黑峪口水文站水位流量关系单值化分析

石牡丽

(陕西省水文水资源勘测局，陕西西安721000)

1 基本情况

1.1 测站基本情况

1.2 流域概况

黑河为渭河南岸较大支流，发源于秦岭北麓太白山主峰东侧，河长115 km。黑峪口水文站位于黑河下游，上游1 km建有金盆水库一座。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 水文气象

流域地处秦岭北麓，为秦岭褶皱带，上游大部分为高中山区，海拔700 m～3500 m。流域属暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温13.2℃。本站多年平均降水量786 mm,多年平均径流量5.919亿m3，调查最大流量3620 m3/s，发生在1898年8月3日。实测最大流量2970 m3/s，发生于1980年7月2日。建站以来最大流量3040 m3/s，发生在1980年7月2日。实测最大含沙量92.2kg/m3，发生于1980年8月23日。

1.4 测验断面情况

基本断面上游1 km处建有黑河金盆水利枢纽工程，为西安市重要水源地。本站测验河段顺直，河床由沙卵石组成，左右岸均为人工提防。上游约700 m处有黑河金盆水库一座，下游90 m处建有黑惠渠引水拱水坝一处。测验河段共布设上、中、下三个断面，流速仪测流断面兼浮标中断面，基本水尺断面与流速仪断面、浮标中断面重合，浮标上下断面间距110 m。2010年基上360 m设立固定临时断面为低水测流断面。

1.5 金盆水库电站发电情况

金盆水库坝后电站装置三台HLAl53-LJ-120型水轮机及单机容量4000 kW的发电机一台、8000 kW发电机两台，总装机容量20000 kW。电站年平均发电量7308万kW·h。其中一台8000 kW机组常年发电，流量约为10 m3/s，弃水泄入供水管道，为西安城市供水。其余两台机组运行，根据上游来水及黑惠渠用水量多少选择决定，弃水泄入河道。其4000 kW的发电机开启运行，下泄流量约5 m3/s，其8000 kW的发电机开启运行，下泄流量约10 m3/s，其二台发电机组同时开启运行，下泄流量约15 m3/s。

2 分析目的

通过搜集本站历年实测水文资料，分析证明水位～流量历年关系稳定，从而确定水位流量单值化关系，为简化该站测验工作和水文巡测提供技术支撑。

3 分析依据

本次分析依据为中华人民共和国水利行业标准《水文巡测规范》(SL 195-2015)。

4 资料选用

4.1 资料选用的缘由

由于本站资料受水力因素和设施改造等影响因素较多，因此本次单值化分析在选用资料时，从资料的代表性、可靠性、一致性综合考虑，按本站测验断面变化和受影响因素等相同条件的资料分别进行分析。从而达到单值化范围更大、更合理的目的。

3.现代农业经营主体的弱质性。目前，重庆市现代农业法人经营主体以农业合作社或中小型农业公司为主，普遍存在规模小、实力弱、专业素质不高、经营管理粗放等问题，现代农业运营低效、创收效益不强。2017年，重庆城乡居民收入比为2.55∶1，城乡收入差距高于同期四川省水平。

4.2 分析资料采用

选用了黑峪站2007年～2019年基本断面的实测大断面资料和2007年～2019实测流量成果，分析基本断面水位流量关系；选用2013年～2019年实测大断面成果和实测流量成果，分析设施改造及基本断面水尺由左岸移至右岸后的基本断面水位～流量关系；选用基上360 m处实测大断面资料及实测流量成果，分析基上360 m处实测水位～流量单值关系。

4.3 采用资料次数及舍弃情况

本次分析选用基本断面实测流量点276次，其中2013年～2019年实测流量74次，选用基本断面实测大断面资料13次；舍弃错误点一次，选用临时断面实测流量点193次，临时断面实测大断面资料7次。

5 水位流量关系单值化分析

5.1 测验断面分析

黑峪口站测验河段较顺直，河床由卵砾石组成，右岸河堤为自然坡岸，左岸河堤为人工堤防。河床冲淤变化直接受黑河金盆水库调节放水影响，陡涨陡落严重，河床冲淤变化主要发生在洪水期。基本断面下游拱水坝2005出现垮坝，2006年原址、原高程重新修建，2006年当年投入使用，从实测流量成果资料情况看2009年以前受下游拱水坝较小，2009年6月12日以前基本断面水位受下游拱水坝影响，水位高，流量小，2009年6月12日以后，因黑惠渠改造闸门，导致基本水尺水位没有代表性，在基上400 m处测流，实测对应的水位为基上400 m处水位，2010年开始固定基上360 m断面为临时测流断面，流量小于或等于22 m3/s在临时断面(基上360 m)测流，对应水位为临时断面的水位；流量大于22 m3/s在基本水尺断面测流。2012年，本站测验设施改造，起点距发生改变，实测大断面图出现位移，水流导槽，从左岸导入右岸，基本断面水尺也从左岸设立至右岸。测验断面变化图，见图1。2012年～2019年河床略呈逐年抬高趋势见图2。临时断面右岸河槽近年基本稳定，左岸受冲淤积变化较大，2019年受大水影响淤积较严重。历年断面变化图见图3。

图1 黑峪口水文站历年实测大断面图

图3 黑峪口(四)站基上360 m大断面图

5.2 实测流量水位变幅的控制分析

5.2.1 基本断面不受回水及闸门影响系列资料分析

实测流量水位变幅控制分析选用2007年～2019基本断面不受回水及闸门影响的资料，参加分析的实测流量277点次，实测最高洪水位470.76 m(2019年)，实测最大流量1070 m3/s(2019年)，实测最低水位河干(2007年)，实测最小流量0 m3/s(2007年)，历年最高水位470.76 m，最低水位河干463.83 m(2018年)，水位变幅8.41 m，实测水位变幅占历年水位变幅的44%。见表1。

表1 黑峪口(四)站水位变幅计算表

5.2.2 基本断面因设施改造，断面发生变化后的系列资料分析

实测流量水位变幅控制分析选用2013年～2019断面变化后的资料，参加分析的实测流量75点次，实测最高洪水位470.76 m(2019年)，实测最大流量1070 m3/s(2019年)，实测最低水位河干(2013年)，实测最小流量0 m3/s(2013年)，历年最高水位470.76 m，最低水位河干463.83 m(2018年),水位变幅6.93 m,实测水位变幅占历年水位变幅的32.5%。见表2，水幅未达到规范要求的标准，原因同前。

表2 黑峪口(四)站水位变幅计算表

5.2.3 基上360 m临时测流断面系列资料分析

从以上测点及表3得知，表3达到了此标准，表1、表2，没有达到规范规定的实测流量水位变幅控制历年水位变幅80%以上的规定。原因如下：一是由于受上游水库调节影响所致，非汛期经常出现河干现象；二是流量在22 m3/s以下在基上360 m测流，采用临时断面水位；三是流量在22 m3～110 m3由于水库放水设施受影响洪水涨落速度非常快，用现有设施设备不能精准及时施测，实测流量点子稀缺。

表3 黑峪口(四)站水位变幅计算表

5.3 水位流量关系线综合分析

5.3.1 2007年～2019年基本断面历年水位～流量综合关系线绘制与分析

将黑峪口(四)站从2007年～2019年基本断面水位流量关系曲线点绘在同一张图上，见图4，由图可见,历年水位流量关系点据密集，自然分布呈一条带状。由于测点较多，主要表现在低水点子散乱，误差相对较大，但经过对曲线不断的调整，分别进行三种检验及随机不确定度计算，三种检验中适线检验不能通过，见表5，其不确定度为15.2%，符合《规范》表4.5.2单值化关系线定线允许随机不确定度二类站精度的水文站不确定度16%的要求。系统误差为-0.4%，小于《规范》允许误差标准±3%的规定。通过检验数据分析主要原因是因为22 m3/s～110 m3/s流量点次偏少，误差太大造成的。

图4 黑峪口(四)站基本断面2007年～2019年水位流量综合关系曲线

表4 单值化关系定线允许随机不确定度 单位：%

通过表5得知，用2007年～2019年实测点确定综合线能通过检验并达二类站精度要求标准，实测流量在1.30 m3/s～1070 m3/s，但由于设施改造断面变化资料不呈同一系列，它们的相同之处是都是基本断面的实测点，而且基本断面低水实测点少而在现有设施设备条件下比较难得，如果条件允许的话，以后用先进仪器在基本断面测流，校正以上分析成果，可以延长水位流量单值化的范围。

表5 黑峪口(四)站水位流量关系曲线检验表

5.3.2 2013年～2019年基本断面历年水位～流量关系线绘制与分析

将2013年～2019年各年基本断面实测点分别定线，见图5，各年水位流量关系呈单一线，并能通过曲线检验，当年关系线与综合关系线最大偏离值不大于巡测规范规定的流量间测关系曲线偏离允许的相对误差。误差计算见表6、表7。2016年全年在临时断面测流，因此未定2016年水位、流量关系曲线，见图3。

表6 黑峪口(四)流量间测关系曲线偏离相对误差 单位：%

表7 黑峪口(四)2013年～2019年实测流量点综合线检验表

图5 黑峪口(四)站2013年～2019年实测点与水位流量综合关系线图

由此可以看出2013年～2019年各年关系线符合规范要求标准，可以在分析值范围内(流量110 m3/s～1070 m3/s)实行间测。

5.3.3 2013年～2019年临时断面水位～流量关系线绘制与分析

将2013年～2019年基上360 m处实测点点绘在一张图上，实测点密集成一带状，过点群中心定一条曲线，见图6。由于低水点多，对曲线进行符号检验、适线检验和偏离数值检验均无法通过检验，达不到规范要求的标准。经过分析上游360 m临时断面基本稳定，水位流量关系良好，主要受洪水涨落，断面冲淤变化影响所致。

图6 黑峪口(四)站基上360 m历年实测流量点与综合关系曲线图

6 结论及建议

6.1 通过分析得出以下结论：

1)对该站多年实测流量资料分析，该站基本断面流量可以概括为三方面：①区间产流及大坝渗水Q=0～2.5 m3/s；②大坝泄流Q>100 m3/s；③发电站弃水Q=5 m3/s～15 m3/s。三者之间过度很快，系人为因素，极少持续发生，平时很难正常捕捉施测瞬时流量。Q=20 m3/s～100 m3/s很少发生，仅仅是水库泄洪开闸、关闸瞬间存在。

2)黑峪口(四)站流量在110 m3/s～1070 m3/s范围内可以单值化，利用单值化水位流量综合线直接推求；当河道出现大于1070 m3/s流量时，要及时恢复高流量测验，控制洪峰过程，并用实测洪水点修定水位流量关系曲线。

3)流量22 m3/s～110 m3/s，仅仅是水库泄洪开闸、关闸影响，实测流量点子偏少，也是造成2007年～2019年综合关系曲线适检验无法通过的主要原因。

4)22 m3/s以下，由于黑惠渠闸门改造影响，基本断面水位失去代表性，在基上360 m处测流，用基上360 m处水位建立水位流量关系，与基本断面无直接水位流量关系，用基上360 m处水位与相应实测流量建立关系，无法通过三项检验，暂时不能定制出临时断面实测流量单值化综合线。

6.2 建议

建议流量在110 m3/s以下用电波流速仪或ADCP测流仪在基本断面测流并校正2007年～2019年水位流量综合线，22 m3/s以下，如果实测点均匀分布在综合线两边，可以减少流量测验次数，22 m3/s～110 m3/s加密流量测次，校正合理的情况下可以缩短110 m3/s以下流量间测试验时间，通过再分析重新率定综合线延长水位流量单值化范围，或者在基本断面下游修建量水堰来解决流量≤110 m3/s的测验问题。