走航式ADCP測流在重慶獅子灘水庫泄流曲線復(fù)核中的應(yīng)用

蔡界清，陳川建

（1.國家電投集團(tuán)重慶獅子灘發(fā)電有限公司，重慶 401220；2.長江水利委員會(huì)水文局長江上游水文水資源勘測局，重慶 400020）

水庫泄流曲線是水庫防洪調(diào)度的基礎(chǔ)資料之一，也是水庫進(jìn)行水量平衡計(jì)算不可缺少的參數(shù)。該曲線的泄流流量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系著水庫出入庫水量數(shù)據(jù)的真實(shí)性，也關(guān)系到水庫大壩與下游地區(qū)防洪安全。目前常用的泄流曲線復(fù)核方法主要有理論計(jì)算、水工模型試驗(yàn)和原型觀測3種［1］。在水庫設(shè)計(jì)階段主要通過理論計(jì)算的方式，根據(jù)不同的大壩形狀、閘門形式、閘門側(cè)向和縱向比的關(guān)系，按照《水力計(jì)算手冊》規(guī)范選取對應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到。對于一些重大戰(zhàn)略性水庫，也可能在大壩設(shè)計(jì)方案確定后就通過水工模型試驗(yàn)得到大壩比例模型。大壩溢流設(shè)施若經(jīng)歷過改建、加固等處理，溢流閘門、大壩溢流壩面有所改變，往往也需要通過水工模型試驗(yàn)進(jìn)行復(fù)核。對于已建水庫，且下游控制條件較好的河段，可以利用原型觀測的水文方法來進(jìn)行復(fù)核。本文以獅子灘水庫為例，采用走航式ADCP水文觀測的方法對泄流曲線進(jìn)行了復(fù)核，該方法成本低且精度控制較好，取得了較好的效果。

1 概況

獅子灘水庫位于重慶市長壽區(qū)，具有多年調(diào)節(jié)功能，按100 a一遇設(shè)計(jì)，2 000 a一遇校核。水庫以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉、養(yǎng)殖、航運(yùn)、旅游、城市用水等綜合利用效益。自1956年水庫形成以來，獅子灘水庫的溢流設(shè)施設(shè)備未進(jìn)行任何改造，也未對泄流曲線進(jìn)行泄洪流量復(fù)核工作［2］。為確保水庫大壩安全及水庫調(diào)度的精細(xì)化管理，按照相關(guān)規(guī)定［3］，于2016年對獅子灘水庫泄流曲線復(fù)核工作進(jìn)行立項(xiàng)，要求結(jié)合水庫實(shí)際泄洪過程進(jìn)行流量測驗(yàn)與分析驗(yàn)證，為期3 a。

1.1 測流斷面選取

測流前對下游河道進(jìn)行查勘，在獅子灘泄洪道下游河道設(shè)立3個(gè)測流斷面（主選測流斷面、備選測流斷面和主測流斷面），設(shè)立臨時(shí)水尺，并對5條支流（龍溪河溝、灘口河、無名河、魏家河和四龍杯河）的入河口進(jìn)行查勘，見圖1。

1.2 ADCP測流

1981年，美國工程師、發(fā)明家F.Rowe和K.Deines根據(jù)多普勒效應(yīng)發(fā)明了聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）。其工作原理為：ADCP向水中發(fā)射固定頻率的超聲波短脈沖，這些聲脈沖在碰到水中的散射體（浮游生物，泥沙粒子等）會(huì)發(fā)生散射；反射回的聲波被ADCP接收，當(dāng)散射體有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，其反射的聲波有一定的頻率偏移；從離開探查儀的粒子反射回的聲波在返回時(shí)頻率稍微降低，朝儀器移動(dòng)的粒子返回的聲波比發(fā)生聲波更高，根據(jù)多普勒頻率變化，經(jīng)過一系列處理可以得到水流速度；而水流速度在整個(gè)河道斷面上的積分就得到斷面流量。與傳統(tǒng)流速儀法相比，ADCP測流優(yōu)點(diǎn)突出，表現(xiàn)在：①測量速度快，可以進(jìn)行斷面準(zhǔn)同步測量。②可以體現(xiàn)三維流速流向情況。③能自動(dòng)消除各種外界因素的影響，還具有對數(shù)據(jù)資料進(jìn)行評判的能力。對測量數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行鑒別，避免不合理數(shù)據(jù)參與數(shù)據(jù)處理，而影響測量數(shù)據(jù)精度。④ADCP利用聲波作為傳感器，不但操作方便快速，而且測量時(shí)不干擾水流，可以直接測量流速斷面，能適合各種環(huán)境。

走航式ADCP測流是目前國內(nèi)水文基本測驗(yàn)、水利水電工程測量及其他河道流量測驗(yàn)中普遍采用的方法，具有儀器先進(jìn)、操作方便、作業(yè)快捷、成果可靠、精度較高等優(yōu)勢，該測流方法及其成果均得到廣泛認(rèn)可，成果精度滿足現(xiàn)行水文規(guī)范要求［4］。為保證測驗(yàn)精度，按2次往返（單程4次）進(jìn)行流量測驗(yàn)，各單程測驗(yàn)誤差控制在3%～5%，取4個(gè)單程測驗(yàn)平均值作為本次流量值；若1次往返（單程2次）誤差控制在2%以內(nèi)，可以采用1次往返成果。測驗(yàn)中盡量保證儀器沿?cái)嗝婢€行進(jìn)，并控制船速（船速低于水流速度）；船靠近岸邊行駛時(shí)，盡量避免駛?cè)肟瞻讌^(qū)域和盲區(qū)。每次流量測驗(yàn)后，對成果進(jìn)行現(xiàn)場計(jì)算、分析、精度檢驗(yàn)，判斷其正確性。若發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)查找原因或復(fù)測［5］。

圖1 測流斷面布置

2 測流工作

2.1 測流時(shí)間點(diǎn)選取

2017年10月上中旬，受獅子灘壩址上游流域降雨影響，水庫水位上漲。為確保水庫安全，經(jīng)地方防汛部門批準(zhǔn)，水庫開閘泄洪。第一次泄洪發(fā)生在 10月 5日 12∶35至 10月 6日19：00，總歷時(shí)30 h 25 min，總棄水量14 192萬m3，最大下泄流量1 385 m3/s，泄洪期間最高水位346.89 m。第二次泄洪發(fā)生在10月12日15∶02至10月13日01∶12，總歷時(shí)10 h 10 min，總棄水量4 322.4萬m3，最大泄洪流量1 280 m3/s，泄洪期間最高水位346.71 m，關(guān)閘水位346.24 m；13日01∶00獅子灘水庫入庫流量為555 m3/s。

在實(shí)際泄流時(shí)，距離溢洪道較近的主選測流斷面水流流速過大，備選測流斷面距離上硐滾水壩過近，因此，出于安全考慮，最終選定在沙嘴渡口斷面進(jìn)行測流。

從獅子灘水庫溢流閘門到實(shí)際測流斷面距離為8.5 km，中間還流經(jīng)上硐電站大壩（當(dāng)達(dá)到河道水流平衡后對下游測流影響很?。鲝莫{子灘水庫溢出進(jìn)入河道，一段時(shí)間后才能達(dá)到測流斷面并趨于穩(wěn)定狀態(tài)?？紤]獅子灘大壩到下游測流斷面的距離，洪水平均傳播時(shí)間約0.5 h；在斷面設(shè)立臨時(shí)水尺，待水尺水位變化平穩(wěn)后再測量斷面流量；同時(shí)，獅子灘壩上和上硐電站壩上的水位數(shù)據(jù)過程達(dá)到平穩(wěn)時(shí)，進(jìn)行測流工作。水位過程與測量時(shí)間點(diǎn)過程見圖2～3。

2.2 測流結(jié)果

在2017年10月5日和10月12日2次泄洪期間，為確保計(jì)算流量的準(zhǔn)確性，除下游控制斷面流量外，還對獅子灘壩下到測流斷面之間的幾條支溝進(jìn)行了測量，支溝流量最大在6 m3/s以下，最小約為1 m3/s。主要控制斷面（沙嘴碼頭斷面）流量測量測驗(yàn)成果及支溝流量測驗(yàn)成果見表1。

除10月6日1號閘門泄流的時(shí)間點(diǎn)，因單孔閘門開啟時(shí)間太短，可能對測量的精度有一定的影響外，其他測點(diǎn)都是在水位平穩(wěn)時(shí)間段內(nèi)施測，測得的實(shí)際流量數(shù)據(jù)具有一定代表性。

圖2 2017年10月第一次測流水位過程

圖3 2017年10月第二次測流水位過程

表1 主斷面測流成果

獅子灘水庫水位于2017年10月5日13：50全開兩孔泄洪，16：00水庫水位出現(xiàn)最高值，隨著入庫流量的減小，水庫水位逐漸下降，閘前水頭隨之減小，泄洪流量也逐漸減小。從第一次泄洪過程中主斷面實(shí)測流量看，測驗(yàn)樣本流量遞減，與獅子灘水庫泄洪過程特性一致，測流成果合理。

3 結(jié)果分析

3.1 計(jì)算公式

參考獅子灘水庫設(shè)計(jì)資料［6］，流量系數(shù)計(jì)算公式為

式中，Q為泄流流量，m3/s；ε為側(cè)收縮系數(shù)；M為流量系數(shù)；n為泄流時(shí)的表孔孔數(shù)；b為單表孔凈寬，m；H為堰上水頭，m。其中，M即為需要驗(yàn)證的流量系數(shù)。按照設(shè)計(jì)泄流曲線中雙孔全開、單孔全開的情況，分別計(jì)算M值，見表2。

表2 設(shè)計(jì)流量系數(shù)計(jì)算

基于2017年10月5日和12日泄洪期間實(shí)際測流數(shù)據(jù)，由公式（1）計(jì)算得到實(shí)際泄流系數(shù)，見表3。

在實(shí)際測流的時(shí)間范圍內(nèi)，壩上水位變化不大，平均水位為346.64 m，計(jì)算得到的全部流量系數(shù)平均值為2.106 5。其中，雙孔開啟時(shí)，平均水位346.69 m，流量系數(shù)為2.069 0；單孔開啟時(shí)，平均水位346.39 m，流量系數(shù)為2.274 9。雙孔全開時(shí)的流量系數(shù)相對誤差為2%，單孔全開時(shí)的流量系數(shù)相對誤差為6.29%。鑒于以上分析，水位在346.64 m左右時(shí)，流量系數(shù)計(jì)算值和實(shí)測值數(shù)據(jù)差別不大，2孔泄洪時(shí)誤差最小，1孔較2孔誤差稍微偏大。由圖2可知，主要原因是受當(dāng)時(shí)的泄流條件限制，1孔開啟的時(shí)間太短，退水時(shí)河道流量消退慢，未在測流時(shí)段內(nèi)達(dá)到平穩(wěn)，但誤差仍在有效范圍內(nèi)［7］；因此仍可采用原設(shè)計(jì)流量系數(shù)計(jì)算閘門泄流量。

表3 實(shí)測流量系數(shù)計(jì)算

3.2 設(shè)計(jì)泄流曲線數(shù)據(jù)分析

利用電站提供的壩上水位查算設(shè)計(jì)泄流曲線，得到泄流流量與下游主測流斷面測流樣本數(shù)據(jù)，建立了設(shè)計(jì)泄流數(shù)據(jù)與實(shí)測流量對比分析表（見表4）。同樣地，當(dāng)單孔開啟時(shí)（第7，8次）誤差為正值，當(dāng)雙孔開啟時(shí)誤差為負(fù)值，誤差絕對值最大為55.1 m3/s，絕對最小值為 1.5 m3/s；相對誤差最大為4.46%，最小值為0.10%。主要結(jié)論如下。

（1）在整個(gè)泄洪期間，統(tǒng)計(jì)兩次測流全部樣本絕對誤差為-19.2 m3/s，平均相對誤差為2.70%。

（2）雙孔（1，5號）全開時(shí)，平均絕對誤差為-29.4m3/s，平均相對誤差為2.20%。2，4號孔全開時(shí)，平均絕對誤差為-33.7m3/s，平均相對誤差為2.54%。雙孔開啟情況下，流量平均絕對誤差-30.8 m3/s，平均相對誤差為2.31%。

（3）第7，8次單孔閘門開啟時(shí)，流量平均絕對誤差33.5 m3/s，平均相對誤差4.44%。

表4 設(shè)計(jì)曲線與實(shí)測流量對比分析

3.3 泄流曲線誤差對調(diào)洪計(jì)算的影響分析

影響水庫調(diào)洪計(jì)算的影響因素較多，入庫流量過程、壩前水位、庫容曲線、泄流曲線等誤差，均會(huì)改變調(diào)洪計(jì)算的結(jié)果。例如：在水庫入庫流量預(yù)報(bào)時(shí)，洪水預(yù)報(bào)精度和正確率不可能達(dá)到100%，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定洪峰流量的允許誤差為±20%，獅子灘水庫大中洪水實(shí)際預(yù)報(bào)平均精度可達(dá)90%，多年運(yùn)行實(shí)踐證明已完全滿足水庫調(diào)度需要。壩前水位1 h內(nèi)觀測誤差以±0.01m考慮，當(dāng)水庫水位在346.00～347.00m時(shí)，其庫容（水量）誤差達(dá)±64萬m3，則1 h內(nèi)平均流量影響誤差就達(dá)±178 m3/s，比泄流曲線的誤差大。

本次對兩孔閘門運(yùn)行時(shí)開展了實(shí)測分析，其實(shí)際運(yùn)用的泄流曲線平均最大誤差-65.4 m3/s，1 h平均水量誤差為-23.5萬m3，當(dāng)水庫水位在346.00～347.00 m時(shí)，其水量誤差影響水庫水位為-0.004 m，影響甚微；10 h平均水量累計(jì)誤差-235萬m3，影響水庫水位-0.04 m，影響較小。泄流曲線的誤差遠(yuǎn)比預(yù)報(bào)影響誤差及水位觀測影響誤差小，結(jié)合運(yùn)行單位長期的實(shí)際應(yīng)用證明，泄流曲線誤差對水庫調(diào)洪計(jì)算的影響較小。在實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中，運(yùn)行單位的洪水預(yù)報(bào)可以達(dá)到每小時(shí)整點(diǎn)定時(shí)預(yù)報(bào)一次未來24～72 h流量過程，泄洪過程中也滾動(dòng)開展調(diào)洪計(jì)算進(jìn)行水位修正預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)誤差隨時(shí)可得到消除，實(shí)現(xiàn)完全可控。

但在進(jìn)行洪水調(diào)度復(fù)核時(shí)，在各頻率設(shè)計(jì)洪水過程、庫容曲線、調(diào)洪原則等不變的情況下，由于未考慮滾動(dòng)預(yù)報(bào)修正，調(diào)洪計(jì)算時(shí)的水位誤差未及時(shí)得到消除，不同泄流曲線的累計(jì)誤差將最終影響調(diào)洪演算結(jié)果。因此，在洪水調(diào)度復(fù)核時(shí)應(yīng)該采用誤差相對較小的原設(shè)計(jì)泄流曲線。

3.4 分析結(jié)果

在兩次泄洪測流過程中，既考慮了區(qū)間支溝流量和發(fā)電流量，又考慮了河道的傳播時(shí)間，在主斷面測流得到的流量數(shù)據(jù)具有較高的可信度。在兩次測量的時(shí)間段內(nèi)，水庫水位變化不大，第一次水位在346.50～346.55 m；第二次水位在346.65 m左右。受水庫運(yùn)行調(diào)度條件限制，雖然測量樣本點(diǎn)偏少，但通過分析比較，庫水位約346.50 m時(shí)，單孔泄洪流量誤差極小，雙孔泄洪流量誤差略偏大。其中，利用原設(shè)計(jì)泄流曲線查算的泄流數(shù)據(jù)的分析中，平均相對誤差約2.70%，最大相對誤差為4.46%，絕對誤差與相對誤差均在水文測驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，原設(shè)計(jì)的泄流曲線精度較高。通過對泄流系數(shù)的比較分析，水位約346.64 m時(shí)，實(shí)測流量系數(shù)和設(shè)計(jì)流量系數(shù)兩者差別不大，誤差為3.1%。

利用設(shè)計(jì)泄流曲線推算電站泄流流量時(shí)，結(jié)合區(qū)間幾條小支溝的計(jì)算流量與主測流斷面實(shí)際采用ADCP進(jìn)行測量的流量都存在微小偏差，庫水位在346.89～346.39 m之間時(shí)（實(shí)測時(shí)間段內(nèi)的庫水位變化范圍），對于設(shè)計(jì)泄流曲線，在測驗(yàn)水位下的雙孔總泄流量平均相對誤差小于3%，最大相對誤差4.03%～3.89%。

經(jīng)過對單孔和雙孔（1號和5號組合、2號和4號組合）泄流過程施測，通過分析比較，獅子灘水庫原設(shè)計(jì)泄流曲線查算值與實(shí)際測驗(yàn)流量之間誤差較小，原設(shè)計(jì)泄流曲線具有較高精度，依據(jù)規(guī)范［6］規(guī)定，并綜合考慮洪水預(yù)報(bào)、壩前水位、庫容曲線等誤差的影響及其長期運(yùn)用較好的實(shí)際情況，對獅子灘水庫原設(shè)計(jì)泄流曲線的流量系數(shù)不再修定，可以在實(shí)際調(diào)度中繼續(xù)運(yùn)用，其成果已通過國家電投集團(tuán)重慶電力有限公司組織的專家審查與驗(yàn)收。

4 結(jié)語

運(yùn)用走航式ADCP測流方法率定與驗(yàn)證水庫泄流曲線，在重慶市水電行業(yè)尚屬首次。人力物力投入少、效果明顯，具有較好的推廣價(jià)值。

受獅子灘水庫的防洪對象和水庫調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃的限制，常遇洪水開閘泄洪時(shí)閘前水頭變幅小于1 m。流量測驗(yàn)工作必須在獅子灘水庫泄洪期開展，一方面要確保防洪安全，另一方面不能因?yàn)樵擁?xiàng)目的實(shí)施加大泄洪流量，延長泄洪時(shí)間，降低水庫水位，多棄水，浪費(fèi)水資源。由于獅子灘水庫為多年調(diào)節(jié)水庫，泄洪機(jī)會(huì)少，大洪水高水位運(yùn)行工況（開啟3孔以上閘門）幾率小，受運(yùn)行條件和客觀因素的制約，不允許水庫泄流太大或降低水位泄洪，導(dǎo)致本次流量驗(yàn)證時(shí)壩前水位變幅小，樣本少（無其他高水和低水位下樣本），分析工作的深度存在局限性。