西安市皂河長(zhǎng)安斷面水位流量關(guān)系曲線率定分析

崔 俊

（西安水文水資源勘測(cè)中心，陜西 西安 710100）

1 前言

根據(jù)中共中央2011年1 號(hào)文件《國(guó)務(wù)院關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)》《水利部國(guó)家發(fā)改委關(guān)于全國(guó)重要江河湖泊》《全國(guó)水資源綜合規(guī)劃》和《全國(guó)水利發(fā)展“十二五”規(guī)劃》的要求，全國(guó)重要江河湖泊水功區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率在2015 年要達(dá)到60%，2020 年要達(dá)到80%，據(jù)此水利部確定以COD和氨氮兩項(xiàng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，黃河流域重要水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率2015 年達(dá)到62%，長(zhǎng)江流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)率在2015 年要提高到78%；按照這一要求，經(jīng)與流域機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)，以COD和氨氮兩項(xiàng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，陜西省黃河流域重要水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率2015年達(dá)到60%，陜西省長(zhǎng)江流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)率在2015年要提高到79%。

以2010年為基礎(chǔ)，在現(xiàn)狀評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)狀入河量和納污能力，綜合考慮，確定陜西省2015年重點(diǎn)水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率不低于69.7%，其中長(zhǎng)江流域達(dá)標(biāo)率應(yīng)不低于81.6%，黃河流域應(yīng)不低于60.8%。

2015年前西安市將在全市主要河流的縣界行政斷面上布設(shè)水文站點(diǎn)，用于考核區(qū)、縣政府用水總量、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率等目標(biāo)任務(wù)完成情況。

本次主要率定皂河長(zhǎng)安斷面的水位流量關(guān)系率定。

2 概況

2.1 流域概況

皂河是渭河水系右岸一級(jí)支流，發(fā)源于西安市長(zhǎng)安區(qū)韋曲街辦，自東南向西北流，經(jīng)長(zhǎng)安區(qū)的韋曲街辦、西安丈八溝、三橋后于西安市未央?yún)^(qū)匯入渭河，流域面積315.5 km2，河長(zhǎng)33.5 km，河床平均比降1.4‰。皂河流域地處長(zhǎng)安區(qū)中部，地勢(shì)南高北低。流域上游為黃土臺(tái)塬區(qū)；中下游為渭河階地，皂河流域大致呈羽毛形。

皂河發(fā)源于黃土臺(tái)塬區(qū)，流經(jīng)的城鎮(zhèn)較多，大多城鎮(zhèn)的生活污水經(jīng)處理后匯入皂河。流域南高北低，上游為黃土臺(tái)塬區(qū)，人煙較稠密，森林覆蓋率低，水源涵養(yǎng)條件較好；中下游為平川 ，河段平穩(wěn) ，人類活動(dòng)頻繁。流域內(nèi)植被一般，水土流失輕微。

皂河水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)斷面位于皂河上游，控制流域面積33.5 km2，距河口距離 27.5 km。

2.2 水文

皂河流域地勢(shì)南高北低，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，洪水由暴雨形成，洪水主要集中在5月～10月，年最大洪水一般出現(xiàn)在7月～9月，其中5月、10月出現(xiàn)年最大洪水的頻次相對(duì)較少，量級(jí)稍低。

2.3 氣象

皂河站所在流域?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)氣候區(qū)。氣候特點(diǎn)是：春季日溫差變化大，多冷空氣入侵；夏季炎熱，降雨量集中；秋季天氣涼爽；冬季多寒潮霜凍。根據(jù)長(zhǎng)安區(qū)氣象資料統(tǒng)計(jì)，多年平均氣溫13.3℃，絕對(duì)最高氣溫43.4℃（1966 年6月21日），絕對(duì)最低氣溫-17.5℃（1977年1月30日）。

多年平均降水量679 mm，年最大降水量956.3 mm（1964 年），年最小降水量407.3 mm（1977 年），變差達(dá)近三倍。

2.4 地質(zhì)

皂河水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)斷面位于平原區(qū)，地形上為南高北低，南部為黃土臺(tái)塬區(qū)，中、北部為平原區(qū)。皂河發(fā)育有二級(jí)階地，上部為黃土層，厚度0.5 m～1.0 m，中間為砂卵石堆積層，厚度為1 m～3 m，下部為基巖；河床主槽上部為砂卵石堆積層，一般厚度為1.0 m～3 m，下部為基巖。

3 水位流量關(guān)系曲線率定

本次根據(jù)工作需要，首先按照曼寧公式確定一條理論的水位流量關(guān)系曲線，有關(guān)參數(shù)的確定依據(jù)實(shí)測(cè)和調(diào)查計(jì)算值，低水部分用流速儀法實(shí)測(cè)流量。隨后當(dāng)水位有較大變化時(shí)，再采用浮標(biāo)法或比降-面積法進(jìn)行檢測(cè)，最終確定一條符合測(cè)站特性的水位流量關(guān)系曲線。

3.1 低水流量實(shí)測(cè)

低水流量測(cè)驗(yàn)，采用水文行業(yè)常用的流速儀法。流速儀法主要是用流速儀實(shí)測(cè)斷面上一系列測(cè)點(diǎn)流速，并施測(cè)斷面面積，推求斷面流量的一種方法。流速儀法是流速面積法中最重要的方法，是江河流量測(cè)驗(yàn)較可靠的一種流量測(cè)驗(yàn)方法，其測(cè)量成果可作為率定或校核其它測(cè)流方法的標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.1 速測(cè)量?jī)x器

（1）采用LS25-3 型旋槳式流速儀 測(cè)速范圍：0.04 m/s～10.0 m/s；工作水深：0.2 m～40 m；信號(hào)數(shù)：20 轉(zhuǎn)1 信號(hào)；特點(diǎn)：量程大，高中低速兼顧。

（2）采用LS25-1型旋槳式流速儀 測(cè)速范圍：0.1411 m/s～5.0 m/s；工作水深：0.12 m～5 m；信號(hào)數(shù)：20 轉(zhuǎn)1 信號(hào)；特點(diǎn)：量程小，適合中低流速。

3.1.2 流量計(jì)算

（1）部分流量計(jì)算

式中：qi為第i部分流量，m3/s；為第i條垂線平均流速，m/s；Ai為第i條垂線間部分面積，m2。

（2）斷面流量計(jì)算

流速儀法：

式中：Q為斷面流量，m3/s。

岸邊系數(shù)采用0.70。實(shí)測(cè)流量成果表見(jiàn)表1。

表1 皂河長(zhǎng)安監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)流量成果表

3.2 水位流量關(guān)系率定

水位流量關(guān)系確定，現(xiàn)階段低水部分采用實(shí)測(cè)值，中高水采用曼寧公式計(jì)算，其有關(guān)參數(shù)依據(jù)實(shí)測(cè)、調(diào)查計(jì)算值。其計(jì)算公式為：

式中：Q為斷面流量，m3/s；n為糙率；R為水力半徑；I為水面比降；A為過(guò)水面積，m2。

3.2.1 參數(shù)確定

1）斷面測(cè)量

按照《水文測(cè)量規(guī)范》，大斷面測(cè)量分為水下部分的水道斷面測(cè)量和岸上部分的水準(zhǔn)測(cè)量。岸上部分按照四等水準(zhǔn)測(cè)量要求實(shí)測(cè)，水下部分的斷面測(cè)量，以實(shí)測(cè)水深結(jié)果換算為河底高程。測(cè)點(diǎn)遵循均勻分布，并能控制斷面地形和流速沿河寬分布的主要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，無(wú)大補(bǔ)大割，主槽垂線應(yīng)較河灘為密的原則。施測(cè)水深用測(cè)深桿，起點(diǎn)距用鋼尺確定，并以左岸河堤路外側(cè)為起點(diǎn)距0 m。2015 年3 月20日實(shí)測(cè)的大斷面見(jiàn)表2、圖1。

表2 皂河站實(shí)測(cè)大斷面成果

圖1 皂河站實(shí)測(cè)大斷面圖

2）河段糙率確定

本次依據(jù)監(jiān)測(cè)河段河床組成、河床特征，通過(guò)查《水力計(jì)算手冊(cè)》初選糙率，再參考潏河高橋水文站實(shí)測(cè)糙率，綜合分析確定皂河高橋斷面河槽糙率為0.030。

3）水面比降確定

實(shí)測(cè)斷面時(shí)，實(shí)測(cè)的枯水比降為1.30‰，河床縱比降為1.50‰。最終確定本次流量計(jì)算的水面比降為1.30‰。

3.2.2 水位流量關(guān)系曲線的確定

監(jiān)測(cè)斷面上下游斷面順直穩(wěn)定、水流集中，沿程沒(méi)有水流分出、匯入，河流兩岸都進(jìn)行了砌石，成為了渠道化河流。所以目前水位流量關(guān)系的確定，低水根據(jù)實(shí)測(cè)的水位流量關(guān)系點(diǎn)，高水采用曼寧公式和巴普洛夫斯基公式進(jìn)行計(jì)算，然后選用適當(dāng)比例尺，按1、2、5的整倍數(shù)，使Z-Q、Z-A、Z-V關(guān)系線在圖中的適中，并分別大致成45°、60°的交角，水位流量關(guān)系點(diǎn)誤差中、高水控制在±5%，低水控制在±8%。水位流量關(guān)系曲線下部，讀數(shù)誤差超過(guò)2.5%的部分，另繪制了放大圖，在放大后的關(guān)系曲線上推求流量。水位流量關(guān)系曲線確定后再推流，建立水位流量對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表。確定的水位流量關(guān)系圖見(jiàn)圖2，推流表見(jiàn)表3。

圖2 皂河長(zhǎng)安斷面水位流量關(guān)系圖

表3 皂河長(zhǎng)安斷面水位流量關(guān)系表

續(xù)表3

4 結(jié)論

在水位流量關(guān)系曲線的率定過(guò)程中，由于歷時(shí)短、流量測(cè)次較少，給水位流量關(guān)系曲線的定線工作帶來(lái)了一定難度，影響了推求流量的精度。皂河長(zhǎng)安水量監(jiān)測(cè)斷面由于無(wú)水文積累資料，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)各水文因素的變化規(guī)律進(jìn)行分析和合理性檢查，對(duì)洪水來(lái)水特性缺乏正確的認(rèn)識(shí)，定線是否符合測(cè)站特性，現(xiàn)在還無(wú)法得出結(jié)論。在以后的漲洪水過(guò)程中，尤其在中、高水應(yīng)通過(guò)實(shí)測(cè)流量點(diǎn)位來(lái)校核水位流量關(guān)系曲線，以使查線流量更接近實(shí)際值。