利用水工建筑物開展羅江水文站流量在線監(jiān)測(cè)的研究

陳 靜

(四川省達(dá)州水文水資源勘測(cè)中心，四川 達(dá)州，635001)

通過(guò)多年的水利工程開發(fā)，在大中小河流上建設(shè)的水電站、閘壩、引(調(diào))水等各種水利水電工程，改變了河流的天然流態(tài)和水文特性，對(duì)水文站的測(cè)報(bào)工作影響明顯。在實(shí)現(xiàn)水文現(xiàn)代化的新形勢(shì)背景下，如何充分利用水工建筑物特性，采用自動(dòng)水位、閘位設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，結(jié)合水工模型或水力學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測(cè)，是本文重點(diǎn)探討的問(wèn)題。

1 流域及站點(diǎn)概況

1.1 流域簡(jiǎn)況

州河是渠江左岸的最大支流，上源分前、中、后河三支，均發(fā)源于大巴山南麓，主流前河發(fā)源于城口縣燕麥鄉(xiāng)光頭山，海拔2685.7m。自北東向西南流，至宣漢縣城附近與后河匯合后始稱州河。繼續(xù)西南流，經(jīng)宣漢縣、通川區(qū)至渠縣三匯鎮(zhèn)匯入渠江。流域形狀呈樹枝狀發(fā)育，州河較大支流有明月江、銅缽河、東柳河等，全長(zhǎng)310km，河道平均坡降1.41‰，流域面積11165km2。

流域地勢(shì)由北向南傾斜，地形復(fù)雜，源頭區(qū)域?yàn)橹厣蒋B嶂的高山區(qū)，分水嶺海拔高程多在1500m～2200m之間；中、下游為低山深丘區(qū)，海拔高程多在500m～1200m；干流區(qū)域?yàn)榍鹆陞^(qū)，海拔高程自上游向下游逐漸遞減，至渠縣三匯鎮(zhèn)降至240m。州河上游屬山溪性河流，河槽呈“V”形，兩岸山勢(shì)陡峻，河道蜿蜒曲折；中下游多為沙灘、沙洲、卵礫石漫灘相間分布，水流湍急，河道寬闊，河槽呈“U”形，兩岸山嶺相對(duì)較低，河道坡降逐漸變緩，有較開闊的河谷平壩出現(xiàn)，農(nóng)耕發(fā)達(dá)，人煙稠密，經(jīng)濟(jì)繁榮，交通方便。

1.2 站點(diǎn)概況

羅江水文站為州河干流國(guó)家重要水文站、報(bào)汛站，流量一類精度站，泥沙二類精度站，建于2010年1月，系原東林水文站下遷27km后新設(shè)站，位于通川區(qū)北外鎮(zhèn)徐家壩村，東經(jīng)107°32′，北緯31°18′，控制流域集水面積6830km2，距河口距離69km。該站有降水、蒸發(fā)、土壤墑情、水位、流量、泥沙等監(jiān)測(cè)要素。

1.3 流量測(cè)驗(yàn)情況

該站流量測(cè)驗(yàn)低水受下游河灘控制，中、高水為河槽控制。汛期流量測(cè)驗(yàn)實(shí)行“1+1”的工作模式，中低水采用纜道流速儀施測(cè)或纜道搭載走航式ADCP施測(cè)，高水采用纜道流速儀或纜道電波流速儀。測(cè)流時(shí)機(jī)按水位過(guò)程布點(diǎn)，平枯水按水位變化以能控制流量變化過(guò)程、滿足定線推流為準(zhǔn)。洪水期按洪水過(guò)程布設(shè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布在起漲、漲坡、洪峰及退坡上，以能滿足繩套線定線推流為準(zhǔn)。

實(shí)測(cè)資料顯示：最高水位290.92m，最低水位272.30m，最大水位變幅18.62m；最大流量9700m3/s、最小流量1.90m3/s，最大含沙量6.03kg/m3，平均輸沙量119萬(wàn)噸；最高水位時(shí)的水面寬213m、最大流速5.15m/s、最大水深18.1m，最大漲落率9.3m/h，最枯水位時(shí)的水面寬70.7m、斷面平均流速0.026m/s，平均水深1.11m。

1.4 流量測(cè)驗(yàn)存在的問(wèn)題

(1)各級(jí)流量測(cè)驗(yàn)均受上游羅江口水電站蓄水、泄洪影響，為控制流量過(guò)程，全年施測(cè)流量測(cè)次較多，統(tǒng)計(jì)來(lái)看，近5年平均測(cè)流都在90份以上。

(2)低枯水流量測(cè)驗(yàn)困難。由于受羅江口電站峰谷發(fā)電蓄水影響，在電站蓄水期，河道內(nèi)來(lái)水量小，部分垂線流速儀入水困難或入水后流速達(dá)不到流速儀啟動(dòng)流速，測(cè)驗(yàn)精度受到影響。

(3)中高水流量關(guān)系紊亂，多為繩套線型，點(diǎn)群帶寬，流量單值化處理困難。以同級(jí)水位277.70m為例，實(shí)測(cè)最大流量2090m3/s，最小流量1420m3/s，同水位級(jí)流量相差670m3/s，相差流量超過(guò)了最小流量的47.2%。分析來(lái)看，主要受洪水漲落及下游明月江回水頂托影響，該站流量采用臨時(shí)曲線法和連時(shí)序法推流。

(4)由于該站受洪水漲落影響明顯，不僅流量測(cè)次多，整編推流時(shí)段也較多。統(tǒng)計(jì)近5年平均推流時(shí)段約25個(gè)，2018年甚至達(dá)到28個(gè)，該站的測(cè)驗(yàn)、整編工作量，不便于現(xiàn)代化巡測(cè)模式。

(5)現(xiàn)狀流量測(cè)驗(yàn)方式主要依靠水文纜道，一旦纜道故障，將無(wú)法施測(cè)流量。加之纜道橫跨城區(qū)交通要道，車流量大，纜道運(yùn)行時(shí)存在較大安全隱患。

2 采用水工建筑物實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測(cè)分析

2.1 電站概況

州河干流自上而下分布有江口、羅江口、金盤子、舵石鼓四個(gè)梯級(jí)水電站。其中，羅江口水電站系州河干流梯級(jí)開發(fā)中的第二級(jí)，壩址以上控制集水面積6766km2，電站由主廠房、大壩、升船機(jī)、泄洪閘、沖沙閘五部分組成，最大壩高23.5m，水庫(kù)正常蓄水位297.0m，汛限水位295.7m，死水位290.5m，總庫(kù)容0.9×108m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.021×108m3，具有日調(diào)節(jié)能力。羅江口水電站設(shè)計(jì)水頭21.5m，單機(jī)正常引用流量69.0m3/s，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量3×1.3萬(wàn)kW。

羅江口水電站位于羅江水文站上游約2.8km，電站的退水有發(fā)電、沖沙、泄洪三種方式，這3種退水均對(duì)羅江水文站的水位、流量有直接影響。

2.2 不同泄流方式下的流量監(jiān)測(cè)

羅江水文站與羅江口水電站河道距離僅有2.8km，中間無(wú)大的支流加入，兩斷面集水面積相差僅為0.9%，可以忽略不計(jì)，羅江口壩址處流量可以直接代替羅江水文站址處流量。

分析該電站泄流方式主要以下3種：①發(fā)電尾水流量(Q電)；②沖沙閘孔沖沙時(shí)的泄水量(Q沖)；③泄洪閘泄洪量(Q泄)。將同一時(shí)刻不同方式的泄水量準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)，即可得到下游羅江水文站斷面的實(shí)測(cè)流量。

即t時(shí)刻的合成流量為：

Qt=Q電t+Q沖t+Q泄t

(1)

2.2.1 發(fā)電尾水流量監(jiān)測(cè)

水電站是把水的位能和動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能的工廠，其出力公式為：

N=9.81ηQ電H凈

(2)

式中：N——水電站的出力，kW；

η——水電站的效率系數(shù)；

Q電——發(fā)電引用流量，m3/s；

H凈——水電站凈水頭。

根據(jù)上式可知，只要獲取了水電站的發(fā)電量和上下游水頭差，即可反算出發(fā)電所引用的流量。其流量推算公式為：

Q電=N/(9.81ηH凈)

(3)

其中，水電站的出力N，可通過(guò)電站在線監(jiān)測(cè)記錄獲??；水電站的效率系數(shù)η，可以通過(guò)水輪機(jī)出廠參數(shù)查得，也可通過(guò)尾水渠適當(dāng)斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)率定獲取；H凈可以通過(guò)大壩上下游水頭差計(jì)算而得。

通過(guò)在壩址上下游布置水位遙測(cè)設(shè)備，可以自動(dòng)獲取上下游水頭差。并通過(guò)相關(guān)軟件讀取電站全天各時(shí)段出力和水頭，按照出力公式即可獲取羅江口水電站發(fā)電實(shí)時(shí)流量。

2.2.2 沖砂閘孔水量監(jiān)測(cè)

羅江口水電站沖砂閘的主要作用是拉走庫(kù)前泥沙，以減輕庫(kù)內(nèi)淤積、同時(shí)兼顧泄洪，該電站為3扇平板沖沙閘門，每扇閘寬4.0m、高8.0m。沖沙閘室底板高程273.0m，略高于上、下游河床高程。該沖砂孔以淹沒(méi)出流為主，流量采用淹沒(méi)孔流計(jì)算公式：

(4)

式中：μ1——孔流淹沒(méi)系數(shù)；

n——閘孔數(shù)量；

b——閘孔寬度；

e——閘門開啟高度；

△Z——上下游水頭差。

上式中，b為固定值(4m)；n和e可通過(guò)閘孔上安裝的閘門啟閉機(jī)計(jì)數(shù)器獲?。弧鱖可通過(guò)上下游遙測(cè)水位計(jì)之差得到，閘下水流與電站發(fā)電尾水流貫通，壩下水位即為閘下水位。μ1可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)率定，也可以采用經(jīng)驗(yàn)淹沒(méi)系數(shù)推求，其公式為：

(5)

上式中H為總水頭，其他各符號(hào)意義同前。安裝或獲取已安裝的閘門啟閉機(jī)計(jì)數(shù)器，結(jié)合上下游遙測(cè)水位計(jì)，即可得到閘門開啟度和總水頭，按式(4)可以獲取實(shí)時(shí)沖沙孔下泄流量。

2.2.3 泄洪閘流量監(jiān)測(cè)

羅江口水電站為閘壩式，泄洪閘壩段長(zhǎng)137m，分8孔。溢流堰為WES型混凝土重力壩，堰頂高程為284.0m。最大下泄流量為11100m3/s，采取分區(qū)底流式消能。閘門為鋼結(jié)構(gòu)弧形閘門，采取液壓?jiǎn)㈤]機(jī)自動(dòng)控制啟閉。泄洪閘流量監(jiān)測(cè)根據(jù)閘門開度分兩種情況。

(1)洪水期當(dāng)閘門未全開時(shí)，泄洪閘流量為自由孔流。

流量計(jì)算采用自由孔流水力學(xué)公式：

(6)

式中：μ——自由孔流量系數(shù)；

其他符號(hào)意義同前。

μ值通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)率定，也可以采用經(jīng)驗(yàn)流量系數(shù)弧形曲線形實(shí)用堰閘公式推求，其公式為：

(7)

(2)當(dāng)閘門開啟度加大，達(dá)到e/H≥(e/H)c時(shí)，水流由孔流變?yōu)樽杂裳吡鳌?/p>

流量采用自由堰流計(jì)算公式：

(8)

式中：C——堰流流量系數(shù)；

其他符號(hào)意義同前。

上式中，堰流流量系數(shù)C(含側(cè)收縮系數(shù)和進(jìn)口流態(tài)系數(shù))可通過(guò)水力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算或查圖表得到，也可通過(guò)水文站實(shí)測(cè)流量現(xiàn)場(chǎng)率定；b為堰口單孔寬度，是固定值；n為過(guò)流孔數(shù)，可通過(guò)閘孔上安裝的閘門啟閉機(jī)計(jì)數(shù)器獲取過(guò)流孔數(shù)；H為總水頭，通過(guò)壩上遙測(cè)水位計(jì)獲取；另本文建議可通過(guò)水文站實(shí)測(cè)流量對(duì)水力學(xué)計(jì)算流量進(jìn)行率定，得出相關(guān)系數(shù)，就能按式(6)、式(8)可以計(jì)算出泄洪閘兩種流態(tài)的下泄流量。

3 實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測(cè)的設(shè)備配置

從前面分析來(lái)看，羅江口水電站不同退水情況下的實(shí)時(shí)流量均可以采用水力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)參數(shù)的獲取須配置相應(yīng)的設(shè)備，方能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、分析計(jì)算和自動(dòng)傳輸。

根據(jù)羅江口水文站工程特性，需要配置壩上、壩下水位計(jì)，沖沙閘孔閘位計(jì)，泄洪閘弧形閘門開啟高度閘位計(jì)。水位計(jì)和閘位計(jì)均采用遙測(cè)設(shè)備自動(dòng)采集和GPRS自動(dòng)傳輸。

(1)壩上水位計(jì)：根據(jù)壩上條件，可采用雷達(dá)式水位計(jì)，安裝在大壩上游側(cè)右岸，避開閘門水流有跌變部位。

(2)壩下水位計(jì)：可采用壓力式水位計(jì)，安裝在尾水末端水流平穩(wěn)處。

(3)閘位計(jì)：閘位傳感器應(yīng)分平板門式和弧形門式，根據(jù)羅江口閘門情況配置。

(4)工控機(jī)+定制軟件：為了得到整個(gè)斷面的流量，需將以上3種退水方式的流量合成，通過(guò)工控機(jī)結(jié)合定制開發(fā)計(jì)算軟件，來(lái)實(shí)現(xiàn)水位計(jì)、閘位計(jì)、發(fā)電量等信息的收集，流量分析計(jì)算和合成，實(shí)時(shí)流量直接上傳至水情信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)羅江口水電站(水文站)流量的在線監(jiān)測(cè)。

實(shí)現(xiàn)羅江口水電站流量在線監(jiān)測(cè)相關(guān)設(shè)備配置如表1。

4 成果運(yùn)用與注意事項(xiàng)

通過(guò)配置相關(guān)遙測(cè)設(shè)備和定制軟件，實(shí)時(shí)采集羅江口水電站壩上壩下水位計(jì)、沖砂閘閘位計(jì)、泄洪閘閘位計(jì)、電站發(fā)電量等信息，運(yùn)用水力學(xué)計(jì)算原理，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集、自動(dòng)分析計(jì)算和自動(dòng)遠(yuǎn)程傳輸，結(jié)合羅江水文站自動(dòng)水位數(shù)據(jù)，即可完成羅江水文站實(shí)時(shí)在線流量監(jiān)測(cè)，獲取完整對(duì)應(yīng)的水位流量數(shù)據(jù)過(guò)程。該成果一方面可以直接運(yùn)用到防汛預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中；另一方面完全滿足“連實(shí)測(cè)流量過(guò)程線法”流量整編，最大程度地減少羅江水文站采用纜道測(cè)流和整編的工作量，

需要注意的是：應(yīng)定期對(duì)壩上、壩下水位，閘位傳感器進(jìn)行校正；各項(xiàng)流量系數(shù)應(yīng)按相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行率定，羅江水文站每年應(yīng)實(shí)測(cè)幾份流量與電站合成流量進(jìn)行對(duì)比；合成流量的相關(guān)系數(shù)每2年～5年要進(jìn)行一次檢測(cè)或重新率定。采取以上措施來(lái)確保水工建筑物推算實(shí)時(shí)流量的精準(zhǔn)度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了受水利工程影響的羅江水文站的流量監(jiān)測(cè)，充分利用上游羅江口水電站這個(gè)水工建筑物，利用水力學(xué)原理，利用現(xiàn)代化自動(dòng)遙測(cè)設(shè)備，采集羅江口電站水位、閘位、發(fā)電量等信息，利用軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算羅江口水電站不同泄流方式的流量，實(shí)現(xiàn)了羅江水文站的流量在線監(jiān)測(cè)。采取的理論依據(jù)充分、遙測(cè)設(shè)備技術(shù)成熟、軟件開發(fā)難度不大，可作實(shí)驗(yàn)性研究，并可推廣應(yīng)用，逐步解決受水利工程影響的水文站實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測(cè)，減輕流量測(cè)驗(yàn)次數(shù)和資料整編工作量，推進(jìn)水文現(xiàn)代化建設(shè)。