水位流量关系（共7篇）
水位流量关系 篇1
1 问题的提出
设计断面水位流量关系是水利工程设计中十分重要的基础资料, 它的合理与否直接关系到工程的安全性、规模大小、投资额度以及经济性等各方面, 影响面十分广泛。因此, 正确合理地确定设计断面的水位流量关系是水文设计中重要内容之一。
工程设计断面的水位流量关系, 最常规的是一条单一的关系曲线, 如图1所示为某水利工程设计断面水位—流量关系曲线。此类关系曲线, 水位与流量之间的相关性较好, 稳定性也较高, 一般可根据设计断面实测水位及相应流量 (无实测资料则需通过上下游水文 (位) 站资料进行相关) , 经相关分析后确定。
纯粹单一的水位流量关系在自然河道中是极少见的, 大部分均存在一定的变幅。而工程设计中, 习惯上均要求给出上述单一的水位流量关系曲线。因此, 水文设计人员在设计中也往往是从有利于工程安全的原则出发, 给出一条偏于保守的水位流量关系曲线, 实践证明, 对大多数设计断面而言, 这样确定的单一曲线有利于工程安全, 对其他方面的影响也较小, 可以满足工程设计的需要。上述按有利于工程安全, 经技术分析确定的设计断面单一水位流量关系曲线, 存在着其成立的前提条件和适用性的问题。
在沿海平原区, 河道水位受到河道流量和海潮两方面的影响。由于河道流量主要受气候及区域性降雨的影响, 而海潮则主要受月亮引力及地球自转离心力的影响, 两者互不相关, 可视为完全独立的事件, 因而两者的遭遇组合十分复杂, 加之海潮日内涨落变化的影响, 从而导致感潮河道设计断面水位流量关系十分复杂。在这样的河流上建水利工程, 若仅从有利于工程安全出发, 确定出一条水位流量关系曲线, 对主要建筑物可能是安全的, 但对其他建筑物的安全性以及工程效益分析计算则有可能是不适合的。这从部分水利工程建成后消力池冲毁、装机规模偏小可以得到印证。河道上的水位流量关系应如何确定, 是设计中要思考和解决的问题。
2 解决方案
沿海平原河道上的拦河水利工程, 以水闸或拦河坝 (水坡) 为多, 这类水利工程一般承担着灌溉、供水、发电、泄洪、防潮等综合利用任务。工程设计中, 水位流量关系曲线主要应用于以下三方面:
1) 工程规模确定及过洪安全方面。2) 泄水建筑物下游消力池工程安全方面。3) 电站效益的计算方面。
以上3个方面, 对水位流量关系的要求是不同的, 1) 的要求是要确保工程本身的安全, 其最不利工况发生在泄洪流量大、下游水位高的情况下, 这就要求给出一条大流量高水位情况下的水位流量关系曲线;2) 的要求是满足消力池的安全, 而影响消力池安全的最不利工况主要是下游水位低, 泄水流量往往在中小流量时;3) 的要求是要计算出一个合理的发电量, 需要的是一条能代表多年平均情况的水位流量关系曲线。
3 工程算例
3.1 工程概况
澄海莲阳桥闸工程位于韩江下游东溪支流莲阳河中部, 距离出海口约12 km, 是韩江下游五宗出海拦河水闸 (莲阳桥闸、东里桥闸、外砂桥闸、下埔桥闸、梅溪桥闸) 中最大的一宗。桥闸东北侧为莲下镇, 西南侧紧靠澄海城区, 行政区域隶属广东省汕头市澄海区。本工程是一宗以御咸蓄淡、灌溉、城市供水为主, 兼顾交通、发电等效益为一体的大型综合性水利枢纽工程。它与潮州枢纽、东里桥闸、外砂桥闸、下埔桥闸、梅溪桥闸以及连接它们的堤防一起构筑成以防潮、灌溉、城市供水为主要效益的水利系统工程。
3.2 设计主要思路及成果
莲阳桥闸工程的主要任务是以御咸蓄淡、灌溉、城市供水为主, 兼顾交通、发电。根据该工程的这些任务, 该闸闸下水位流量关系应满足以下三方面的要求:
1) 工程规模确定及水闸过洪安全方面:主要包括水闸净宽、闸墩高程、设计及校核洪水位等的确定。2) 水闸消力池工程安全方面:包括消力池长度、深度、底板高程的确定等。3) 电站效益的计算方面:主要指标为多年平均发电量。对应以上三方面, 给出了三条有针对性的水位流量关系曲线, 具体分析及主要成果如下:
针对1) 的要求, 应给出一条洪潮不利遭遇情况下的水位流量关系曲线。因此, 经分析, 以东溪口潮位站 (该站位于莲阳桥闸下游约10 km处, 距出海口约2 km) 实测高高潮 (由于该站水位既受潮水影响, 又受洪水影响, 因此其实测水位实则为洪潮组合的水位) 水位外包线为水面线推算起推断面水位流量关系曲线, 见图2。
根据上图中的水位流量关系曲线, 采用伯努力能量方程式, 推算了一条莲阳桥闸闸下水位流量关系曲线。
针对2) 的要求, 应考虑在开闸泄流时 (泄流量也可能不大) 遭遇下游较低水位, 此时, 由于消力池中淹没水深较小, 消力池将承受较大水流冲击, 因而也是最危险的时候。因此, 采用了东溪口站多年平均低低潮水位 (-1.46 m, 珠基) 作为起推水位, 推算了另一条莲阳桥闸闸下水位流量关系曲线。
针对3) 的要求, 以东溪口站多年平均潮水位 (0.01 m, 珠基) 为起推水位, 推算了第三条莲阳桥闸闸下水位流量关系曲线。用此曲线计算电站多年平均发电量, 经多种方法分析和验算, 其成果合理可靠。
以上三条水位流量关系曲线见图3。
4结语
沿海地区潮感河道设计断面水位, 由于受河道流量和海潮两方面的影响, 水位流量关系十分复杂, 不能够像非感潮河道那样确定出一条稳定的且具代表性的水位流量关系曲线, 需根据工程的具体情况, 针对工程不同的设计任务, 按“确保工程安全, 设计合理可靠”的原则, 提出相应的水位流量关系曲线, 只有这样, 才能满足工程设计多方面的需要, 这对于承担较多任务的综合利用工程, 显得尤其必要。
参考文献
[1]詹道江, 叶守泽.工程水文学[M].北京:中国水利电力出版社, 2000:10.
[2]SL 278-2002, 水利水电工程水文计算规范[S].
[3]董宏昌, 李宁祥.沁河特大桥设计流量及设计水位计算[J].山西建筑, 2006, 32 (19) :136-137.
水位流量关系 篇2
关键词：水位~流量关系；Q~关系曲线法；单值化；优化；流量測次布置
1 .概述
北河水文站2003年1月设立，为汉江支流北河的水文基本控制站，是国家重要水文要河中央报汛站，集水面积1160km2。測验河段较顺直，河床为沙、卵石组成，断面较稳定。基本水尺断面上游42m处有一座公路桥，下游500m处有一急弯，对该站有良好的控制作用。该站洪水主要受上游暴雨的影响，上游潭口电站开闸泻洪形成，水位流量关系呈多条临时单一曲线。
Q~关系曲线法适用于河道窄深、断面稳定、高水糙率和比降变化不大的水文站水位～流量关系高水延长。本文试用该关系对北河站近6年中高水实測流量资料进行水位～流量关系单值化处理分析，对于开展站队结合、减少測验工作量、降低生产成本、实现水文巡測具有重要意义。
2.Q~关系曲线法基本原理
由水利学谢才公式可知：
式中：Q—流量；C—谢才系数；A—断面面积：R—水力半径，用平均水深代替；S—水面比降。
在中高水部分,近似为一常数K，天然河道一般可用代替水力半径R，即R≈，故上式可写成：
从以上关系式可知在同一水位下, 流量Q与 成正比关系。河床冲刷时，增大，流量相应增大；河床淤积时，减小，流量也相应减小；河床稳定时，不变，流量也相应不变。
3.Q~关系曲线法
在北河站的应用北河站断面河道顺直、窄深、河床由沙、卵石组成，坡地平坦，断面稳定、高水糙率和比降变化不大，符合水位～流量关系的基本条件。通过2005~2010年的中高水流量资料分析，Q~关系曲线法点呈带状，能定单一曲线，若关系线误差能达到规范要求，实际生产中可用该单值关系来推流。
A.建立Q~关系曲线
根据2005~2010年实測流量成果表,编制Q~关系计算表,根据计算成果,点绘Q~关系曲线图。
B.建立单值化后的水位~流量关系线
根据实測资料相应水位，采用式1，计算出不同水位下的单值化流量，建立水位~流量关系线。
C.点绘Z~关系曲线图
点绘Z~关系曲线图，其中Z为水位，可以了解測验断面冲淤变化趋势，见图3。
2005~2010年，Z~关系明显变小并趋于稳定，该时期水位流量关系相对稳定。水位在86.00~88.00m即中水位到高水位之间的相同水位下，Z~减小，流量也相应减小。
D.測流断面变化分析
2005年“08.15”洪水过后~2010年断面逐年开始变化缓慢，每年第一河洪水后，断面局部虽有冲有淤，但总体冲淤变化不显著。Z~关系明显变小并趋于稳定，该时期水位流量关系相对稳定。2005年“08.15”洪水过后，測验断面右岸有局部冲刷现象，表现在起点距18.0m~40.0m处河床受洪水冲刷河床下切；主河槽在起点距5.0~182m处，采用水文缆道实測流量；当水位遇高水88.90以上时,断面出现漫滩,漫滩部分历年变化比较小，对水位流量关系影响不大。
4 .单值化误差分析
定线误差分析,中高水系统误差均符合二、三类精度的水文站不大于2%的满足于《水文巡測规范》第4.3.1条的巡測规定；中高水随机不确定度均不符合二、三类精度的水文站不大于11%~14%的满足于《水文巡測规范》第4.3.2条的巡測规定。单值化流量与实測流量相对误差较大，主要集中在中水水位级，相对误差大于14%的点子站全部实測点的33%。
5．影响中高水水位~流量关系因素分析
A.上游水电站的影响
北河站洪水主要受上游暴雨的影响，上游潭口电站开闸泻洪形成，电站发电机组属于河床式发电机，断面过水流量绝大部分时间受发电控制,水流波动大且不稳定，突升突降,变化频繁。洪水期，断面流量受到溢洪闸控制，溢洪闸全开启后，水流集中排出。
B.断面受上下游人类活动的影响
測流断面上游16m处有一座新店大桥，主河槽中布设有4个桥墩。主泓基本居中，由于受桥墩影响，流速横向分布与断面形状不相应，但流速横向分布曲线形状相应各水位级基本稳定，中、高水时右岸有逆流产生。下游由于生产生活和工业废水排放因素影响，导致河道水草大量生长，加上人工种植树木、经济作物生长等因素影响，測流断面下游过水断面糙率发生变化，糙率变大，对中低水水位流量影响较大。
C.受断面冲淤和涨落水影响
分析2005~2010年大洪水过后实測水位流量关系均偏小分析发现，而本測流断面冲淤变化不大，面积变化不大，断面平均流速均偏小，说明下游断面有淤积现象变化影响；洪水波产生附加比降，涨水点偏右，落水点偏左，峰、谷点居中间。
6. 结论
北河站2005年5月开始在基上26m处流速仪測流断面采用水文缆道測流以来，受上游潭口电站发电以及来水来沙影响、公路桥等人工活动影响，測验河段不断变化，中高水水位流量关系较散乱，历年流量測验点子呈带状分布，自左右偏移不定，目前測验河段和測流断面尚未完全稳定。目前该站尚不具备流量单值化分析的条件，应待測验河段运行稳定后再进行流量单值化分析。
从定线的角度来看，中高水单值化水位~流量关系线随机不确定度都超出规范的要求；中高水单值化流量与实測流量相对误差较大；从水量的角度来看，中高水单值化水位~流量关系线能够满足规范的要求。中高水历年综合线或当年单一线可以供我们今后分析参考。
近期流量測验測次布置：根据水位与流量变化情况布置測次，以能满足水位流量关系整编定线、准确推算逐日流量和各种特征值；潭口电站正常发电期间，断面稳定，按照单一线布点；在中高水水位在相邻或相近水位级，断面流速和断面面积变化较小，水位流量关系相对稳定时，可适当减少測次；当水流情况发生明显变化，水位流量关系发生改变时，应实时增加測次。
参考文献
[1]长江水利委员会主编.水文资料整编规范.SL247-1999.中国水利水电出版社.2000
水位流量关系 篇3
工程专用水文站自2011年3月9日起开始收集水位、流量资料, 流量采用流速仪法或走航式ADCP测验。水文站位于坝址下游约2.4km处右岸山前阶地, 区间无支流汇入, 测流断面位于两弯道之间, 河流顺直长度约1km, 单式断面, 河段控制条件良好。定线时段内工程处于大坝建设期, 河水自坝上库区流经导流洞至下游河道。
2011年4至10月水位流量关系点呈窄幅带状分布, 不满足单一曲线定线要求, 分析发现8月6日后水位流量关系点由稳定单一曲线逐渐向右偏移, 具体表现为相同水位下流量明显增大。4至10月实测水位流量关系点分布图见图1。
选择2次水位接近的实测流量资料进行分析, 见表1。
同水位级测验断面面积变化较小, 略有冲刷。9月3日断面平均流速与断面最大流速成果明显偏大, 导致流量偏大10%以上。
2 水位流量关系主要影响因素
影响水位流量关系的因素可以分为单次测验成果影响因素和河槽控制条件两个方面, 分析其主要影响因素对水位流量关系定线合理性检查具有非常重要的意义。测验时段内引起水位流量发生不稳定变化的主要原因可能为:
(1) 修改ADCP盲区参数影响实测流量成果。8月12日起, 变更ADCP的盲区参数, 由原来的WF10改为WF25。
(2) 下游回水顶托。水文站流量测验断面距河口17.6km, 干流水位上涨造成回水顶托现象, 影响断面流量。
(3) 断面冲淤变化。8月初, 测验河段出现较大洪水过程, 8月6日, 实测流量为624m3/s, 断面冲淤变化影响实测流量。
(4) 工程施工活动影响。上下游围堰合龙后, 坝上库区形成, 改变了河道的天然形态, 库区蓄水通过导流洞泄入下游河道, 库区对洪水起到了一定的调蓄作用。导流洞下游一公里范围内, 两岸及河槽中有大量工程开挖后形成的弃土、弃石, 导致河水流态紊乱。洪水冲刷以及坝下游河床开挖、施工等, 都会导致河段控制条件发生变化, 从而影响水位流量关系。
2.1 修改ADCP盲区参数对实测流量的影响分析
断面流量采用1200KHz ADCP GGA模式测验, ADCP上盲区参数直接影响断面实测部分流量, 间接影响上盲区流量插补, 从而影响断面总流量。8月12日第28次流量开始, 盲区参数由WF10改为WF25。“瑞江”系列1200KHz ADCP命令参数列表如表2。
9月3日, 在相同水位条件下, 分别设置不同的盲区参数后进行流量比测, 对比实测流量成果, 见表3, WF改变后, ADCP测得的流量值差别很小, WF参数变更对实测流量无影响。
2.2 回水顶托影响分析
水文测验断面距下游出口17.6km, 调查发现下游干流在7、8、9三个月持续高水位, 断面水位流量关系可能受下游干流回水顶托影响。
点绘水文站~出口站 (出口上游4km) 2011年6、7、8三个月份的水位~落差关系图 (两站基面不同) , 如图2。表明同水位级8月份落差均比6月、7月小, 若水位流量关系受下游回水顶托影响, 同一水位流量应减小, 这与实际情况不符, 考虑到测流断面距出口较远, 且河道纵比降较大, 可以断定测验断面不受回水顶托影响。
2.3 断面冲淤变化影响分析
测验断面位于山前阶地, 砂质河床, 河段比降较大, 水流湍急。断面冲淤变化可能会对水位流量关系造成影响。
从6月25日至9月27日共8次ADCP实测流量原始资料中提取固定垂线水深数据, 整理后绘制河底高程变化图, 见图3。表明测验断面河床相对稳定, 8月6日洪峰经过时, 右岸部分河床冲涮, 但冲刷面积较小, 河底高程变化最大处的变化量不足0.5m, 冲淤部分宽度大约20m, 冲刷面积为10m2左右, 仅为断面总面积的4%, 且4~9月水位~面积关系良好, 见图4, 为单一关系。表明断面冲於变化不是同水位流量发生变化的主要影响因素。
2.4 水电站施工活动影响分析
2.4.1 基本情况介绍
水电站大坝施工阶段库区水位抬升后通过导流洞流入下围堰下游河, 原有的天然河道水力特性因工程施工而发生变化。导流洞入口上游为导流明渠, 长约480m, 导流洞长531m, 为减缓导流洞流出的湍急水流对河道岸坡的冲刷, 下游河道两岸均进行了抛石护岸, 汛前导流洞出口顺水流方向有一道沙砾石弃土堆积而成的丁字坝, 自导流洞出口右侧小角度向河心延伸约60m, 对导流洞流出的湍急水流起到一定的阻水消能作用, 7至9月共出现三次较大的洪水过程, 见表4。洪水通过前后丁坝形态发生明显变化, 可能导致河段控制条件发生变化, 从而影响水位流量关系。
2.4.2 河槽特性变化情况分析
天然河道非均匀流条件下, 糙率是反映水流平面形态、河道水力因素、断面情况等综合影响的系数。分析所用流量数据采用4月13日至9月27日水文站40次实测流量资料, 水位采用测流平均时间对应的水文站基本水尺水位及导流洞出口断面水位。
根据曼宁公式:
△H采用导流洞出口断面与水文站基本水尺断面水位之差, L采用设计值3km, 测验断面属于窄深式断面, 最高水位时平均水深也不超过5m, 故水力半径R采用平均水深。
图5表明4至9月相同水位条件下导流洞出口与水文站基本水尺断面间的落差有减小的趋势。
图6表明8月6日后导流洞下游河槽糙率发生了明显变化, 造成河槽糙率变小的原因可以确定为洪水对河槽的冲刷作用。由于洪水水流长时间冲刷导流洞出口以下河槽, 导流洞出口处丁坝大部分冲毁, 坝体冲毁后对导流洞泄水的阻力减小, 消能作用减弱, 洪水过程带走了河槽中对水流造成阻力的土石堆、建筑垃圾、弃土等, 冲深了河床, 水流更加顺畅, 相应表现为同水位河槽的糙率减小、流速增大, 水位落差减小, 在导流洞出口流量相同的情况下, 水文站测验断面流速增大、水位降低, 水文站断面同水位条件下流量增大。
3 结束语
通过成因分析发现工程施工活动是影响水位流量关系变化的主要因素, 结合测验时段内水情特点最终定线方案为:以时间过程为依据确定两条临时曲线, 8月6日后随着水位的下降由原单一关系线逐渐过渡到新的单一关系线, 9月中旬新单一曲线趋于稳定。
施工期水电站坝下游水文监测断面水位流量关系受多种因素的综合影响, 一般情况关系较为复杂, 对于断面冲淤变化较小、不受顶托影响的监测断面, 影响水位流量关系的主要因素为工程施工活动, 应根据工程施工进度及水情变化灵活布置测次, 控制水位流量关系的过渡变化, 便于水情预报及整编推流。
参考文献
[1]GB50179-1993.河流流量测验规范[S].
[2]SL337-2006.声学多普勒流量测验规范[S].
[3]SL247-1999.水文资料整编规范[S].
[4]袁世琼.天然河道的糟率计算[J].水电站设计, 1997.
水位流量关系 篇4
长江经过三峡后, 经宜昌顺流而下至枝城进入荆江, 荆江长约340km。历史上多为洪水泛滥区, 是长江防洪重点河段。枝城站为荆江入口重要控制站, 测验断面位于现在的湖北省宜都市枝城镇, 断面上游约99km、61km、18km处分别有三峡和葛洲坝水利枢纽工程以及宜都水位站, 19km处有支流清江汇入;下游2km、35km分别为枝城长江大桥和马家店水位站。
测验河段在两弯道之间的顺直过渡段上, 顺直段长度约3km, 略显上窄下宽状。断面上游700m处有石矶, 高水影响主泓摆动, 河槽中高水位河宽1200~1400m。断面左岸为沙滩, 主泓偏右。
2问题提出
2009年07月分析的《枝城站水位流量关系单值化分析报告》通过审核后, 枝城站从2010年至今 (2013年) 这4年的流量资料整编采用水位流量单值化 (水位~校正流量) 定线整编的方法。发现水位~校正流量关系线逐年向右偏移, 到2013年关系线又未再向右偏移的迹象。为了更好的了解关系线变化的内在因素, 对三峡蓄水前后的关系线变化过程进行综合分析。随机选取年份2001、2002、2006、2007、2012、2013年实测水位流量数据, 经09年通过落差指数法分析并批准使用《枝城站单值化分析报告》中的公式对选取代表年份的实测流量进行单值化后, 绘制上述几年水位校正流量关系线年际变化图, 如图1。
通过图中可以看到三峡蓄水前2001、2002年关系线基本重合, 2006、2007年与2001、2002年关系线相比, 在中高水位级, 同水位下, 2006、2007年比2001、2002年校正流量偏小, 而2012、2013年又比2001、2002年校正流量偏大, 蓄水前后水位校正流量关系线年际变化并不是逐年向右偏移, 如果仅仅是因为本断面河床下切, 导致同水位下断面面积变大、流量变大而致使水位校正流量关系年际变化图向右偏移, 那么应该是关系线逐年向右偏移的现象, 然而通过图1发现并非如此, 试着通过本水文测验断面河床和本断面上下河段河势变化综合情况来分析是否是关系线变化规律的主要影响因素。
3水文测验断面冲刷变化情况
2003年三峡水库开始蓄水后, 三峡水库长期下泄含沙量较小的“清水”。含沙量的大量减小使从三峡水库一下的河段从某种意义上已经成为了一条新的“长江”, “清水”具有很强的冲刷能力, 不断的冲刷着坝下河段河床。
选取蓄水前的1991和2001年份, 蓄水后的2006和2013年份等4个代表年份的实测大断面数据绘制大本站水文测验断面变化图, 见图2, 通过图2清晰展现三峡坝下枝城站水文测验断面在蓄水前到蓄水后, 直至到2013年这10年时间对河道断面的冲刷变化情况。蓄水前1991年到2001年这10年时间端面冲刷较小, 而从2003年蓄水后, 清水下泄, 对断面冲刷变得严重, 从起点距90m至1050m左右断面一直被冲刷, (起点距1050m往右岸为礁板河床, 往左岸为沙质河床) 以2001年大断面为参考, 与2013年大断面比较, 其中起点距270m至600m断面河床冲刷最为严重, 下切基本在10m左右。
断面河床下切, 同水位下水道断面面积增大, 同一水位下, 水道断面面积2006年比2001年增大3000m2左右, 2013年比2006年增大5000m2左右, 2013年比2001年增大8000m2左右。
4落差以及同水位下流量变化情况
坝下河道河床的下切, 导致同一水位下, 面积的变化、流量的变化、上下比降的变化等, 这些种种因素导致校正流量的变化, 引入枝城站单值化校正流量计算公式:
式中:q-校正流量因素;Qm-实测流量 (m3/s) ;Zm-综合落差 (m) ;α-落差指数, 取0.50;Z0-枝城站水位 (m) ;Z1-宜都站水位 (m) ;Z2-马家店站水位 (m) 。通过单值化公式可知, 校正流量q的大小与实测流量和宜都站水位与枝城水位差值以及枝城站水位与马家店差值大小有关。 (枝城站上游为宜都站, 其下游为马家店站) , 2003年三峡蓄水后, 清水沿江顺流, 对下游河段河床强有力的冲刷, 河床冲刷的幅度与水力, 江水本身的浊度、河床的组成等等有密切关系。绘制上下站落差变化图以及综合落差图倒数变化图, 如图3, 通过图中上下站之间落差的变化以及本断面的综合落差的倒数变化, 可以初略的了解河道上下河床冲刷的力度和直接影响校正流量q大小的河势变化。
为了避免洪水涨落对同一水位下断面流量的影响, 选取代表年份水情平稳期, 同一水位下 (Z=38.00m) , 断面流量的变化情况。如图4, 因断面下切同水位下流量逐年偏大。
通过图3落差变化图, 可以了解河道的比降变化基本趋于稳定, 河床冲刷趋于稳定, 结合图4相同水位断面流量变化图, 正印证了图1水位校正流量关系线的变化情况。
5结束语
对枝城站水位~校正流量关系的分析, 可以得出以下结论:
5.1本断面河床从蓄水后, 水沙条件改变, 河床冲刷严重, 为沙质河床的左岸下切近10m, 同流量下水位降落, 2013与2001年相比同水位下增大水道断面面积8000m2左右, 通过上下比降可知, 本文分析的站点间坝下河道河床均有冲刷, 受自上而下沿程河床地质条件的差异和不同江段河水挟沙能力的不同, 河床在原始坡降情况下不同程度的下切。
5.2水位校正流量关系曲线的年际变化主要受本断面同水位下流量大小变化和因河道冲刷引起的落差变化综合影响。
水位流量关系 篇5
1 概况
合作水位站位于大环江中游的合作水电站下游,大环江全长136.5 km,流域面积2 850 km2,实测最大流量3 020m3/s (1970年),最小流量3.1m3/s (1963年),年平均流量为62.43 m3/s;在河池市三江口汇入龙江,为龙江的主要支流。目前合作水位站上游建有多座中小型水电站,对河道径流有明显的调蓄作用,因此建坝后其最大流量应有所减小。
站址处属于山区河流,河水陡涨陡落,洪峰通常为孤峰,洪水过程较为明显。流域出现大暴雨、特大暴雨洪水较多,主要发生在5～8月,且以6、7两个月最为频繁。造成龙江流域暴雨的天气系统,一般为峰面、低涡、低槽和切变线等,台风天气对龙江流域形成暴雨天气影响不大。龙江流域的雨区往往是从西北向东南移动,与河流的流向大体一致,利于形成大洪水。流域枯水期一般为10月至来年的3月,个别特殊的水文年份,11月份也可能出现洪水。
2 主要工作内容
2.1 测流断面勘察选址及站址地形测绘
经过多次的现场勘查,综合考虑了交通、通讯等条件,初步选定在合作村上游100 m码头处的开阔河道断面作为合作水位站的测流断面。在合作电站右岸厂房尾水右下侧小山坡上采用原电站施工时已经埋设有的施工控制点“Z05”控制点,其北京54坐标见表1。
(单位:m)
2.2 测流缆道架设
合作水位站缆道基本设计参数如下。
合作水位站考证最高洪水位:213.00 m;电站下游设计洪水位:HQ=2%=213.56 m;电站下游校核洪水位:HQ=1%=215.35m;电站下游最低水位:H=204.30 m (调查低水位,采用GPS-RTK测量获得相应水位);设计流速:Vs=5.0 m/s;防洪标准:按30年一遇至50年一遇洪水标准进行设计。结合现地形测量成果,并经过初步方案布置及受力分析,选用简易缆道方式架设,两岸均采用钢管立柱支架,悬吊ADCP测船进行测量。
2.3 流量测验选取设备
采用主要测流设备参数见表2
2.4 流量计算
流量计算采用仪器自带的分析软件WinRiver进行自动计算处理,并按如下方法进行分区计算。
2.4.1 实测区(中层)流速、流量
中层平均流速由系统直接测出,其值为第一个垂向单元至靠近河底单元(未受河底干扰)所有单元所测流速之平均:
中层流量可由下式推出:
式中:QXM——实测区(中层)X向流量;VXM——中层平均流速X向流速分量;Uxj——单元j中所测的X向流速分量;m——断面内中的微小断面数;n——微断面中有效单元的数目;VbY——测量船船速y向矢量;VbX—测量船船速X向矢量;Z1——河底至靠近河底的未受河底干扰单元的高度;Z2——河底至第一单元的高度。
2.4.2 岸边流量计算
式中:QNB——斜坡岸边估算流量;α—一斜坡岸边系数,一般取0.707,陡直边坡取0.95;L—岸边至测量起点(或终点)微小断面的距离;Hm——起点(或终点)微小断面处的水深;Vm——起点(或终点)微小断面处的线平均流速。
2.4.3 表层流速、流量计算
表层流速由于ADCP换能器必须浸入水中一定深度,系统不能直接测出表层盲区的流速,一般由系统采用指数流速分布公式来推求,表层平均流速可由下式推出:
表层流量可由下式推出:
式中:QXT——X向表层平均流速;UXj——单元j中所测的X向流速分量;H——测流断面的总水深;L——岸边至测量起点(或终点)微小断面的距离;Hm——起点(或终点)微小断面处的水深;Vm——起点(或终点)微小断面处的线平均流速;Z1——河底至靠近河底的未受河底干扰单元的高度;Z2——河底至第一单元的高度;DC——垂向单元的长度。
2.4.4 底层流速、流量计算
由于河底对声束的干扰,在河底存在底盲区,其流速数据不能直接测出使用。类似于表层流速的计算方法,底层X向平均流速的计算公式为:
层流量可由下式计算:
式中:QXB——Y向表层平均流速;UXj——单元j中所测的x向流速分量;H——测流断面的总水深;L——岸边至测量起点(或终点)微小断面的距离;Hm——起点(或终点)微小断面处的水深;Vm—起点(或终点)微小断面处的线平均流速;Z1——河底至靠近河底的未受河底干扰单元的高度;Z1——河底至第一单元的高度;Dc——垂向单元的长度。
河流某断面流量等于ADCP实测流量与表层推算流量、底层推算流量、岸边估算流量之和:
2.5 现场实测
测流前需精确测量记录换能器的入水深度,选择合适的外推方法(常数或指数方法等),估算上、下盲区流量并测量测船距两岸岸边的距离,以便精确估算岸边测量盲区流量。
测流时测船从断面下游驶入断面,在接近起点位置时,航行速度沿断面保持正常速度,直至终点。测流时需要选取流量相对稳定时进行两个测回断面流量测量,取均值作为实测流量值。流量在短时间内变化较大时,可适当减少测回。一般宜完成一个测回,特殊情况可只测半测回,并作出说明。
测流结束需及时对测验情况及结果进行评价,所测流量的算术平均值、每半测回流量值与平均值的偏差,其最大偏差应不大于5%,则测验成果可采用。如果最大偏差大于5%,应根据水情变化情况和测验过程进行分析,并按下列不同原因进行处理。
(1)属仪器安装、参数设置不当等原因,且不能进行有效校正的,则重新测验。
(2)属水情涨落变化快,可用一个测回的实测流量计算平均值。
(3)水情平稳,且原因不能准确分析的,可增加一个测回,计算实测流量值最接近的连续2个测回的平均值。
(4)采用上述方法进行处理,如果最大偏差仍然大于5%,则采用其他仪器或方法重新测验。
2.6 数据成果分析
通过ADCP进行2年的流量测验,得出“合作水位站2009—2011年水位流量关系曲线检验及标准差统计表”。
通过符号检验分析可知,按给定的显著性水平=0.25,相应u临界值取值1.15,计算获得的u值为0.00,小于临界取值,可认为绘制的曲线是合理的,可接受采用。
通过适线检验分析可知,统计同号为15项,按给定的显著性水平=0.10,相应u临界值取值1.28,计算获得的u值为0.36,小于临界取值,可认为绘制的曲线是合理的,可接受采用,曲线定线无明显的系统偏离。
通过偏离数值检验分析可知,按给定的显著性水平=0.20,相应t临界值取值1.28,计算获得的t值为0.08,小于临界取值,可认为绘制的曲线定线是合理的,推荐采用。
3 结论
通过ADCP实测得的水位、流量点子关系呈单一线。所定的水位流量关系曲线,经符号、适线、偏离数值三种检验,检验结果各项指标均达到规范要求,认为所定的水位～流量曲线合理,精度保证。使用ADCP进行固定断面流量测验,只需将装备有ADCP的测量船从河流某断面一侧航行至另一侧,ADCP即刻测出河流流量、流速等数据。通过在合作水位站实测,表明在漂浮物较少,流速不大的固定断面进行测量,它比传统的河流流量测量方法提高效率数十倍且精度较高。
摘要：文章对水位站流量测验进行了详细分析,阐述了流量测验的各个步骤,对实测结果进行探讨,并对使用ADCP(声学多普勒流速剖面仪)进行流量测验的优越性进行分析。
关键词：水位站,流量测验,ADCP,声学多普勒流速剖面仪
参考文献
[1]邹洪,向大成.多普勒计程仪速度参照系统误差分析[J].声学技术,2003,22(3);162-168.
[2]GB 50179-93,河道流量测验规范[S].
[3]SL337-2006,声学多普勒流量测验规范[S].
[4]GBJ138-90,水位观测标准[S].
[5]SL 195-97,水文巡测规范[S].
水位流量关系 篇6
目前国内外河流流量测量的主要方法有:流速面积法、控制断面法、曲线率定法以及遥感图像法[3—5]。流速面积法使用最广泛;控制断面法在小断面流量测量中应用较多, 曲线率定法多用于粗略测量, 遥感图像法在国外研究和应用较多。为提高河流流量测量精度, 在研究流速面积法基础上, 提出了断面岸边系数法, 该方法是一种代数精度更高、实测方便的河流流量算法。
1 流速面积法
根据流速面积法[6,7]的分割求和思想, 其理论计算公式为
式 (1) 中B为河面宽度;q (x) 为单宽流量函数。
在实际应用中, 由于河道横向流速受到多种因素的影响, 单宽流量函数q (x) 比较复杂。因此, 实测中将河流横向断面沿河面分割成若干个局部断面, 分别计算各局部断面流量, 然后统一加和获得全断面流量[8], 如式 (2) 所示。
在式 (2) 中, Qi局部断面的流量算法有很多, 但各算法的计算参数都是测点的水深、流速和起点距, 各参数的示意图如图1。
1.1 计算方法误差分析
目前国内外流速面积法的主要基于数值积分近似计算方法:梯形公式、辛普森公式、中矩形公式、国标法、丁文昌法、耿鸿江法、贺志岗法[8—10]。
衡量一种数值积分的优劣主要通过考察其代数精度和余项。梯形公式和中矩形公式对于单宽流量为q (x) =c (常数) 、或q (x) =ax+b的河流能够精确计算;辛普森公式能够对三次的单宽流量函数积分准确计算, 若单宽上水深和流速均为线性变化, 辛普森公式也能准确近似计算。国标法的代数精度小于2次, 即对于水深和流速均为线性变化的河流断面, 该算法的计算结果与真实值存在误差。对于水深和流速同为线性变化的局部断面, 丁文昌法的代数精度小于2次。耿鸿江法的代数精度为一次, 且对于水深和流速同为线性变化的河流断面, 该算法的计算值不等于真实值[10—12]。
综上所述, 可知现有的算法中, 只有辛普森公式的代数精度为三次[13], 其余均为一次。即, 辛普森公式对于局部断面单宽流量曲线为三次曲线的数值积分能够精确的近似代替。
通过对上述各算法数值积分代数精度的分析, 各算法的误差对比如下。
根据数值分析现有成果可知梯形公式、中矩形公式和辛普森公式的余项如公式 (3) ~式 (5) 。
根据余项公式, 梯形公式和中矩形公式对于q (x) 为一次和常数的局部断面, 余项等于零, 没有近似误差。对于二次及二次以上的q (x) , 余项不为零, 数值积分存在误差, 差值即为余项, 符号由曲线的n阶导数决定。对于国标法、丁文昌法、耿鸿江法, 根据上部分的推导公式可知其误差公式如下。
当单宽流量曲线为一次或常数时, 误差为零。当水深和流速均为线性变化时, 局部断面的数值积分误差非零。
根据以上全部公式, 可以得出以下结论。
所列举公式误差主要由曲线系数和测点的起点距决定。
所列举公式误差都与x2-x1有关, x2-x1越小, 误差越小, 增加全断面上的测线可降低误差。
对于水深和流速均为线性变化的局部断面, 辛普森公式的绝对误差为零。梯形法、中矩形法、国标法和耿鸿江法误差的绝对值大小关系为:
1.2 断面岸边系数法研究
根据以上误差分析及比较, 发现耿鸿江法的在计算局部断面流量时, 误差最为理想。但是, 由于该方法忽略了岸边系数的问题, 对于两岸边为死水区或陡岸的河流流量计算误差变大。
故分析现有国标法、平均分割法、丁文昌法公式, 归纳三种算法公式的关系, 可得到三个公式的通用表达式, 只是拥有不同的权重α, 即
并发现α的物理意义为同一测量垂线上水深与流速之积的权重, 而1-α为相邻两测点垂直方向上的水深与流速的交积权重。通过对三种算法的精度进行深入分析, 局部断面流量的精度偏低主要是由于权重α的取值不合理, 导致在局部断面内水深变化引起计算精度低。
断面岸边系数法规避了岸边系数的取值问题, 无需岸边系数就能准确测量岸边流量。但是, 去除岸边系数而直接采用算法直接计算岸边流量是不合理的。由于天然河道只有在接近河床很小一部分处的流速变化大, 在岸边处多为紊流, 流速和水深变化关系非常复杂, 对于陡岸边和死水边不可一概而论, 用统一的算法计算是不合理的, 需针对不同的岸边情况选择合理的岸边系数修正。因此, 本文的流速面积法计算算法为
式 (10) 中, i=1或i=n-1为岸两边, 其中α为岸边系数, 与岸边性质有关。斜岸边的岸边系数α=0.67~0.75;陡岸边的岸边系数α=0.8~0.9, 死水边的岸边系数α=0.5~0.67。
经计算此算法代数精度计算公式为
显然, 其代数精度为一次, 并且对于水深和流速同为线性变化的河流断面时, 该算法的计算值不等于真实值。
2 实验验证
2.1 实测流量资料算法验证
为验证该算法的准确性, 随机选取某站一次实测流量数据资料如表1。试验分两组进行, 第一组中所有测点均参与计算, 分别用各种算法计算其全断面流量。第二组中起点距分别为:10、20、30、40、50、60、65的测点参与计算, 分别用各种算法计算其全断面流量。
由于该站的岸边形状为斜岸边, 根据数据分析, 本文算法计算, 岸边系数取0.7。两组计算结果如表2, 其中理论真值由所有起点距处的单宽流量形成的分布曲线, 利用图解法获得。
由以上两组实验, 分析可得:多测点实验组, 误差绝对值大小关系为:
少测点实验组, 误差绝对值大小关系为:
对比实验结论与理论推导分析可得:
测点数越多, 计算结果的误差越小, 理论推导正确。
本文提出的算法在多测点测量时, 误差比耿鸿江法小, 相比现有各算法优势明显。在少测点测量时, 误差变大, 原因是两个岸边局部断面相比多测点测量的局部断面增大, 增大了计算误差。
理论推导结论|E耿|<|EGB|=|E中矩形|<|E梯|, 在多测点实验组实验结论与理论推导完全一致, 在少测点实验组实验结论中部分与理论推导结论一致, 其中不同的是关于中矩形公式和梯形公式计算结果误差的大小关系。其原因是, 中矩形公式的误差之所以最大是因为, 中矩形法的计算要求测深垂线和测速垂线必须是某一个区间的中点, 所以在少测点的计算时, 实际参与中矩形法计算的数据只有3个测点。对于梯形公式法, 计算结果误差小, 可能是由于单宽流量分布曲线在局部断面上与直线相似, 从而误差偏低。
实验结论中辛普森公式的误差偏大主要原因是因为辛普森公式对测点的要求与中矩形一样, 对中点的要求导致实际参与计算的测点少, 进而增大了计算误差。
综上所述, 理论推导的结论基本上与实际计算结论一致, 即测点越多, 计算误差越小;在多测点测量时, 本文算法相比梯形法、中矩形法、国标法和耿鸿江法误差的绝对值最小。由于在自动化河流流量测量中, 多测点的测量易于实现, 所以算法可作为河流流量自动测量的理论依据。
此外, 考虑到实际工程应用问题, 各算法在实际测量中的可操作性也成为了另一个重要的参考依据。根据各算法的计算公式, 辛普森法和中矩形法计算中都用到某一个局部区间的中点作为测点, 在实际中需要严格确定这些测点的位置, 否则会带来误差的累积, 所以这两种方法的实际操作性较低, 不适合实测应用。其余算法相比而言, 对测点的位置关系要求较低, 易于控制实现。其中, 提出的改进算法在两岸边的局部断面宽度无明确数值要求, 测量时根据现场河流的岸边性质决定。若岸边为死水区或陡岸边, 两岸边局部断面应覆盖死水区和陡岸边。若岸边为斜岸边, 两岸边局部断面不宜过大。
2.2 现场实测数据算法验证
根据提出的断面岸边系数法, 计算河流横向过水流量必需的测量参数是水深、流速和起点距[14]。利用一种非接触式、自动测量的河流流量测量设备[15]。即将传统缆道式测量中的铅鱼去除, 改而换之为非接触式测深测速仪实现的测试目的, 其示意图如图2。
图2中的缆道测量机构为一种循回式电动机构。
根据改进算法, 缆道测量施测方案如图3所示。
对于不同的岸边性质, 河流的施测方案不同。对于斜岸边的河流测点分布均匀。对于死水边的河流, 测点分布不均, 其测点位置规划是根据死水边的位置确定, 测点2 (M2) 与测点n-1 (Mn-1) 为死水边缘位置, 其余测点均匀分布。陡岸边河流的施测方案与死水边河流同理。
根据施测方案, 利用本文改进的缆道测量机构, 可获得断面上所有测点位置处的水深、流速以及该点的起点距。通过代入本文算法就可获得全断面河流流量。根据实测情况, 随机选取PC机向终端共发送三组数据数据, 分别为斜岸边河流、死水边河流和陡岸边河流三种典型河流形态。三组数据的水深和流速在不同起点距坐标位置下的曲线关系如图4所示。
三种典型河流系统计算结果如表3所示, 系统的计算结果相对误差在2%以内, 满足测量精度要求。在不同的岸边系数取值的计算结果相对误差偏差较小, 说明本文算法受岸边系数影响较小。
3 总结
(1) 分析总结了目前河流流量的测量方法, 深入研究了流速面积法由于忽略死水区和岸边河流流量产生计算误差增大问题, 针对该问题提出了断面岸边系数法;
(2) 通过合理选择岸边系数α, 断面岸边系数法大大降低了河流流量误差测量, 同原流速面积法相比, 该方法河流流量误差降低在约2%以内;
(3) 通过采用非接触式测深测速仪, 通过三种典型河流实验数据, 验证了断面岸边系数算法在多测点测量大大降低误差的结论, 并可作为河流流量自动监测的流量计算算法。
参考文献
水位流量关系 篇7
焉耆盆地是新疆典型的山间内陆盆地和大规模开垦荒地大规模推广膜下滴灌高效节水技术致使地下水位下降典型区, 因此探讨该区地下水位下降和灌溉农业变化之间的关系,对焉耆盆地适度开垦荒地,合理推广高效节水,科学利用地表水、地下水具有重要意义,对干旱区山间内陆盆地合理进行水土开发具有参考作用。本文应用相关分析法、RS及MapGis空间特征分析技术,探讨了焉耆盆地21世纪以来地下水位下降与耕地面积增大、大规模推广高效节水的多元耦合关系与响应机制。
1研究区概况
焉耆盆地位于天山中段南麓新疆巴音郭楞蒙古自治州境内,面积约13 612km2。四周环山,呈菱形,地势从西北向东南倾斜,从周边山岭向盆地中心 - 博斯腾湖倾斜。博斯腾湖[5,6]是我国最大的内陆淡水湖,分为大、小两个湖区,大湖区是湖体的主要部分,东西长约55km,南北平均宽约20km,湖面海拔为1 048.75m时,水域面积达1 002.4km2,体积为88亿m3, 平均水深7.38m,多年平均降水量64.7mm,多年平均蒸发量2 194.7mm,属于典型的大陆性干旱气候。
研究区指焉耆盆地绿洲区,面积约4 120km2,区内河流来源于南天 山冰雪融 水和降水,多年平均 总径流量42.15亿m3/a,主要河流有开都河、黄水河和 清水河,多年平均 径流量[7,8]分别为34.82、2.89和1.05亿m3/a。区内地下水主要赋存于第四系松散堆积物中,补给来源 有河流、渠系渗漏,山区河谷和基岩地下径流,大气降水入渗,田间灌溉水渗漏。排泄归纳起来有3种形式:一是潜水蒸发,二是通过农排渠排泄及向河流湖泊泄流,三是人工开采。研究区地下水资源8.91亿m3/a,其中开都河区地下水资源量为6.71亿m3/a,和静北部 诸小河区地下水资源量为1.055亿m3/a,和硕独立 小河区地 下水资源量为1.217亿m3/a,不引起地 表生态环 境退化的 地下水可持续开采量[9]为3.8亿m3/a。
2地下水位演变特征
2.1初始特征
研究区天然状态下地下水流场的流向是自西北向东南运动,在2000年,区内湖泊 湿地面积1 695.6km2,占研究区 的30.13% ;地下水位 埋深小于5 m的分布区 面积为2 930.4 km2,占52.07%,大于5 m的埋深区 面积1 002.1km2,占17.81%。
2.2现状特征
根据2011年水文地质测绘表明,研究区内湖泊湿 地面积1 392.7km2,占研究区的25.65% ;地下水位埋深小于5m的分布区面积为2 407.1km2,占44.34%,大于5m的埋深区面积1 629.5km2,占30.01%。
2.3演变特征
由图1可以看出环绕博斯腾湖由外到内,地下水位埋深呈现出由深变浅的特征。通过对图1(a)与图1(b)对比可知,经过11年时间演变,研究区内地下水位埋深>10m区域明显增大,其范围由近山区向近湖区逼近,主要分布在盆地西侧和东北侧;在内陆中心区域,地下水位埋深2~3m区域面积有所增加;博斯腾湖面积呈现出减少的趋势,在湖的西北岸和东北岸较为明显。
2000年研究区 内湖泊湿 地面积达1 695.6 km2,占30.13%,埋深0~3m区域2 311.5km2,占41.07%,埋深3~ 5m区域618.9km2,占11%,埋深>5m区域1 002.1km2,占17.81%;2007年湖泊湿 地面积缩 小至1 488.7 km2,占26.44%,埋深 >5 m的分布区 面积扩大 至1 317.1km2,占23.39%;进入2011年,湖泊湿地 面积进一 步缩小至24.73%,埋深0~3m区域缩小至1 585.8km2,占28.16%,埋深3~5 m区域扩大到822.93km2,占14.61%,埋深>5m区域继续扩大,达到1 829.5km2,占32.49%(见表1)。
以定边界区域内陆地地下水位以上土体厚度来衡量研究区内总体地下水位埋深情况,由于盆地内陆地面积相对整个盆地面积而言波动幅度小于6%,因此可以如此定义,该厚度值越大则表明盆地内总体地下水位埋深越大,该值越小则表明盆地内总体地下水位埋深越小。地下水位以上土体厚度计算公式如下:
式中:hi为第i年不同地下水位埋深值;Ai为第i年不同hi对应的面积值;为第t年定边界区域内平均地下水位埋深。
取0~1m埋深值为0.5m、1~2m埋深值为1.5m、2~3 m埋深值为2.5m、3~5m埋深值为4m、5~10m埋深值为7.5 m、>10 m埋深值为15 m,经过计算 得
由此可知11年来,盆地内地 下水位一 直在下降,20002007年期间,平均每年下降0.096m;2007-2011年期间,平均每年下降0.303m,下降速度翻了3倍以上。
3耕地面积和灌溉方式变化特征
3.1耕地面积变化
为掌握研究区不同 时期土地 利用类型 的变化情 况,利用RS与MapGis空间特征 分析技术,对研究区2000、2007及2011年的遥感数据基于Mapgis平台进行人机交互式解译,将盆地内的土地利用类型分为水域、湿地、盐碱地、耕地、沙地、建设用地、未利用地和林草地等8大类,针对研究区域不同时期的土地利用类型变化情况进行分析,得出研究区内11年来耕地的演变过程。
通过图2(a)与图2(b)对比可知,近11年来,焉耆盆地绿洲区耕地面积明显增加,2000年耕地外围大面积未利用地到2011年时转变为 耕地。2007年耕地面 积比2000年增长了428.63km2,增长率达61.23km2/a;2007-2011年4a时间里增长了6.07%,增长率达85.46km2/a;11a的时间里 盆地内耕地面积增加了13.66%。
水域面积自2000-2011年一直处于减少阶段,第一阶段2000-2007年减少了3.31%,第二阶段减少了0.85%;未利用地面积一直处于高速缩减状态,第一阶段缩减2.48%,第二阶段缩减2.4%;林草地也是大规模减少,第一阶段减少了2.6%, 第二阶段减少了0.76%。通过对比我们可 以看出,在20002007年期间,耕地面积的增加主要由水域面积、未利用地和林草地面积的缩小演变而来;在2007-2011年这4年里,耕地面积增加了341.08km2,其中未利用地面积大量转换为耕地,4年即转换了135.04km2,剩余200km2由水域、湿地、沙地、林草地和盐碱地转变而来,这其中,高效节水技术的推广,在一定程度上节约了部分 水资源,利用这部 分水资源 加速了荒 地的开垦。
3.2灌溉方式变化
在2000年之前,焉耆盆地一直以常规灌溉为主,常规灌溉包括沟畦灌和冬灌的大水漫灌。自2000年以来焉耆盆地开始试点膜下滴灌高效节水技术,最开始只是在棉花、辣椒、葡萄等作物上试验,由于其节水能力大,增产效果明显,后来大面积推广到小麦、甜菜等作物。
由表3可知,在2000年研究区 内高效节 水面积仅1.61 km2,占实际灌溉面积的0.09%;经过7年的发展,到2007年达到128.7km2,占5.83%;2008年之后,伴随着政府对高效节水技术的大力支持,盆地内膜 下滴灌开 始大规模 迅速推广 开来,到2011年规模达到844.55km2,占当年实 际灌溉面 积的31.55%。
农业综合毛用水定额包括作物生长期内灌溉和冬灌两项, 在焉耆盆地,常规灌溉地和高效节水灌溉地冬灌均采用大水漫灌,定额在2 700m3/hm2左右,通过对常规灌溉与高效节水灌溉对比(见表4)可知,高效节水灌溉的灌溉水利用系数比常规灌溉大0.35以上,节水3 000m3/hm2以上,其中常规灌溉渠系水利用 系数比高 效节水灌 溉小0.3以上,渠系渗漏 损失2000、2007、2011年分别为3 519、3 028、2 718m3/hm2,而对应的高效节水渠系渗漏 损失仅为241、180、101 m3/hm2,由此可见常规灌溉渠系渗漏对地下水的补给是很大的,滴灌的渠系渗漏对地下水的补给微乎其微。
4地下水位下降与灌溉农业关系
区域单元内地下水位不断下降是由于排泄量大于补给量, 针对焉耆盆地灌溉农业区地下水位不断下降可划分为两个阶段(见图3),阶段一:2007年之前,即大规模开垦荒地实施常规灌溉阶段,在这一阶段,研究区内部分林草地转换为耕地,引水量不断增大,渠系渗漏增大致使补给量有所增加,局部地区地下水位在灌溉期有所升高,同时,盆地东北部和西部原本靠汲取地下水生长的自然植被和未利用地转为依赖灌溉收成的农作物,在增大潜水蒸散发的同时又增大了当地地下水开采量, 东北部和西部地下水位降低,总体上排泄量大于补给量,区内地下水位有所下降;阶段二:2007年之后,在盆地的中心区域, 高效节水技术实施推广,渠系渗漏补给量有所减少,地下水开采量有所加大,在盆地的 东北部和 西部开垦 荒地规模 继续加大,地下水开采量和潜水蒸散发量继续加大,排泄量和补给量均减小,从而致使地下水位迅速下降。
2007年之前,虽然地下水开采使得地下水位下降,但常规灌溉入渗补给地下水量较大,因此,随耕地面积增大,地下水位下降的幅度较小,耕地面积每增加100km2,研究区地下水位全区平均降幅0.15m。在2007-2011年4a时间里,区内部分常规灌溉转变为膜下滴灌,致使地下水开采量加大,另外新开垦荒地也增大了地下水开采量,高效节水灌溉面积每增加100 km2,焉耆盆地地下水位平均降幅0.25m,相对2007年之前地下水位降幅增大66.67%。
从农业开采井数和地下水开采量来佐证上述研究结果(见图4)。在2000年,研究区开采机井数仅683眼,至2007年,开采井数增加至1 243眼,2011年达到3 216眼,分别增加了2.6倍和4.7倍。年开采从2000年最初的1.25亿m3/a,增大为2007年2.57亿m3/a和2011年的6.92亿m3/a,分别增大2.1倍和5.5倍。11年来累计开采地下水35.97亿m3,超采地下水6.02亿m3(对应多年可持续开采量3.8亿m3/a),平均超采模数达到14.61万m3/km2。该超采量除以盆地内浅层含水层综合给出度0.085(盆地内浅层地下水含水层地下水给出度介于0.05~0.12),对应地下水位的降幅为1.72m,与近11年来研究区内实 际地下水 位降幅相 差0.16 m,误差8.5% 小于10%,认为累计降幅基本一致。
5结语
灌溉农业迅速发展的焉耆盆地,地下水位下降的幅度与区内耕地面积扩大和灌溉方式变化密切相关(见图5)。
2000年以来,常规灌溉耕地面积每增加100km2,地下水位平均降幅0.15 m,膜下滴灌 高效节水 耕地面积 每增加100 km2,地下水位平均降幅0.25m。2000年研究区平均地下水位埋深4.98m,到2007和2011年分别下降到5.65和6.86m, 截止2013年12月全区平均地下水位已下降至7.93m,远低于盆地内地下水生态安全水位[10]3.5~5.0m, 由此带来一系列环境问题。天然植被衰败,活植株盖度降低,随处可见枯死的灌木丛,具有极强抗旱能力的胡杨、怪柳仅断断续续生长在河床两边数百米范围内。博斯腾大湖水位由2002年达到的 史上最高 水平1 049.39 m降到2013年12月的1 045.06m,接近最低控制水位1 045m,大湖面积由1 230.2km2萎缩至912.31km2;在湖水位下降、湖面积不断萎缩的过程中,博斯腾湖区域生态环境持续退化,小湖区,原来草盛木青的湿地草甸现已是植被稀疏,主产业芦苇面积缩小、长势衰退;大湖区,有机质污染日益严重,湖水矿化度增加,水质不断恶化,鱼类种数和产量减少,直接影响到区域经济可持续发展。
因此,适度开垦荒地,优化灌溉农业布局结构,理性推广膜下滴灌高效节水技术,对于缓解焉耆盆地地下水位逐年下降十分必要。□
摘要：2000年,焉耆盆地内平均地下水位埋深4.98m,耕地面积1 656.26km2,高效节水灌溉面积1.61km2;盆地内灌溉农业经过11年由常规灌溉向高效节水灌溉的转型发展,到2011年,平均地下水位埋深下降至6.86m,耕地面积增加至2 426.73km2,高效节水灌溉面积增加至844.55km2。针对这一问题,基于大量实测资料和RS及MapGis技术与相关分析方法,通过近10年来区内耕地面积和灌溉方式变化特征对地下水位下降响应机制研究。结果表明:2000年以来常规灌溉耕地面积每增加100km2或高效节水灌溉面积每增加100km2,研究区地下水位下降幅度为0.15和0.25m。