秘鲁圣加旺Ⅲ级水电站水文测验实践

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(长江水利委员会水文局 长江三峡水文水资源勘测局，湖北 宜昌 443000)

圣加旺(San Gabán)Ⅲ级水电站为圣加旺河干流4级开发方案的最下游一级，位于秘鲁东南部卡拉瓦亚省圣加旺河右岸，坝址上距圣加旺2级水电站坝址约10 km，下距圣加旺河口约46 km。

圣加旺河发源于克纳马里(Quenamari)高原，流域总面积3 418 km2，其中2 437 km2在海拔4 000 m以上，属高山荒原。河流总长135 km, 海拔较高段的坡度较小，海拔4 000 m以上水流湍急，海拔降至1 000 m后坡度再次变小，该河最终在海拔440 m处汇入伊南巴里(Inambari)河。圣加旺Ⅲ级水电站位于圣加旺河流域下游，控制流域面积2 774 km2，河长89.49 km，平均比降38‰。

1 测验断面布置

1.1 站址布置

坝址站位于圣加旺Ⅲ级水电站坝址施工区下游100 m，该站右岸设立了自记水位计，站下游200 m为圣加旺Ⅲ级水电站尾水出口。河段上游200 m至下游100 m河势较缓；断面左岸为乱石滩，右岸为陡崖。河段为宽浅河床，低水水面宽20 m，高水水面宽约50 m，河床由砂石组成。坝址站附近河段河势见图1。

图1 坝址站附近河段河势

厂房站位于圣加旺Ⅲ级水电站厂房施工区下游1 100 m，厂房施工区右岸设立了自记水位计，厂房站采用人工水位观测；站上游300 m有弯道，下游河段较为平缓开阔，断面位于过河桥下，方便施测。断面左右岸均为水泥护坡，横断面为“U”型，水面宽约50 m，河床由乱石组成。厂房站附近河段河势见图2。

图2 厂房站附近河段河势

1.2 测验断面

坝址站、厂房站从2017年11月至2018年5月利用过河缆道、走航式ADCP、电波流速仪等设备对2个断面分别进行了27次流量测验以及2次大断面测验。测次可满足推求断面水位流量关系，准确计算测验时段水量和各特征值。一般高中洪水按绳套线型布置测次，汛期测次适当增加，枯期以大约每周一次测次均匀布置。

坝址站断面(见图3)采用拖船式ADCP配套GPS定位进行可走航式常规流量测验，测验时利用扩频无线电台与计算机通信，所有ADCP采集数据、GPS定位数据等均通过无线电台传至计算机，人在岸边不与水接触，只需拖拽过河缆道即可完成ADCP走航测验。通过多次测验，坝址站断面较为稳定，见图3。

图3 坝址站断面

厂房站断面(见图4)选取在桥下，由卵石组成，河床稳定，因此采用电波流速仪在固定起点距测验流速。考虑到水位变化，固定测流起点距的选取在各个水位级均能正常施测，并兼顾中泓和水边，保证施测点能完全代表断面流速分布。

图4 厂房站断面

2 测验仪器的选择及性能分析

根据坝址、厂房站不同河段条件，需选择合适的测流仪器。通过查勘，坝址站利用现有条件架设过河缆道，测验方式采用拖船式ADCP配套GPS定位进行走航式测验。厂房站位于厂房水位站下游约1.1 km的公路桥下，低水采用拖船式ADCP配套GPS定位进行走航式常规测验，中高水采用固定起点距，电波流速仪施测流速，借用大断面的方式施测断面流量。

2.1 RiverSurveryorS5/M9声学多普勒水流剖面仪

ADCP选用RiverSurveryorS5/M9声学多普勒水流剖面仪，多频率换能器配置可自动转换单元大小、工作频率、采样频率和工作模式。最小测量距离可仅为0.06 m，而最大水深测量范围可达80 m，垂直超声波波束可直接精确测量水深与河床断面。该仪器安装在三体船上，使用扩频无线电台，在岸边即可直接利用便携式电脑进行控制测验。

ADCP具有能直接测出断面流速剖面、测验历时短、测速范围大、保证测验人员安全等特点[1]。与传统测验方式相比，ADCP具有以下优点：①在随测量船运动过程中进行测量，极大缩短了测流历时，能够最大程度测取实时洪峰流量。②不要求测流断面垂直于河岸，船行轨迹可以是斜线或曲线，为在临时断面抢测突发洪水提供了便利。③全程自动化程度高，无需人工过多干预，系统自动判断成果精度。④测速范围大，一次形成包括流速、流量、流向和水深等水文要素成果。⑤测流装置安装方便，对附属设施数量要求很少，系统整体质量小、方便携带。

2.2 电波流速仪

电波流速仪利用多普勒效应，通过电磁波遇到河道水体表面时发生反射，在波源、观察者、不同介质之间发生相对运动而引起电磁波频率改变的原理研制。应用电波流速仪测速时，波源与施测者不动，水体相对运动引起反射波的频率改变(电波流速仪仅利用反射波)，改变量的大小与水体表面流动的相对速度有关。发射波频率与反射波频率的差值即为多普勒频率，用数学公式表示为[2]

fd=|fo-fi|

(1)

(2)

式中，fo为发射频率,Hz；fi为接收到的回波频率,Hz；C为电磁波在空气中的传播速度,3×108m/s；V为水面流速，m/s；θ为发射波与水面方向夹角，由方位角与俯角构成。

电波流速仪发射波呈椭圆状发散在水面，椭圆形区域大小与测程、电磁波发射角有关，因此电波流速仪测量的水面流速是椭圆形区域的面平均流速。

针对测区现场环境综合考虑具体断面测验方式，厂房断面选择桥测，其优势在于： ①可避免或减少风浪影响，山区河流水深较浅，流速较大，涉水测验人员和仪器存在较大安全风险，桥测可以避免安全事故的发生，降低测验难度。②桥测不受特大洪水影响的公路桥为双曲拱桥，稳定性好，一般洪水不会对桥梁构成威胁，洪峰流量基本均可测得。③测速垂线和测点相对固定，基本不会受大风浪及流向偏角的影响，起点距固定，每次测深测速垂线的位置基本保持一致，相对误差较小，提高了测验的精度。④桥测节省人力，缩短测验历时，在不遇到特大洪水的情况下1人即可完成操作桥测车[3]。对于涉外项目，测验人员严重不足，选择桥测可以很好解决该问题，完成测验任务。

3 水文测验方法

坝址站架设简易过河缆道，采用拖船式ADCP进行走航测验并使用GPS导航。测前做好断面计划线，测量中将GPS放置在ADCP探头上方，若出现GPS信号差或信号中断的情况，可及时进行补测，保证每测次有两个测回数据。每次测量开始和结束时均需要记录测量时间，并根据自记水位仪采集的水位数据查读水位，取两次水位的平均值作为该次流量的相应水位。当测验中出现较大水位变化时，则需再增加1次水位观测，取测前、测中和测后的水位平均值作为相应水位。最后，选取两测回流量值的平均值作为最终流量，若某一测回的单次流量与平均流量误差大于5%，则需及时重测。

厂房站使用电波流速仪施测流速，为了减少测速的误差，对固定6个起点距进行流速测验。每一个测点至少需要2次测量，每次测量不少于30 s，对测量结果计算平均值，作为测点的水面流速。同样地，对于厂房站流量断面，在每次测量开始和结束时均需记录测量时间和水位(测流断面)，将两次水位的平均值作为该次流量的相应水位，并根据测量时间查读厂房水位站水位，记录在流量成果中备查, 然后建立测流断面水位和厂房水位站相关关系。对于厂房站断面流量的计算，借用已测大断面计算断面面积，在水流平稳期进行电波流速仪与ADCP测验的比测工作，确保不同仪器测量成果的一致性。通过比测分析，流速改正系数取为0.8计算断面流量。

4 测验成果分析

坝址站位于圣加旺Ⅲ级电站施工区的上游。根据测流断面地势及水流情况，流量采用走航式ADCP施测。考虑测验河段水流特性，坝址站利用测流断面每次测流同步观测的水位，建立水位流量关系，并利用整汇编软件对相关关系进行检验，得到的检验精度符合III类精度专用站的误差要求。然后，通过连续水位过程，利用相关公式推求流量过程，相关关系见图5和图6。

图5 2017年11月至2018年5月坝址站水位流量关系曲线

图6 圣家旺坝址站水位-流量关系曲线精度检验结果

厂房站位于坝址站下游约1 000 m，经考察，选择断面附近的一座公路桥作为流量测验的载体，利用电波流速仪施测垂线流速，借用原实测大断面成果。然而，厂房站测流断面与水位站有一定距离(水位站位于测流断面上游约1km处)，因此需要先计算水位过程。利用水位站水位与测流断面水位的关系，建立测流断面水位与实测流量的相关关系，见图7～9。

经过整汇编软件计算得到坝址站和厂房站2017年12月至2018年5月逐日平均流量、洪水水文要素摘录成果，两站有关流量特征值见表1。

图7 厂房站水位与测流断面水位相关关系

图8 厂房站水位-流量关系曲线

图9 圣家旺厂房站水位-流量关系曲线检验计算结果

5 存在问题与解决方法

通过对圣加旺Ⅲ级水电站坝址断面、厂房断面进行长达7个月的水文观测工作，发现主要存在3类问题：外部条件问题、测验问题和数据处理问题。在经过分析处理后，上述问题得到了较好地解决。

5.1 外部条件问题及解决方法

(1)测验断面布设难度大。圣加旺河是一条典型的山区性河流，河流来水主要为冰山融水，河段落差大、水流急、水面窄、岸线极不规则，急弯、卡口、突嘴很多，常有孤石突出或礁石林立。河床质由基岩、鹅卵石组成，河道窄浅，暴雨与山洪往往同时发生，洪水持续时间不长。断面选择需在坝址和厂房附近，可选河段很短。多次查勘后，坝址断面选择在相对稳定的河道，无巨石凸起且流速相对较小的断面。厂房附近河段蜿蜒，无顺直河段，河中巨石较多，且流速较大，基本无法施测。厂房流量断面选取在下游1.1km的桥梁处。经考察沿程河段无支汊汇入，通过固定垂线，用电波流速仪施测垂线流速，断面则借用原实测大断面成果的方法完成流量过程测量。

(2)与当地人员存在沟通障碍。熟练掌握当地语言对海外工程的顺利实施十分重要。由于相关的专业人才外语水平较低，因此在与当地人员进行交流与沟通时只能依靠翻译人员，可能会产生一定的表达障碍和误解。特别是在对当地法律法规不够熟悉的情况下，进入私人领地未事先与地主沟通，导致与当地人产生矛盾，甚至有破坏测验设施的情况发生。需要加强人员教育培训，尊重当地风俗，了解当地文化并与当地人做好沟通交流工作，避免产生不必要的损失。

5.2 测验问题及解决方法

(1)现场对测量可靠性的判断。由于对圣加旺河水文历史了解不足，也无太多历史资料参考，需要严格按照操作规程施测。测前需对仪器进行检校，参数的设置需复核检查，确保仪器正常工作。测中保证操作规范，ADCP船速、岸边距离估算，电波流速仪测验固定起点距的位置、方向均严格按规程操

表1 测流断面流量特征值

作；测后可用简易浮标法等方式复核测验成果。测验结束后，及时点绘水位流量关系线，综合分析测次成果是否合理。通过多节点控制，保证成果质量。

(2)测验仪器的维护及保养。定期对仪器设备进行保养维护十分重要。由于现场仪器长期处于潮湿环境，需要现场人员定期对仪器进行除湿、充电，保持仪器干燥；现场使用的自记水位计无远程监控，无法掌握水位是否正常、电瓶电量是否充足等仪器状况，因此应至少每周进行1次水位校核、1次仪器检查，两周更换1次电瓶，随时了解仪器工作状态。

5.3 数据处理问题及解决方法

(1)坝址和厂房测流断面均处于山区河流，降水后的产汇流期间，容易形成暴涨暴落的山洪，河床落差明显，河道比降较大，洪水过程持续时间短。无法按照绳套曲线布置测次，因此两站流量均采用单一曲线法推流整编。

(2)厂房河段无法布设测流断面，导致测流断面与水位站不在一起，因此，应首先计算水位过程，建立水位站水位与测流断面水位关系，再建立测流断面水位与实测流量的相关关系。

6 结 语

秘鲁圣加旺Ⅲ级水电站的水文测验实践表明，水文测量工作具有多样性与复杂性。流量测验在不同的河段中方法灵活多样、各具特色，特别是典型大比降山区性河流。对于断面和测验仪器的选样，均需根据现场条件进行合理配置，只有选择合理的方案才能高效安全地完成河段水文测验。