石头河水库坝前水位的观测与现状分析

王艳平

（陕西省石头河水库灌溉管理局 陕西 眉县 722311）

1 石头河水库坝前水位观测的作用及意义

石头河水库枢纽工程位于陕西省眉县斜峪关以南1.5km处的石头河干流上，地处宝鸡市所管辖的眉县、岐山县、太白县三县接壤地带。该工程是陕西关中地区20世纪80年代建成的一座以灌溉为主，同时结合发电、防洪、养殖等综合利用的大（2）型水利工程。随着社会经济的进一步发展，石头河水库除满足农业现状外，又承担了向西安、咸阳、杨凌、宝鸡等城市的供水任务，同时肩负着为渭河消减洪峰的防汛任务。

石头河水库的坝前水尺是反映入库流量、出库流量、水体变化的重要标志，是水文测验中最基本的观测要素，是石头河的水文常规观测项目。水位观测资料可以直接应用于计算水库中的蓄水量、入库流量、进行水库兴利调节、水库防汛等。

石头河水库坝前水位值是绝对水位，它以黄海基面为高程零点，水位值表示石头河水库输水洞进口附近的水面高出黄海基面的垂直距离，单位为米。

2 坝前水位观测的基本情况

石头水库坝前水位的观测站设置于大坝右侧的输水洞拦污栅滑道的排架、输水洞放水塔体及工作桥排架上，于1981年2月3日设立，从1981年2月13日观测坝前水位至今。坝前水位资料连续完整。

1991年，在输水洞放水塔内安装了一台浮子式遥测水位仪，这台仪器一直为石头河水库现场管理单位的电台室使用，该仪器使用专用电台传输数据，人工操作记录。

2000年，在洪水调度自动化系统工程建设时，在输水洞放水塔塔体外侧西北方向安装了一台浮子式自动水位仪，洪水调度自动化系统工程一直由管理局水情调度中心负责建设、管理和使用。

2001年，在大坝安全监测自动化系统工程建设时，在石头河水库输水洞事故检修闸门左侧吊杆的右侧安装了一台浮子式自动水位仪，大坝安全监测自动化系统工程一直由水库现场管理单位的枢纽工程管理处负责建设、管理和使用。

从此，石头河水库坝前就有一组固定水尺，三台浮子式自动水位仪。

1991年安装的水位仪由于信号传输不到电台室而停用，电台室观测水位改用防汛预警系统的水位仪，即将预警系统的接收软件安装在大坝安全监测自动系统的接收系统上，用以接收预警系统的水位、水情信号。从此，原用于防汛预警系统上的坝前水位计从原来只有管理局水情调度中心接收数据变为水情调度中心及电台室共同接收数据，水情调度中心管理。

石头河水库坝前水位非汛期一般情况下每日定时观测两次，观测时间为每日8时，20时；汛期每日定时观测四次，观测时间为每日8时、14时、20时、次日凌晨2时；开闸泄水时增加观测一次；当入库流量达到50m3/s时，1小时观测一次；达到50m3/s时，30分钟观测一次；达到200m3/s时，10分钟观测一次，应测得各次峰、谷和完整的水位变化过程。

石头河水库的日平均水位按面积包围法计算，计算日平均水位的公式如下：

式中，a、b、c……m、n——为各个不同时距，h；

z0、z1、z2……zn——为相应时刻的水位值，m。

由于石头河水库很少观测0时库水位，根据0时前后相邻水位按直线插补0时的水位比较麻烦，而每日8时观测库水位比较准时，观测比较准确、规范。因此，石头河水库的库水位的日分界时间定为每日8时。即日平均水位的计算时间从早晨8时开始实行，截止到次日8时整结束。也就是说，每日0时至8时的库水位值计入了前一日的库水位平均值中。当0时至8时的库水化学元素出现最大值或最小值时，为了准确、直观，极值的时间按实际标准日期统计。

3 水位观测情况及分析

1991年前石头河水库一直人工观测水尺水位。1991年安装的浮子式自动水位仪，解决了频繁观测水位，特别是夜间观测水位的困难。这台仪器任何时候都可开机观测，非常方便。但是，由于浮子式水位仪安装在输水洞放水塔内，放水塔内径9m，塔体内每高10m设置一个工作平台，工作平台的空间为6.0m×3.5m，因此，浮子的摆动空间较大。特别是输水洞流量变化时，塔体内水面可能波动较大，从水尺上看的水位值与从水位仪上读的水位值偏差较大，且差值没有一定的规律可循。一般差值为几厘米，不需调整经过一段时间后会自动恢复，调整后经过段时间，反而会出现调整过偏现象。加之几厘米的误差在水尺上也分辨不清，这样，人们对水位仪就产生了依赖思想，如果一两个月甚至很长时间不去人工观测水位，偶尔观测时，发现人工观测的水位值与水位仪观测的水位值相差2m～3m甚至更多。这时，一方面将差值加在水位仪观测的读数上继续观测一段时间，觉得这个差值能消除水位仪读数与水尺观测值的差值，就按此差值将水位仪调整，使水位仪的读数与人工观测水尺的读数一致，否则就另选择一差值对水位仪进行调整。另一方面检查出现差值的原因，对以前记录的水位值做适当的订正。

2000年，在安装石头河水库防汛预警系统的水位仪时，为了克服这种现象，将仪器安装在放水塔塔体外，并在塔体外安装了两根坚向塑料管，浮子装在粗塑料管（直径约110m）中，平衡锤安装在另一根细管（直径约50mm）中，克服了浮子的摆动问题。

预警系统的水位仪可将水位自动记录到电脑中，记录水位时间较为准确（也有提前或滞后记录的现象），但由于水位计安装在塔体外，冬季结冰后浮子被固定而不能继续使用。同样也有过于依赖水位仪观测水位造成误差很大的情况，如某年3月24日上午11时，用水准仪观测的输水洞放水塔附近的水面高程为764.121m，从预警系统水位仪观测的库水位为765.81m，相差1.69m。

3月24日下午对预警系统水位仪进行了检查，发现水位仪的下限为765m，水位低于765m后，显示的值就往上升。从水位仪记录分析，3月19日8点至20日8点，库水位为低谷点，经比较认为，19日8点用原值765.17m较为合理，其它值均用反算方法改正至3月25日。

4 存在的问题及应对措施

4.1 水尺

水尺是传统的有效的最直接观测设备。1991年6月1日颁发的中华人民共和国国家标准《水位观测标准》（GBJ138—90）规定：“水尺的……最小刻度为1cm，误差不大于0.5cm，……”，“水尺的布设就符合下列规定：水尺设置的位置必须便于观测人员接近，直接观测水位，并应避开涡流、回流、漂浮物等影响。在风浪较大的地区，必要时采用静水设施。”

石头河水库大坝上游水尺设置在右岸的输水洞放水塔塔体及工期桥排架上，塔体距排架及排架之间距离均为32m，水尺的底色为白色，刻度为黑色，数字为红色，水尺的最小刻度为分米。

观测水尺的最近距离为几米，最远距离要在32m以外，由于观测的限制，水尺的刻度如果是厘米，人在32m之外观测水位就很难分辨清楚。也就是说，由于受观测水尺的距离较远限制，石头河水库的坝前水位的水尺的刻度最小只能为分米。

由于受水尺刻度及观测距离的限制，人工观测水位的精度较差，同一水位、同一时间、不同的人观测会得到不同的结果，相差几厘米是正常情况。因为人的视力不同，对水面对水尺刻度的折射标准和方法不同；从分米的刻度中估计厘米的标准和方法不同；对风浪影响的估计标准和方法不同，再加之天气、环境等其它因素影响。

石头河水库大坝上游原水尺由于刻划时的测量误差、累积误差、施工误差、建筑物的沉降误差等，造成水尺误差较大，2011年3月24日，经过对水尺进行复测，位于输水洞放水塔塔体上的水尺的最大误差为54mm，1#排架上的水尺最大误差为48mm，都远远超出了规范要求。2011年4月底5月初，石头河水库坝上游水尺进行了重新刻划，水尺的刻度精度得到了提高。

综上所述，造成石头河水库水尺水位观读的误差主要来源于下列因素：

（1）水尺的刻度太大，以分米为最小单位，要估读到厘米，观测员的经验和各自的评判标准对观测结果影响很大。

（2）视距大时观测员的视力对观测结果影响很大。

（3）当观测员视线与水面不平行时所产生的折光影响。

（4）波浪影响。

（5）水尺附近停靠船只或有其它障碍物的阻水、壅水影响。

（6）时钟不准。

（7）在有风浪、回流、假潮影响时，观测时间过短，读数缺乏代表性。

在目前石头河水库坝前水位观测硬件设施存在缺陷的情况下，要提高坝前水位的观测精度，就按下列要求消除或控制误差。

（1）观测员尽量靠近水尺观测。

（2）观测员观测水位时，身体应蹲下，使视线尽量与水面平行，避免产生折光。

（3）有波浪时，可利用水面的暂时平静进行观读或者取峰顶峰谷水位，取其平均值。

（4）当水尺水位受阻水影响时，就尽先可能排除阻水因素，再进行观测。

（5）随时校对观测的时钟。

（6）采取多次读数，取平均值。

4.2 水位计

由于石头河水库的水位落差太大，从死水位到正常高水位之间落差达73m，只有浮子式水位仪较为理想。造成石头河水库坝前水位产生误差的主要原因为：

（1）机械摩擦产生的滞后误差。

（2）悬索重量转移改变浮子吃水深度产生误差。

（3）平衡锤入水改变浮子入水深度引起误差。

（4）水位轮、悬索直径公差形成误差。

（5）环境温度变化引起水位轮悬索尺寸变化造成误差。

（6）机械传动空程引起误差。

（7）走时机构的时间误差。

（8）人工确定初始水位精度不高产生误差。

要消除水位计的误差，一方面要选择精度较高的仪器；另一方面还要加强用水尺读数对水位计进行调整，使其读数与水尺读数相一致。

4.3 水位误差产生的影响

由于坝前水位观测这一基本资料存在一定的问题，由此导出的其它资料相继也存在问题。如石头河水库流量出现负值的现象，1991年前比较普遍，有些入库流量日平均值也为负值，1991年后日平均入库流量负值现象基本没有出现，但时段出库流量为负值的现象仍然存在。如2008年有38次，2009年有21次，2010年有45次。当然，石头河水库的入库流量由库水位、库容曲线、出库流量、计算时段等几个方面的数据推算所得，但库水位是基本的数据，也是对入库流量起主要决定作用的数据。在正常高水位801m时，水库水位每升高或降低1cm，水量将增加或减少4万m3，就是在771水位的情况下，库水位每升高或降低1cm，水量也会水量将增加或减少2万m3，特别是枯水季节，水库水位对入库流量的影响十分明显。

5 建议

用于石头河水库坝前水位观测的水尺刻度太大，建议在石头河水库大坝迎水面输水洞放水塔左侧适当位置按照1991年中华人民共和国颁布的《水位观测标准》（GBJ 138—90），设置普通的直立式塘瓷水尺，并每年最少对水尺校测两次以上。坝前水位观测坚持以人工水尺水位为主，及时调整水位计使其与水尺的读数一致，这样才能使石头河水库的坝前水位观测规范、准确。

简单的方法就沿水位观测断面设置一组水尺桩。将水尺板固定在水尺靠桩上，构成直立水尺。水尺靠桩可采用木桩、钢管、钢筋混凝土等材料制成，水尺靠桩要求牢固，嵌入坝坡，避免发生下沉。水尺靠桩布设范围应高于803m水位，低于历年最低水位0.5m。水尺板通常是长1m，宽8cm～10cm的搪瓷板。相邻两水尺之间的水位要有一定的重合，重合范围一般要求在0.1m～0.2m，以保证水位连续观读。

水尺板安装后，需用四等以上水准测量的方法测定每支水尺的高程就是要观测的水位值。

为了人人都能读准水位，最好在水尺的周围加上混凝土防浪墙，形成水位井，使水尺周围的水面平稳，更有利于观测水位。

图1 水位井设计图

水位井沿观测断面每上升1m设置1个，也可预制后现场安装，每个井的混凝土量为0.425m3。水尺槽的底部可设置一用螺丝调节高度的放置水尺的不锈钢平台，校正水尺时只要将不锈负平台校正即可。

水位井能使水面平静，也方便水尺的校测与调整，是精确观测水位的最佳方案。经在石头河水库东干渠、北干渠、西干渠使用，水位的观测精度可控制在5mm以内，完全满足坝前水位的观测要求。

6 结论

石头河水库坝前水位观测工作总体较好，能满足水库运行管理的要求。

但如果石头河水库坝前水尺观测不规范，会造成水位观测的精度较差，影响其它水文数据的正确计算。

建议石头河水库在放水塔或输水洞工作桥排架上安设最小刻度为1cm的水尺或在坝坡迎水面设置水位井观测坝前水位，并按规范要求维护水尺；每日8时人工观测水尺水位，将预警系统的水位计作为辅助观测水位的设施，每日8时与人工观测的水位对比一次，误差超过1mm时及时进行调整，确保石头河水库的坝前水位观测规范、准确。※