ADCP在永慶反調(diào)節(jié)水庫(kù)閘門泄流曲線復(fù)核上的應(yīng)用

曲志強(qiáng)，王進(jìn)，關(guān)勝文

（1.松遼水利委員會(huì)水文局黑龍江上游水文水資源中心，黑龍江 黑河 164300；2.松花江水力發(fā)電有限公司吉林豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林 132108；3.遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116021）

1 水庫(kù)簡(jiǎn)介

永慶反調(diào)節(jié)水庫(kù)位于豐滿發(fā)電廠下游10.3 km處的松花江干流上。水庫(kù)于2002 年9 月19 日開(kāi)工建設(shè)，2005 年11 月12 日投入試運(yùn)行，2006 年工程竣工。永慶反調(diào)節(jié)水庫(kù)是一座以解放豐滿水電站60 MW 基荷，通過(guò)反調(diào)節(jié)水庫(kù)的均勻泄放，增加調(diào)峰容量。工程規(guī)模為中型水庫(kù)，樞紐工程為Ⅲ等工程，主要由混凝土重力壩、土石壩、高堰壩段、低堰壩段、消力池等組成。其中，右岸低堰壩段有8 扇弧形閘門，左岸高堰壩段有22 個(gè)開(kāi)敞式溢流孔及3 孔生態(tài)閘門。

2 流量測(cè)驗(yàn)

依據(jù)GB 50179—93《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》及SL 337—2006《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》，在閘門口采用定點(diǎn)測(cè)流結(jié)合下游穩(wěn)定斷面走航式ADCP施測(cè)的方式，根據(jù)不同水位合理布設(shè)測(cè)次，完成流量測(cè)驗(yàn)及各相關(guān)水文要素?cái)?shù)據(jù)的收集。

2.1 測(cè)驗(yàn)方法

ADCP 是目前國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)河流、渠道等水體流量的常用設(shè)備。相比于傳統(tǒng)流速儀法測(cè)流，使用ADCP 開(kāi)展流量測(cè)驗(yàn)具有測(cè)量速度快、可以獲取流場(chǎng)分布、能消除各種因素導(dǎo)致的誤差等特點(diǎn)。此次泄流曲線率定是將ADCP用繩索放置閘門口處，采用定點(diǎn)式聲學(xué)多普勒流速儀法測(cè)流。

2.2 測(cè)次布設(shè)

通過(guò)堰流方式對(duì)閘門泄流曲線復(fù)核時(shí)，根據(jù)水位變化，從189.40 m 測(cè)至192.20 m。根據(jù)閘門開(kāi)度不同，對(duì)閘門泄流曲線復(fù)核時(shí)，從192.20 m 測(cè)至堰流，閘門開(kāi)度分別為0.7，1.0，1.3，1.6，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0 m。

3 測(cè)驗(yàn)成果分析

水庫(kù)泄洪閘門的泄流曲線是計(jì)算泄水流量的依據(jù)，一般是由設(shè)計(jì)部門在水庫(kù)建設(shè)期提供，根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果或堰閘形式、流態(tài)等因素按孔流、堰流的水力學(xué)計(jì)算公式推算出閘門各開(kāi)度下的泄流流量。

3.1 堰流測(cè)流成果

堰流測(cè)流采用定點(diǎn)式測(cè)驗(yàn)方式進(jìn)行，分別對(duì)低堰閘門和生態(tài)閘門進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，水位測(cè)量范圍為189.40～192.20 m。根據(jù)水位變化情況，40 s完成一個(gè)定點(diǎn)測(cè)量，最終選取各個(gè)節(jié)點(diǎn)水位進(jìn)行定線推流。

3.1.1 低堰閘門堰流測(cè)流成果

此次共完成了153 次流量測(cè)驗(yàn)，從中選取22個(gè)代表性的測(cè)次對(duì)泄流關(guān)系曲線進(jìn)行率定復(fù)核，得到低堰閘門定點(diǎn)式測(cè)流關(guān)系曲線，見(jiàn)圖1。

3.1.2 生態(tài)閘門堰流測(cè)流成果

此次共完成了84 次流量測(cè)驗(yàn)，從中選取25 個(gè)代表性的測(cè)次對(duì)泄流關(guān)系曲線進(jìn)行率定復(fù)核，得到生態(tài)閘門定點(diǎn)式測(cè)流關(guān)系曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 生態(tài)閘門定點(diǎn)式測(cè)流關(guān)系曲線

3.2 檢驗(yàn)方法

依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》要求，對(duì)所有實(shí)測(cè)流量點(diǎn)據(jù)進(jìn)行合理性分析，單次流量測(cè)驗(yàn)誤差均小于2%（規(guī)范要求為小于5%）。以每個(gè)水位對(duì)應(yīng)的流量關(guān)系點(diǎn)為實(shí)測(cè)點(diǎn)，將這些實(shí)測(cè)點(diǎn)繪在水位流量關(guān)系線圖上，過(guò)其點(diǎn)群中心率定一條光滑曲線，并進(jìn)行定線精度檢驗(yàn)和關(guān)系曲線檢驗(yàn)。

3.2.1 定線精度檢驗(yàn)

根據(jù)下面公式對(duì)關(guān)系線的標(biāo)準(zhǔn)差、系統(tǒng)誤差和隨機(jī)不確定度進(jìn)行計(jì)算檢驗(yàn)。

系統(tǒng)誤差計(jì)算方法：

式中：Se為實(shí)測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差；p為系統(tǒng)誤差；Qi為第i次實(shí)測(cè)流量（作為單值化處理的單一線中第i次校正流量或校正流量因素），m3/s；Qci為第i次實(shí)測(cè)流量Qi相應(yīng)的曲線上的流量，也可作為單值化處理的單一線中第i次校正流量，或是校正流量因素相應(yīng)的曲線上的校正流量（正流量因素），m3/s；n為測(cè)點(diǎn)總數(shù)。

隨機(jī)不確定度可按式下式計(jì)算：

式中：X′Q——置信水平為95%的隨機(jī)不確定度。

對(duì)實(shí)測(cè)的點(diǎn)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)誤差為-0.01%，隨機(jī)不確定度為7.2%。水文資料整編規(guī)范規(guī)定的精度要求見(jiàn)表1。

表1 水位流量關(guān)系定線精度指標(biāo)

通過(guò)對(duì)照水位流量關(guān)系定線精度指標(biāo)可以確定，此次單一曲線測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差滿足規(guī)范要求。

3.2.2 關(guān)系曲線檢驗(yàn)

1）對(duì)單一曲線進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)。分別統(tǒng)計(jì)測(cè)點(diǎn)偏離曲線的正、負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)（偏離值為零者，作為正、負(fù)號(hào)測(cè)點(diǎn)各半分配），按下式計(jì)算統(tǒng)計(jì)量u值：

式中：k為正號(hào)或負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)；p，q為正、負(fù)號(hào)概率，各為0.5；*為連續(xù)改正數(shù)（離散型轉(zhuǎn)換為連續(xù)型）。

并將其與用給定的顯著性水平α查表所得的u1-α/2值比較，當(dāng)計(jì)算的u＜u1-α/2則認(rèn)為合理，即接受假設(shè)；否則應(yīng)拒絕原假設(shè)。

2）進(jìn)行適線檢驗(yàn)。按測(cè)點(diǎn)水位由低至高排列順序，從第二點(diǎn)開(kāi)始統(tǒng)計(jì)偏離正負(fù)符號(hào)變換，變換符號(hào)記1，否則記0。統(tǒng)計(jì)記“1”的次數(shù)，按下式計(jì)算得到u值：

式中：k為變換符號(hào)次數(shù)，k＜0.5(n-1) 時(shí)作檢驗(yàn)，否則不作此檢驗(yàn)；p，q分別為變換、不變換符號(hào)的概率，各為0.5。

計(jì)算得出的u與給定的顯著性水平α查表得到的u1-α值作比較，當(dāng)u＜u1-α則認(rèn)為合理，即接受檢驗(yàn)；否則應(yīng)拒絕原假設(shè)。

3）進(jìn)行偏離數(shù)值檢驗(yàn)。按下式分別計(jì)算統(tǒng)計(jì)量t值、平均相對(duì)偏離值的標(biāo)準(zhǔn)差值：

式中：s為p的標(biāo)準(zhǔn)差；為測(cè)點(diǎn)與關(guān)系曲線的相對(duì)偏離值。

將t值與用給定顯著性水平α查表得的t1-α/2值比較，當(dāng)|t|＜t1-α/2則認(rèn)為合理，即接受檢驗(yàn)；否則應(yīng)拒絕原假設(shè)。

通過(guò)對(duì)水位流量關(guān)系曲線3 種檢驗(yàn)指標(biāo)的計(jì)算得出的結(jié)果如表2。

表2 閘門的3 種檢驗(yàn)計(jì)算成果表

關(guān)系線3 種檢驗(yàn)合理性檢查標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 臨界值t1-α/2

經(jīng)檢驗(yàn)，系統(tǒng)誤差與隨機(jī)不確定度均滿足一類精度水文站要求的定線精度指標(biāo)，對(duì)關(guān)系曲線的3 種檢驗(yàn)均能滿足合理性要求，所以計(jì)算得到的水庫(kù)尾水位流量曲線定線合理，可用于推流。

3.3 閘門不同開(kāi)啟度測(cè)流成果分析

當(dāng)檢驗(yàn)結(jié)果滿足上述3 種關(guān)系檢驗(yàn)后，對(duì)閘門不同開(kāi)啟度測(cè)流結(jié)果進(jìn)行測(cè)流成果分析。泄流分為兩種情況，當(dāng)泄流受到閘門控制時(shí)，從堰頂與閘門底間的孔口流出時(shí)，這種水流狀態(tài)為孔流，即控泄；當(dāng)頂部閘門完全開(kāi)啟時(shí)，閘門底脫離水面，閘門對(duì)水流完全不起控制作用，水流自由下泄，這種水流流態(tài)為堰流，即敞泄。

根據(jù)閘門開(kāi)度不同，對(duì)閘門泄流曲線進(jìn)行復(fù)核，當(dāng)閘門開(kāi)度與上游水位持平時(shí)，出流介于孔流與堰流臨界點(diǎn)。根據(jù)水庫(kù)提供的設(shè)計(jì)圖紙，當(dāng)閘門開(kāi)度為3.5 m 時(shí)，孔流與堰流的臨界水位為190.30 m；當(dāng)閘門開(kāi)度為4.0 m 時(shí)，孔流與堰流的臨界水位為190.76 m；當(dāng)閘門開(kāi)度為4.5 m 時(shí)，孔流與堰流的臨界水位為191.30 m；當(dāng)閘門開(kāi)度為5.0 m 時(shí)，孔流與堰流的臨界水位為191.87 m。經(jīng)過(guò)與水庫(kù)提供的閘門開(kāi)度與泄流能力關(guān)系表進(jìn)行比對(duì)，見(jiàn)表4。測(cè)驗(yàn)結(jié)果與閘門開(kāi)度與泄流能力關(guān)系表數(shù)據(jù)吻合。

表4 閘門開(kāi)度與泄流能力關(guān)系表 m3/s

4 水量平衡法與泄流曲線復(fù)核成果的合理性校驗(yàn)

為了檢驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，采用水量平衡法對(duì)泄流曲線進(jìn)行合理性校驗(yàn)。水量平衡是指任意選擇的區(qū)域（或水體），在任意時(shí)段內(nèi)，其收入的水量與支出的水量之間差額必等于該時(shí)段區(qū)域（或水體）內(nèi)蓄水的變化量，即水在循環(huán)過(guò)程中，從總體上說(shuō)收支平衡。根據(jù)永慶反調(diào)節(jié)水庫(kù)的入庫(kù)、出庫(kù)的水量，結(jié)合水庫(kù)的庫(kù)容變化，通過(guò)在閘下使用定點(diǎn)式ADCP 實(shí)測(cè)的閘門泄流量進(jìn)行合理性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 水量平衡法與泄流成果

5 結(jié)語(yǔ)

本文使用ADCP 完成閘下流量測(cè)驗(yàn)，滿足規(guī)范相關(guān)要求。使用傳統(tǒng)流速儀法率定泄流曲線時(shí)，需要在閘下選擇固定地點(diǎn)，由人工手持測(cè)深桿固定流速儀在激流條件下測(cè)量流速，再通過(guò)計(jì)算獲得流量數(shù)據(jù)。使用ADCP 在水閘下進(jìn)行曲線復(fù)核，可以減少人力物力投入，同時(shí)也減少了在閘下激流條件下的人工參與，大大增強(qiáng)了測(cè)驗(yàn)安全性，具有較高的推廣價(jià)值。