白石水庫(kù)尾水渠水位-流量關(guān)系曲線率定與分析

高 峰

（遼寧江海水利工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003）

根據(jù)實(shí)測(cè)水位在水位-流量關(guān)系曲線上得出相應(yīng)流量是水庫(kù)計(jì)算下泄流量重要的手段之一。尤其是在汛期，往往時(shí)間緊，流量大，通過(guò)常規(guī)方法測(cè)流具有非常大的難度和危險(xiǎn)性，所以水位-流量關(guān)系曲線對(duì)于水庫(kù)來(lái)說(shuō)是非常實(shí)用和重要的工具，為保證水位-流量關(guān)系曲線的準(zhǔn)確性，對(duì)水位-流量關(guān)系曲線的率定是十分緊迫和必要的。以白石水庫(kù)尾水渠水位-流量關(guān)系曲線率定為研究背景，在下泄渠道內(nèi)低、中、高水位下采用不同的流量測(cè)驗(yàn)方法進(jìn)行流量率定，通過(guò)分析與研究，最終得到適合白石水庫(kù)尾水渠的水位-流量關(guān)系曲線，從而為今后的相關(guān)工作提供可靠的技術(shù)支持和寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)概況

白石水庫(kù)位于遼寧省北票市上園鎮(zhèn)大凌河干流上，是大凌河干流上唯一的大 I 型控制性骨干工程。大壩及樞紐主要建筑物為 1 級(jí)建筑物，洪水重現(xiàn)期按 500 年一遇洪水設(shè)計(jì)，5 000 年一遇洪水校洪。白石水庫(kù)于 1996 年 9 月開(kāi)工，1999 年 9 月下閘蓄水，2000 年底完工。

白石水庫(kù)總庫(kù)容為 16.45 億 m3，興利庫(kù)容為8.70 億 m3。大壩為碾壓混凝土重力壩（RCD），壩頂高程為 134.3 m，最大壩高為 49.3 m，壩頂長(zhǎng)為513 m，壩體分為 32 個(gè)壩段，編號(hào)為 0～31# 壩段。設(shè)置 11 個(gè)溢流表孔，12 個(gè)泄洪排沙底孔，二級(jí)城市取水管，3 條引水發(fā)電壓力鋼管，壩后地面式電站廠房[1]。

經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)量，白石水庫(kù)尾水渠實(shí)測(cè)斷面成果表如表 1 所示，白石水庫(kù)尾水渠斷面圖如圖 1 所示。

表 1 白石水庫(kù)尾水渠實(shí)測(cè)斷面成果表 m

圖 1 白石水庫(kù)尾水渠斷面圖

2 計(jì)算公式選取與理論計(jì)算

根據(jù)白石水庫(kù)尾水渠橫斷面測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算斷面理論流量，繪制水位-流量關(guān)系理論曲線[2]，流量計(jì)算公式如下：

式中：Q為渠道設(shè)計(jì)流量；v為渠道平均流速；A為渠道過(guò)水?dāng)嗝娣e；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；I為渠底比降，通過(guò)實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算，I= 0.001 5；n為渠道糙率系數(shù)，根據(jù)渠道糙率n值的取值范圍，并結(jié)合渠道的實(shí)際護(hù)坡情況，取n= 0.016；b為底寬；m為邊坡系數(shù)，通過(guò)實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算，m= 1.7；h為水深；X為濕周。

白石水庫(kù)尾水渠在不同水位情況下的理論流量計(jì)算成果如表 2 所示，根據(jù)計(jì)算成果繪制水位-流量關(guān)系曲線如圖 2 所示。

圖 2 白石水庫(kù)尾水渠水位-流量關(guān)系曲線圖

3 測(cè)流方法的選擇

目前水文行業(yè)進(jìn)行河道流量測(cè)驗(yàn)通常采用的方法有流速儀法，浮標(biāo)法、聲學(xué)時(shí)差法、聲學(xué)多普勒法，以及雷達(dá)、圖像等非接觸式測(cè)流多種方法，雖然聲學(xué)時(shí)差法、聲學(xué)多普勒法等具有實(shí)時(shí)性好，測(cè)流精度較高的優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)流裝備資金投入大，本研究中暫未安裝相關(guān)設(shè)備，所以為了證實(shí)圖 2 水位-流量關(guān)系曲線的合理性，利用實(shí)測(cè)值對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，所選取的測(cè)流方法為浮標(biāo)法、流速儀法。

表 2 白石水庫(kù)尾水渠計(jì)算成果表

驗(yàn)證實(shí)測(cè)值通常選用 1 種方式獲取，但本工程測(cè)流存在一定的特殊性。根據(jù)白石水庫(kù)電廠尾水渠道測(cè)流斷面情況，電站尾水渠出口距離斷面較近，選用單一方法難以滿足所有的測(cè)量要求，因此在低、中、高水位分別選用不同的方式進(jìn)行流量測(cè)量。

浮標(biāo)法是用于水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)最成熟的方法之一，不過(guò)就歷史數(shù)據(jù)分析，在低、中水位下測(cè)得的數(shù)據(jù)精度方面相對(duì)于流速儀法還是稍顯遜色。由于測(cè)量中發(fā)現(xiàn)低水位下水深小于流速儀儀器高，所以低水位下只能選擇浮標(biāo)法進(jìn)行測(cè)流；中水位則選用流速儀法進(jìn)行測(cè)流；由于測(cè)量中發(fā)現(xiàn)在高水位時(shí)水量大、流速快、渠底濕滑，為了保證測(cè)量人員的人身安全，放棄流速儀測(cè)流法，高水位采用浮標(biāo)法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。

3.1 浮標(biāo)法測(cè)流

浮標(biāo)測(cè)流法，以流速儀測(cè)流斷面為起點(diǎn)與流速儀斷面呈垂直向上游量取 50 m 做浮標(biāo)上斷面，且保證 50 m 的河道順直、無(wú)彎曲。在浮標(biāo)上斷面的上游（約 50 m）工作橋上投放浮標(biāo)，經(jīng)測(cè)得渠道上頂寬為 25 m，下底寬為 10 m，根據(jù)浮標(biāo)測(cè)流經(jīng)驗(yàn)，把河道平均分成 11 份，每輪依次投放 10 個(gè)浮標(biāo)，為最大程度降低浮標(biāo)受風(fēng)、浪及漂浮物阻塞等因素影響，投放每個(gè)浮標(biāo)時(shí)都盡量選擇無(wú)風(fēng)或微風(fēng)的時(shí)候，并時(shí)刻觀察水面的情況，以保證每個(gè)浮標(biāo)的有效性和準(zhǔn)確性。浮標(biāo)測(cè)流示意圖如圖 3 所示。

圖 3 浮標(biāo)測(cè)流示意圖

投放測(cè)流前，時(shí)刻保持工作橋投放、浮標(biāo)上斷面計(jì)時(shí)及測(cè)流斷面信號(hào)終止等人員（以下簡(jiǎn)稱三人員）的通信暢通和同步。投放前三人員統(tǒng)一信號(hào)，并由浮標(biāo)上斷面計(jì)時(shí)人員發(fā)出投放信號(hào)，投放后三人員時(shí)刻觀察并互相描述浮標(biāo)在水中的位置及狀態(tài)直至結(jié)束；當(dāng)浮標(biāo)到達(dá)浮標(biāo)上斷面時(shí)，計(jì)時(shí)人員開(kāi)始計(jì)時(shí)，浮標(biāo)到達(dá)下斷面（流速儀測(cè)流斷面）時(shí)，信號(hào)終止人員通過(guò)同步信號(hào)，通知計(jì)時(shí)人員終止信號(hào)計(jì)時(shí)結(jié)束，計(jì)時(shí)人員記錄該點(diǎn)通過(guò)浮標(biāo)上斷面和測(cè)流斷面之間的所用時(shí)間，記錄后開(kāi)始投放下個(gè)浮標(biāo)，待 10 個(gè)浮標(biāo)全部記錄完畢后，統(tǒng)一計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)浮標(biāo)流速[3]，再經(jīng)過(guò)浮標(biāo)流量計(jì)算，從而得出該水位下斷面流量。由于白石水庫(kù)尾水渠道測(cè)量斷面形狀穩(wěn)定，所以計(jì)算時(shí)浮標(biāo)系數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（0.85～0.89），測(cè)得水位-流量關(guān)系曲線與理論曲線合繪精度滿足要求。浮標(biāo)測(cè)流法測(cè)量數(shù)據(jù)如表 3 所示，因要率定圖 2 中水位-流量關(guān)系曲線，表中理論流量通過(guò)該曲線查得，不再進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算。

表 3 各方法實(shí)測(cè)流量及誤差成果表

3.2 流速儀法測(cè)流

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，是江河流量測(cè)驗(yàn)應(yīng)用最為普遍，被認(rèn)為精度較高、測(cè)量成果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測(cè)其他測(cè)流方法的標(biāo)準(zhǔn)。在使用該方法前，需要提前準(zhǔn)備一系列工作，如測(cè)深、測(cè)速、河道斷面測(cè)量、設(shè)備檢查、觀測(cè)水位、觀測(cè)比降等。

根據(jù)本研究中的實(shí)際情況，分別在水尺讀數(shù)為0.32，0.52，0.57 m 時(shí)測(cè)流。由于水深相對(duì)較淺，測(cè)流時(shí)選用 6 條測(cè)速垂線，每條測(cè)速垂線上采用一點(diǎn)法（系數(shù)為 0.5）進(jìn)行信號(hào)采集，為消除流速脈動(dòng)產(chǎn)生的誤差，保證涉水人員安全的同時(shí)盡量增加測(cè)速歷時(shí)。信號(hào)采集后得出相應(yīng)流速再經(jīng)過(guò)流量計(jì)算，得出部分流量，累加得出整個(gè)斷面流量。流速儀測(cè)流法測(cè)速垂線分布示意圖如圖 4 所示，流速儀測(cè)流法測(cè)量數(shù)據(jù)如表 3 所示。

圖 4 流速儀測(cè)流法測(cè)速垂線分布示意圖

根據(jù)不同水位采用不同方法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn) 11 次，把所有實(shí)測(cè)水位、流量繪制在理論關(guān)系曲線圖上，得到白石水庫(kù)尾水渠水位-流量關(guān)系曲線理論、實(shí)測(cè)對(duì)比圖如圖 5 所示。

圖 5 白石水庫(kù)尾水渠水位-流量關(guān)系曲線理論、實(shí)測(cè)對(duì)比圖

4 結(jié)論

通過(guò)各水位下測(cè)流分析得到的結(jié)果如下：

1）經(jīng)過(guò)分析比較，浮標(biāo)法和流速儀法均適用于本研究中其對(duì)應(yīng)水位，其測(cè)得的數(shù)據(jù)成果精度可靠，低、中、高水位時(shí)，點(diǎn)據(jù)均在允許誤差范圍之內(nèi)[4]，能夠消除實(shí)測(cè)流量過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，并且能與理論曲線相符合。

2）經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)率定和驗(yàn)證，所繪制的白石水庫(kù)尾水渠水位-流量理論關(guān)系曲線采用的參數(shù)和理論公式準(zhǔn)確、合理[5]，可在白石水庫(kù)今后的實(shí)際工作中應(yīng)用。

3）為提高自動(dòng)化程度，將在測(cè)流斷面安裝高精度自動(dòng)水位監(jiān)測(cè)設(shè)備，以實(shí)時(shí)獲得下泄流量。

綜上所述，由于受白石水庫(kù)尾水渠泄流特點(diǎn)、測(cè)流儀器客觀條件、人員安全等因素影響，經(jīng)過(guò)不同測(cè)流方法的特點(diǎn)分析比較、多次測(cè)量及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論曲線的對(duì)比分析，最終采用流速儀法和浮標(biāo)法進(jìn)行白石水庫(kù)尾水渠流量測(cè)驗(yàn)及水位-流量關(guān)系曲線率定：在低水位和高水位時(shí)，采用浮標(biāo)法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)；在中水位時(shí)，采用流速儀法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，同時(shí)由于儀器的適應(yīng)性相同，因此在類似窄、淺河道中可以參考在低水位和高水位下采用浮標(biāo)法，在中水位下采用流速儀法的測(cè)流方式。另外，選定的實(shí)測(cè)方法測(cè)得的流量值與理論曲線吻合度高[6]，證實(shí)該曲線合理，擁有可靠性和實(shí)用性，最終可作為白石水庫(kù)尾水渠水位-流量關(guān)系曲線應(yīng)用，為今后的相關(guān)工作提供了寶貴的技術(shù)支持，同時(shí)為同類型水庫(kù)的尾水渠計(jì)算下泄流量提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。