基于H-ADCP的水库入库流量测验的实践

2017-11-29刘国富吕仲成陈海荣

水电站机电技术 2017年11期

关键词：测流龙泉水文站

刘国富，吕仲成，陈海荣

（国网浙江省电力公司紧水滩水力发电厂，浙江丽水 323000）

基于H-ADCP的水库入库流量测验的实践

刘国富，吕仲成，陈海荣

（国网浙江省电力公司紧水滩水力发电厂，浙江丽水 323000）

2000年以来，紧水滩流域内新建大量小水库，小水库调蓄改变紧水滩流域原有产汇流规律，在2005年又新建两座中型水库以后，影响特别明显。特别是在紧水滩上游瓯江干流上临江电站建设，破坏紧水滩水库入库控制站龙泉水文站原有较稳定的水位流量关系，致使龙泉水文站在低水部分（192 m以下）处于临江电站正常蓄水位以下，水位的涨落无法正确反映紧水滩入库流量的变化。本文通过探索应用H-ADCP超声波测流技术，实现实时在线测流，并建立以降水分布为参数的紧水滩入库流量与入库控制断面流量相关关系，成功解决水库入库控制断面测流的难题，取得较好的效果。

超声波测流；控制断面；入库流量

0 前言

紧水滩流域内小水库林立，中小水库70余座，总库容1亿m3，小水电调蓄改变紧水滩流域原有产汇流规律，在2005年新建两座中型水库以后，影响特别明显，而且在紧水滩水库上游63km处的瓯江干流上，修建具有城区景观功能的龙泉临江电站后，由于临江电站的拦蓄，破坏紧水滩水库入库控制站龙泉水文站原有较稳定的水位流量关系，影响紧水滩水库洪水预报的精度，对水库的防洪度汛和兴利调度产生不利影响。为解决存在的问题，尝试在紧水滩水库上游龙泉水文站，应用H-ADCP实现流量实时在线监测并取得成功，为解决同类问题提供借鉴经验。

1 概述

紧水滩水库位于浙江省云和县境内，在瓯江上游大溪支流龙泉溪上，是一座以发电为主，兼顾航运、过木、防洪等综合利用的不完全年调节水库，坝址控制集水面积2 761 km2,占瓯江流域总面积的15.4%，多年平均流量100 m3/s，多年平均径流量31.5亿m3。紧水滩水库总库容13.93亿m3，正常蓄水位184 m，相应库容10.4亿m3，死水位164 m，相应库容4.87亿m3，有效库容5.53亿m3。大坝主体工程于1981年开工兴建，1986年下闸蓄水，电站于1987年第一台机组投入发电，1988年6台机组全部投产，目前总装机容量305 MW（5×50 MW+55 MW），保证出力30.3 MW，设计年发电量4.9亿kW·h，属纯调峰电站。

龙泉水文站位于距紧水滩水库坝址上游约66 km的龙泉县城，主要观测项目有降水量、水位、流量、泥沙等，是紧水滩水库入库控制断面流量控制站，集水面积1 459 km2，占紧水滩流域面积的52.8%。龙泉市城市在不削弱城区防洪安全的前提下，为改善城市景观，在县城下游约3 km处建造临江电站，坝体为三跨充水式橡胶坝，单向挡水，坝长220 m，分三跨，坝高4.5 m，正常蓄水位192.0 m，上游集水面积1 459.5 km2。电站总库容180万m3，设计水头4.75 m，发电厂房为河床式地面厂房，装机容量3×630 kW，年发电量634万kW·h。工程于2001年11月开工，2004年10月并网发电运行。

由于临江电站的建设，破坏紧水滩水库入库控制站龙泉水文站原有较稳定的水位流量关系，致使龙泉水文站在低水部分（192 m以下）处于临江电站正常蓄水位以下，水位的涨落无法正确反映紧水滩入库流量的变化。而且，通过临江电站的调蓄作用和橡胶坝的充放水，造成紧水滩水库洪水洪峰出现时间1～3 h的改变和洪峰流量0～200 m3/s的增减，影响紧水滩水库大坝的防汛安全。

2 H-ADCP工作原理

H-ADCP是水平式声学多普勒流速剖面仪的英文缩写，它是根据声波频率在声源移向观察者时变高、远离观察者时变低的多普勒频移原理测量水体流速的，每个换能器既是发射器又是接收器。换能器发射某一固定频率的声波，然后聆听被水中颗粒物散射回来的声波。假定颗粒物的运动速度与水体流速相同，当颗粒物的运动方向接近换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波频率高；当颗粒物的运动方向背离换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波频率低。声学多普靳频移，即回波频率与发射波频率之差，由下式确定：

fd=2 fδ（v/c）

式中：fd——声学多普勒频移，kHz；

fδ——回波频率，kHz；

v——颗粒物沿声束方向的移动速度，m/s；c——声波在水中的传播速度，m/s。

H-ADCP是采用指标流速法进行水道断面流量监测的。指标流速法是由局部流速（如单点流速、垂线平均流速或水平平均流速等）推算断面平均流速。为了得到断面平均流速与指标流速的关系，需测出不同水位下的流量和断面面积，从而得到断面平均流速数据，再对数据进行相关分析，即可以得到它们的相关关系。其关系的一般形式为：

V=f（Vsl）

式中：V——断面平均流速，m/s；

Vsl——指标流速，m/s。

3 H-ADCP测流技术在紧水滩的应用

3.1 系统结构

紧水滩水库入库控制断面测流设备由水平声学多普勒流速剖面仪（H-ADCP）、细井式水位计，人工观测水尺，智能遥测终端设备RTU、电源防雷器、信号防雷器、太阳能蓄电池供电系统、GPRS远传系统、中心站数据处理服务器和流量系统软件等组成。

H-ADCP实时在线监测流量，RTU采集H-ADCP流速、水位（浮子水位计数据接入）、水温等水情数据以及电压、姿态等工况数据，分析计算出实时的断面平均流速、断面过水面积、过水流量等，并将以上所有实测监测数据和成果数据通过GPRS远传系统传输到中心服务器中，中心站将采集到的数据进行统计、分析、处理后形成各种报表供查询、打印和发布；同时动态显示监测断面的实时流量和累计流量；可以中心服务器进行数据查询和分析。

3.2 设备安装

3.2.1 流量测验设备

流量测验设备包括水平H-ADCP仪器、行车及滑道支架、RTU、太阳能供电系统（40 W太阳能板和太阳能充电控制器、蓄电池）、GPRS模块、信号防雷器、电源防雷器等。

H-ADCP仪器行车及滑道支架设备安装;滑道支架釆用膨胀螺栓固定在混凝土预制安装墙上，H-ADCP仪器行车从滑道支架上部装入滑道支架中，上部用不锈钢钢丝绳连接，采用手动绞车牵引上下移动定位锁紧。

H-ADCP仪器固定安装在H-ADCP仪器行车上，正常水位下约0.6 m。数据线穿软保护管，依附滑道支架固定升至机房内仪器机箱，与相关设备连接进入系统运行。与系统相关设备（太阳能充电控制器、蓄电池、GPRS模块、信号防雷器、电源防雷器等）均固定安装在仪器机箱內。

3.2.2 水位观测设备

水位观测设备包括细井式水位计、水位数据转换器、人工观测校核水尺。由于水文站原遥测系统已有水位计，只需增加一只水位分路器，从原系统中接入水位信号，经过数据转换后，接入RTU。

3.2.3 中心站设备

测流中心站主要设备有数据处理服务器、中心站接收模块、专用流量监测软件。数据服务器采用Windows 2008 server中文企业版操作系统和SQL server 2005数据库系统，实现数据的采集、处理、分析、存储等功能。

3.3 H-ADCP测流分析

3.3.1 测验参数率定

测验设备采用走航式ADCP在声波发射垂直断面上,来回慢速测验断面网状测点的流速以及河道断面的形状、面积、流量等，经专用软件转换为H-ADCP仪器的内置参数,实现H-ADCP仪器实时监测数据，并计算出实时断面平均流量。

3.3.2 比测方案

流量比测采用常规流速仪法测验的流量与H-ADCP测流进行误差分析并率定其关系。根据紧水滩入库控制断面龙泉水文站高、中、低水位变幅和流速大小的水流特性，选择合适时机同步进行H-ADCP和常规的缆道流速仪法流量测验，并以缆道流速仪法为标准进行相关分析。

3.3.3 流量比测分析

根据2013年到2014年在龙泉水文站进行高、中、低水比测，H-ADCP测流与缆道法测流相关关系（见图1），符合《水文资料整编规范》的规定。

图1紧水滩入库控制断面H-ADCP测流与缆道法测流相关图

3.3.4 洪水期最大日平均流量分析

以紧水滩水库2015年实测洪水的最大日平均流量和龙泉H-ADCP测流最大日平均流量结果进行分析。紧水滩水库流量与龙泉测流流量平均倍比为2.615，并且与龙泉站上游、下游降水分布有较明显相关关系，如20150611和20150809号洪水，龙泉下游降水偏大，倍比系数偏大。紧水滩水库与龙泉测流最大日平均流量及累计降水量分布见表1。

3.3.5 洪峰流量分析

通过对紧水滩水库实测洪峰流量与测流洪峰流量进行对比分析，发现实测洪峰流量与测流洪峰流量倍比最小为1.99倍，最大为3.89倍，平均为2.683倍。而且倍比数据的大小与流域上下游主时段降水量分布有较强的因果关系，当下游降水偏少明显时，倍比值也偏小，如20150605号洪水。上下游降水差值与紧水滩入库流量/测流流量倍比关系见图2。

3.3.6 时段洪水过程分析

通过对20150516号洪水过程分析，将测流流量放大2.683倍作为洪水预报流量，与紧水滩实际入库流量进行对比分析，发现修正后的测流流量与实际入库流量过程一致性较好，洪峰流量相对误差1.35%，洪量相对误差5.14%，峰现时间误差为0。5月16日紧水滩预报流量与实测入库流量过程见图3。