黑峪口水文站水位流量關系單值化分析

石牡麗

(陜西省水文水資源勘測局，陜西西安721000)

1 基本情況

1.1 測站基本情況

1.2 流域概況

黑河為渭河南岸較大支流，發源于秦嶺北麓太白山主峰東側，河長115 km。黑峪口水文站位于黑河下游，上游1 km建有金盆水庫一座。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，海拔700 m～3500 m。流域屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，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，調查最大流量3620 m3/s，發生在1898年8月3日。實測最大流量2970 m3/s，發生于1980年7月2日。建站以來最大流量3040 m3/s，發生在1980年7月2日。實測最大含沙量92.2kg/m3，發生于1980年8月23日。

1.4 測驗斷面情況

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。本站測驗河段順直，河床由沙卵石組成，左右岸均為人工提防。上游約700 m處有黑河金盆水庫一座，下游90 m處建有黑惠渠引水拱水壩一處。測驗河段共布設上、中、下三個斷面，流速儀測流斷面兼浮標中斷面，基本水尺斷面與流速儀斷面、浮標中斷面重合，浮標上下斷面間距110 m。2010年基上360 m設立固定臨時斷面為低水測流斷面。

1.5 金盆水庫電站發電情況

金盆水庫壩后電站裝置三臺HLAl53-LJ-120型水輪機及單機容量4000 kW的發電機一臺、8000 kW發電機兩臺，總裝機容量20000 kW。電站年平均發電量7308萬kW·h。其中一臺8000 kW機組常年發電，流量約為10 m3/s，棄水泄入供水管道，為西安城市供水。其余兩臺機組運行，根據上游來水及黑惠渠用水量多少選擇決定，棄水泄入河道。其4000 kW的發電機開啟運行，下泄流量約5 m3/s，其8000 kW的發電機開啟運行，下泄流量約10 m3/s，其二臺發電機組同時開啟運行，下泄流量約15 m3/s。

2 分析目的

通過搜集本站歷年實測水文資料，分析證明水位～流量歷年關系穩定，從而確定水位流量單值化關系，為簡化該站測驗工作和水文巡測提供技術支撐。

3 分析依據

本次分析依據為中華人民共和國水利行業標準《水文巡測規范》(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，從資料的代表性、可靠性、一致性綜合考慮，按本站測驗斷面變化和受影響因素等相同條件的資料分別進行分析。從而達到單值化范圍更大、更合理的目的。

3.現代農業經營主體的弱質性。目前，重慶市現代農業法人經營主體以農業合作社或中小型農業公司為主，普遍存在規模小、實力弱、專業素質不高、經營管理粗放等問題，現代農業運營低效、創收效益不強。2017年，重慶城鄉居民收入比為2.55∶1，城鄉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年基本斷面的實測大斷面資料和2007年～2019實測流量成果，分析基本斷面水位流量關系；選用2013年～2019年實測大斷面成果和實測流量成果，分析設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～流量關系；選用基上360 m處實測大斷面資料及實測流量成果，分析基上360 m處實測水位～流量單值關系。

4.3 采用資料次數及舍棄情況

本次分析選用基本斷面實測流量點276次，其中2013年～2019年實測流量74次，選用基本斷面實測大斷面資料13次；舍棄錯誤點一次，選用臨時斷面實測流量點193次，臨時斷面實測大斷面資料7次。

5 水位流量關系單值化分析

5.1 測驗斷面分析

黑峪口站測驗河段較順直，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調節放水影響，陡漲陡落嚴重，河床沖淤變化主要發生在洪水期?；緮嗝嫦掠喂八畨?005出現垮壩，2006年原址、原高程重新修建，2006年當年投入使用，從實測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，導致基本水尺水位沒有代表性，在基上400 m處測流，實測對應的水位為基上400 m處水位，2010年開始固定基上360 m斷面為臨時測流斷面，流量小于或等于22 m3/s在臨時斷面(基上360 m)測流，對應水位為臨時斷面的水位；流量大于22 m3/s在基本水尺斷面測流。2012年，本站測驗設施改造，起點距發生改變，實測大斷面圖出現位移，水流導槽，從左岸導入右岸，基本斷面水尺也從左岸設立至右岸。測驗斷面變化圖，見圖1。2012年～2019年河床略呈逐年抬高趨勢見圖2。臨時斷面右岸河槽近年基本穩定，左岸受沖淤積變化較大，2019年受大水影響淤積較嚴重。歷年斷面變化圖見圖3。

圖1 黑峪口水文站歷年實測大斷面圖

圖3 黑峪口(四)站基上360 m大斷面圖

5.2 實測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影響系列資料分析

實測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影響的資料，參加分析的實測流量277點次，實測最高洪水位470.76 m(2019年)，實測最大流量1070 m3/s(2019年)，實測最低水位河干(2007年)，實測最小流量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，實測水位變幅占歷年水位變幅的44%。見表1。

表1 黑峪口(四)站水位變幅計算表

5.2.2 基本斷面因設施改造，斷面發生變化后的系列資料分析

實測流量水位變幅控制分析選用2013年～2019斷面變化后的資料，參加分析的實測流量75點次，實測最高洪水位470.76 m(2019年)，實測最大流量1070 m3/s(2019年)，實測最低水位河干(2013年)，實測最小流量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,實測水位變幅占歷年水位變幅的32.5%。見表2，水幅未達到規范要求的標準，原因同前。

表2 黑峪口(四)站水位變幅計算表

5.2.3 基上360 m臨時測流斷面系列資料分析

從以上測點及表3得知，表3達到了此標準，表1、表2，沒有達到規范規定的實測流量水位變幅控制歷年水位變幅80%以上的規定。原因如下：一是由于受上游水庫調節影響所致，非汛期經常出現河干現象；二是流量在22 m3/s以下在基上360 m測流，采用臨時斷面水位；三是流量在22 m3～110 m3由于水庫放水設施受影響洪水漲落速度非常快，用現有設施設備不能精準及時施測，實測流量點子稀缺。

表3 黑峪口(四)站水位變幅計算表

5.3 水位流量關系線綜合分析

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系曲線點繪在同一張圖上，見圖4，由圖可見,歷年水位流量關系點據密集，自然分布呈一條帶狀。由于測點較多，主要表現在低水點子散亂，誤差相對較大，但經過對曲線不斷的調整，分別進行三種檢驗及隨機不確定度計算，三種檢驗中適線檢驗不能通過，見表5，其不確定度為15.2%，符合《規范》表4.5.2單值化關系線定線允許隨機不確定度二類站精度的水文站不確定度16%的要求。系統誤差為-0.4%，小于《規范》允許誤差標準±3%的規定。通過檢驗數據分析主要原因是因為22 m3/s～110 m3/s流量點次偏少，誤差太大造成的。

圖4 黑峪口(四)站基本斷面2007年～2019年水位流量綜合關系曲線

表4 單值化關系定線允許隨機不確定度 單位：%

通過表5得知，用2007年～2019年實測點確定綜合線能通過檢驗并達二類站精度要求標準，實測流量在1.30 m3/s～1070 m3/s，但由于設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測點，而且基本斷面低水實測點少而在現有設施設備條件下比較難得，如果條件允許的話，以后用先進儀器在基本斷面測流，校正以上分析成果，可以延長水位流量單值化的范圍。

表5 黑峪口(四)站水位流量關系曲線檢驗表

5.3.2 2013年～2019年基本斷面歷年水位～流量關系線繪制與分析

將2013年～2019年各年基本斷面實測點分別定線，見圖5，各年水位流量關系呈單一線，并能通過曲線檢驗，當年關系線與綜合關系線最大偏離值不大于巡測規范規定的流量間測關系曲線偏離允許的相對誤差。誤差計算見表6、表7。2016年全年在臨時斷面測流，因此未定2016年水位、流量關系曲線，見圖3。

表6 黑峪口(四)流量間測關系曲線偏離相對誤差 單位：%

表7 黑峪口(四)2013年～2019年實測流量點綜合線檢驗表

圖5 黑峪口(四)站2013年～2019年實測點與水位流量綜合關系線圖

由此可以看出2013年～2019年各年關系線符合規范要求標準，可以在分析值范圍內(流量110 m3/s～1070 m3/s)實行間測。

5.3.3 2013年～2019年臨時斷面水位～流量關系線繪制與分析

將2013年～2019年基上360 m處實測點點繪在一張圖上，實測點密集成一帶狀，過點群中心定一條曲線，見圖6。由于低水點多，對曲線進行符號檢驗、適線檢驗和偏離數值檢驗均無法通過檢驗，達不到規范要求的標準。經過分析上游360 m臨時斷面基本穩定，水位流量關系良好，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歷年實測流量點與綜合關系曲線圖

6 結論及建議

6.1 通過分析得出以下結論：

1)對該站多年實測流量資料分析，該站基本斷面流量可以概括為三方面：①區間產流及大壩滲水Q=0～2.5 m3/s；②大壩泄流Q>100 m3/s；③發電站棄水Q=5 m3/s～15 m3/s。三者之間過度很快，系人為因素，極少持續發生，平時很難正常捕捉施測瞬時流量。Q=20 m3/s～100 m3/s很少發生，僅僅是水庫泄洪開閘、關閘瞬間存在。

2)黑峪口(四)站流量在110 m3/s～1070 m3/s范圍內可以單值化，利用單值化水位流量綜合線直接推求；當河道出現大于1070 m3/s流量時，要及時恢復高流量測驗，控制洪峰過程，并用實測洪水點修定水位流量關系曲線。

3)流量22 m3/s～110 m3/s，僅僅是水庫泄洪開閘、關閘影響，實測流量點子偏少，也是造成2007年～2019年綜合關系曲線適檢驗無法通過的主要原因。

4)22 m3/s以下，由于黑惠渠閘門改造影響，基本斷面水位失去代表性，在基上360 m處測流，用基上360 m處水位建立水位流量關系，與基本斷面無直接水位流量關系，用基上360 m處水位與相應實測流量建立關系，無法通過三項檢驗，暫時不能定制出臨時斷面實測流量單值化綜合線。

6.2 建議

建議流量在110 m3/s以下用電波流速儀或ADCP測流儀在基本斷面測流并校正2007年～2019年水位流量綜合線，22 m3/s以下，如果實測點均勻分布在綜合線兩邊，可以減少流量測驗次數，22 m3/s～110 m3/s加密流量測次，校正合理的情況下可以縮短110 m3/s以下流量間測試驗時間，通過再分析重新率定綜合線延長水位流量單值化范圍，或者在基本斷面下游修建量水堰來解決流量≤110 m3/s的測驗問題。