáng)、西安、渭南等市(區(qū))后，于潼關(guān)注入黃河。全長(zhǎng)818km（其中陜境內(nèi)河長(zhǎng)504km），流域總面積134766km2。

渭河屬于不對(duì)稱水系，北岸支流源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，主要流經(jīng)黃土高原，泥沙含量大，徑流系數(shù)??；南岸支流較短，主要流經(jīng)秦嶺北麓山區(qū)，含沙量小，徑流系數(shù)大。在陜西境內(nèi)，北岸主要支流有通關(guān)河、千河、漆水河、涇河、北洛河等；南岸主要支流有清姜河、石頭河、湯峪河、黑河、澇河、灃河、灞河等。干流設(shè)有拓石、林家村、魏家堡、咸陽(yáng)、臨潼、華縣等水文站。

渭河流域?yàn)楦珊蛋敫珊档貐^(qū)，屬典型的大陸型季風(fēng)氣候。冬季寒冷干燥；春季氣溫不穩(wěn)定，降水較少；夏季氣侯炎熱多雨，降水主要集中于七至九月，多雷暴雨、常出現(xiàn)早伏；秋季涼爽較濕潤(rùn)，多有陰雨天氣。多年平均氣溫5℃～14℃，平均降水量572mm，水面蒸發(fā)量660mm～1200mm。徑流屬降雨補(bǔ)給型，年徑流量81.3億m3，陜西境內(nèi)為53.8億m3。

1.2 斷面概況

魏家堡水文站位于寶雞市眉縣城關(guān)鎮(zhèn)西關(guān)村，東經(jīng)107°42′,北緯34°18′，設(shè)立于1937年。魏家堡(五)水文斷面2002年由原魏家堡（四）斷面下移約1.8km設(shè)立，平均河床比降2.75‰，集水面積37006km2，至河口距離323km，為渭河中游干流重要控制站，屬國(guó)家重要水文站。

魏家堡（五）測(cè)驗(yàn)河段順直，長(zhǎng)度約1000m，復(fù)式河槽，斷面寬度約700m，主河槽寬度約250m。主河槽由卵石組成，較為穩(wěn)定；左岸河床由砂卵石組成，沖淤變化嚴(yán)重，小水有分流，水面寬變化較大。

魏家堡水文站設(shè)站以來(lái)實(shí)測(cè)最大流量5780m3/s（1954年8月17日），實(shí)測(cè)最大含沙量725kg/m3(1966年6月28日)。魏家堡(五)站實(shí)測(cè)最大流量3010 m3/s，發(fā)生在2003年8月30日；實(shí)測(cè)最大點(diǎn)流速4.12 m/s，出現(xiàn)在2010年7月24日；平均最大流速2.43 m/s，出現(xiàn)在2003年8月30日。

2 測(cè)驗(yàn)河段河床演變分析

2.1 實(shí)測(cè)斷面資料分析

為了分析魏家堡（五）站斷面沖淤變化，將2002年~2011年汛前施測(cè)的斷面數(shù)據(jù)點(diǎn)繪斷面變化圖，見(jiàn)圖1至圖3。

從圖可以看出，魏家堡（五）站斷面的沖淤變化主要發(fā)生在右岸，起點(diǎn)距30m～230m之間，起點(diǎn)距230m～700m之間斷面沖淤基本趨于平衡狀態(tài)。2011年與2002年斷面比較，沖刷主要出現(xiàn)在起點(diǎn)距 30m～140m，平均沖刷深度1.39m，最大沖刷位于起點(diǎn)距120m處，沖刷深度2.32m；河床最低點(diǎn)位于起點(diǎn)距55m處，河底高程為491.17m。起點(diǎn)距150m～190m之間平均淤積1.28m；起點(diǎn)距200m～700m平均沖刷不足0.01m基本趨于平衡。

2.2 利用不同年代地形圖分析

為了進(jìn)一步分析魏家堡水文站斷面歷史變化，主河槽擺動(dòng)情況，點(diǎn)繪了魏家堡（五）斷面現(xiàn)狀平面與1956年航拍圖片形成的地形圖比較圖，分析該斷面50多年來(lái)的河床演變和主河槽擺動(dòng)。通過(guò)分析可以看出，魏家堡（五）斷面主河槽50多年來(lái)一直位于右岸基本沒(méi)有改變，1956年主河槽寬度約550m，現(xiàn)在主河槽約230m，主河槽與1956年相比變窄約300m。

3 測(cè)驗(yàn)河段洪水分析

3.1 利用實(shí)測(cè)資料分析

為了分析測(cè)驗(yàn)斷面洪水組成，把魏家堡（五）站流量大于1800m3/s洪水過(guò)程的流速分布整理，主河槽按250m考慮，對(duì)主槽流量分布進(jìn)行分析。從分析統(tǒng)計(jì)成果表看：魏家堡（五）站建站以來(lái)，2003年出現(xiàn)實(shí)測(cè)最大流量3010m3/s洪水，重現(xiàn)期相當(dāng)于5～6年一遇，主槽流量為2272m3/s，占整個(gè)斷面流量的75.5%；水面寬度660m占整個(gè)斷面寬度700m的94.3%，基本接近全斷面過(guò)洪。其他場(chǎng)次洪水洪峰流量在2000m3/s左右，相當(dāng)于多年均值洪水，過(guò)洪斷面寬度在379m～511m之間，占全斷面700m的54.1%～73.0%，主河槽流量占整個(gè)斷面流量的90%以上。

表1 魏家堡水文站不同頻率洪峰流量主灘槽流量分配表

由此可見(jiàn)，發(fā)生小于10年一遇洪水時(shí)，主槽過(guò)洪能力較大，占整個(gè)斷面過(guò)洪流量的70%以上；發(fā)生超過(guò)10年一遇洪水時(shí)，灘地過(guò)洪能力逐漸增大，灘地流量測(cè)驗(yàn)不可輕視。

3.2 利用不同頻率洪水過(guò)水面積比例分析

為了分析魏家堡(五)站不同頻率洪峰流量在斷面的分布情況，繪制水位流量關(guān)系曲線，利用關(guān)系線查算不同頻率洪峰對(duì)應(yīng)水位，計(jì)算不同頻率洪峰流量的主河槽流量、主河槽流量比例（計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1）。由表分析可知，不同頻率主河槽、灘地的過(guò)洪流量不同，50年一遇洪水主河槽過(guò)洪流量占全斷面的47.8%，20年一遇洪水主河槽過(guò)洪流量占全斷面的50.6%，10年一遇洪水主河槽過(guò)洪流量占全斷面的53.2%?？傮w而言，主河槽過(guò)洪流量占全斷面的50%左右，左岸灘地過(guò)洪流量占50%左右，灘地過(guò)洪流量所占比例較大。

4 流量測(cè)驗(yàn)方法分析

由于該站的測(cè)驗(yàn)質(zhì)量對(duì)咸陽(yáng)、西安、渭南等市防汛工作、水資源調(diào)度、配置、管理等具有十分重要意義，測(cè)驗(yàn)質(zhì)量直接影響下游防汛和水資源調(diào)度管理，所以平時(shí)在精測(cè)主河槽流量過(guò)程的同時(shí)，不能忽視洪水期灘地流量的測(cè)驗(yàn)，流量測(cè)驗(yàn)設(shè)施要兼顧整個(gè)斷面，同時(shí)還要注意主河槽沖刷影響。

基于此，適合該斷面條件的流量測(cè)驗(yàn)方法有：流速儀法（水文纜道測(cè)流、動(dòng)船測(cè)流、橋上測(cè)流）、浮標(biāo)法、比降面積法、利用多普勒效應(yīng)測(cè)流法（聲學(xué)多普勒流速剖面儀、手持式電波流速儀、雷達(dá)流量計(jì)）。流速儀法是基本的測(cè)流方法，具有較高的精度，流量規(guī)范將其作為其他測(cè)流方法的率定、檢驗(yàn)和校核的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該首先考慮。浮標(biāo)法、比降面積法測(cè)驗(yàn)精度相對(duì)較低，是大水或者特大洪水不能采用流速儀法時(shí)的測(cè)驗(yàn)方法，可與流速儀法配合施測(cè)。多普勒測(cè)流法是近幾年隨著科技的發(fā)展研制出的一種流速測(cè)驗(yàn)方法，是通過(guò)儀器發(fā)射信號(hào)，然后接收被水體中顆粒物反射回來(lái)信號(hào)多少來(lái)測(cè)量水體運(yùn)動(dòng)速度，在我省正處于對(duì)比試驗(yàn)、嘗試試用階段，其中的手持式電波流速儀在大洪水期可以替代浮標(biāo)測(cè)流。

對(duì)某個(gè)水文站來(lái)說(shuō)，為完成各級(jí)洪水下的流量測(cè)驗(yàn)任務(wù)，往往根據(jù)洪水特性和設(shè)施情況，采用幾種方法聯(lián)合測(cè)流。魏家堡水文站是渭河干流中游重要控制站，屬于國(guó)家重要水文站，按照國(guó)家重要站流量測(cè)驗(yàn)精度要求，應(yīng)達(dá)到按現(xiàn)有測(cè)驗(yàn)手段和方法能取得的可能精度。該站流量測(cè)驗(yàn)中低水首先考慮采用流速儀測(cè)流方案，高水適當(dāng)考慮浮標(biāo)測(cè)流和利用多普勒效應(yīng)測(cè)流法。對(duì)流速儀法中的水文纜道測(cè)流、動(dòng)船測(cè)流、橋上測(cè)流分別分析適用性。

4.1 動(dòng)船法測(cè)流

動(dòng)船法是使用一艘裝有流速儀、回聲測(cè)深儀和測(cè)角儀器的輕便靈活船只，沿預(yù)定斷面橫渡進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。測(cè)驗(yàn)河道要盡可能順直，水流穩(wěn)定、流線平行，河床平整，水面漂浮物少，水深要大于2m、河寬要大于300m，還要有停船碼頭。

魏家堡站洪水期流速較大，近十年實(shí)測(cè)最大流速4.12m/s，水面漂浮物較多，洪水漲落急劇，平水期水流集中在起點(diǎn)距30m～230m之間，水深不足1m。另外，行船需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，所以該站不適合使用船測(cè)。

4.2 橋上測(cè)流

橋上測(cè)流是將流速儀等測(cè)流設(shè)備安裝在橋測(cè)車上，在固定垂線施測(cè)流速計(jì)算斷面流量，選作橋上測(cè)流的河段水流應(yīng)較為集中，無(wú)分流、岔流、回流、死水，水流流向與橋軸線夾角不超過(guò)10°，橋墩上游2m～5m內(nèi)水流平穩(wěn)，無(wú)急劇雍浪、漩渦；橋面距離河底不超過(guò)20m，橋上過(guò)往車輛不能十分頻繁，高速公路或交通繁忙的橋不能進(jìn)行橋上測(cè)流；橋測(cè)車懸臂應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)能夠承受本站最大流速時(shí)所懸吊的配套鉛魚重量及水流沖擊力。該站下游眉縣渭河大橋正在改造，改造后該橋?qū)⒊蔀槲鲗毟咚倜伎h進(jìn)出口的連接線，來(lái)往車輛多，交通繁忙。由于目前國(guó)內(nèi)橋測(cè)車懸臂伸出車體外最大僅3.0m左右，這樣，橋測(cè)車不能靠近橋邊，流速儀不能達(dá)到有效入水位置；測(cè)流時(shí)懸臂需要隨時(shí)收放,測(cè)流時(shí)間較長(zhǎng)，可能造成單次洪水施測(cè)不完整，影響測(cè)驗(yàn)質(zhì)量。另外，目前國(guó)內(nèi)定型橋測(cè)車最大測(cè)速4m/s，最大起吊額定載荷150kg，而現(xiàn)斷面主河槽流速較大，2003年出現(xiàn)3010 m3/s洪峰時(shí)實(shí)測(cè)最大流速4.12m/s，超過(guò)儀器限定施測(cè)流速；最大起吊荷載150 kg使流速儀難以入水，流量測(cè)驗(yàn)誤差較大、精度較低且存在安全隱患。所以，該站也不適合橋上測(cè)流。

4.3 水文纜道測(cè)流

水文纜道是目前國(guó)內(nèi)各水文站普遍使用的常規(guī)測(cè)驗(yàn)設(shè)備，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)水文纜道發(fā)展現(xiàn)狀和架設(shè)形式，魏家堡站有5種方案可供選擇：?jiǎn)慰珉p索雙纜道（咸陽(yáng)站）、單跨雙索全斷面纜道（張家山站）、單跨單索半斷面纜道（臨潼站）、雙跨雙索雙纜道、雙跨單索單纜道。

方案一技術(shù)簡(jiǎn)單，洪水期二套纜道同時(shí)使用，可全斷面施測(cè)洪水，測(cè)流歷時(shí)短，測(cè)驗(yàn)精度高；但需要在左右兩岸架設(shè)供電線路、安裝控制系統(tǒng)、建設(shè)纜道房，建設(shè)成本高，使用、看護(hù)不變，建設(shè)用地難以審批，人員需要成倍增加。方案二能全斷面施測(cè)洪水，測(cè)驗(yàn)精度有保證；但主索跨度和垂度較大，主跨700m超過(guò)纜道架設(shè)跨度一般不超過(guò)500m的使用條件；支架較高，動(dòng)力系統(tǒng)需要成倍增加，運(yùn)行速度不宜過(guò)快，測(cè)流時(shí)間長(zhǎng)，維護(hù)不便，建設(shè)成本較高。方案三主索跨度和垂度小，但只能施測(cè)主河槽流量，無(wú)法施測(cè)灘地流量；魏家堡站出現(xiàn)10年以上洪水時(shí)灘地過(guò)洪流量占相當(dāng)大比例，此方法不可行。方案四與方案一相似，雙跨纜道行車還需要翻越中間支架，此項(xiàng)技術(shù)處理需要研究。方案五纜道支架低，主索垂度小，只在右岸建設(shè)纜道房、安裝控制系統(tǒng)，能夠全斷面施測(cè)流量，只要將纜道行車翻越中間支架技術(shù)處理好就可穩(wěn)定測(cè)流，建設(shè)成本相對(duì)較低。所以，該站流量測(cè)驗(yàn)比較合理可行的方案應(yīng)該為雙跨單索單纜道測(cè)流方法。

5 結(jié)語(yǔ)

渭河魏家堡水文站是渭河干流中游重要控制站，屬于國(guó)家重要水文站，該站的水文信息對(duì)咸陽(yáng)、西安、渭南等市防汛、水資源調(diào)度、配置、管理等具有十分重要意義，選取切實(shí)可行的流量測(cè)驗(yàn)方法對(duì)該站建設(shè)十分重要。通過(guò)對(duì)該站河段的河床演變、測(cè)驗(yàn)河段過(guò)洪能力及流量分布研究分析，提出切實(shí)可行的流量測(cè)驗(yàn)方法，為水文站流量測(cè)驗(yàn)方法探究提供參考。陜西水利