走航式ADCP测流在重庆狮子滩水库泄流曲线复核中的应用

蔡界清，陈川建

（1.国家电投集团重庆狮子滩发电有限公司，重庆 401220；2.长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局，重庆 400020）

水库泄流曲线是水库防洪调度的基础资料之一，也是水库进行水量平衡计算不可缺少的参数。该曲线的泄流流量数据准确与否，直接关系着水库出入库水量数据的真实性，也关系到水库大坝与下游地区防洪安全。目前常用的泄流曲线复核方法主要有理论计算、水工模型试验和原型观测3种［1］。在水库设计阶段主要通过理论计算的方式，根据不同的大坝形状、闸门形式、闸门侧向和纵向比的关系，按照《水力计算手册》规范选取对应的参数进行计算得到。对于一些重大战略性水库，也可能在大坝设计方案确定后就通过水工模型试验得到大坝比例模型。大坝溢流设施若经历过改建、加固等处理，溢流闸门、大坝溢流坝面有所改变，往往也需要通过水工模型试验进行复核。对于已建水库，且下游控制条件较好的河段，可以利用原型观测的水文方法来进行复核。本文以狮子滩水库为例，采用走航式ADCP水文观测的方法对泄流曲线进行了复核，该方法成本低且精度控制较好，取得了较好的效果。

1 概况

狮子滩水库位于重庆市长寿区，具有多年调节功能，按100 a一遇设计，2 000 a一遇校核。水库以发电为主，兼顾防洪、灌溉、养殖、航运、旅游、城市用水等综合利用效益。自1956年水库形成以来，狮子滩水库的溢流设施设备未进行任何改造，也未对泄流曲线进行泄洪流量复核工作［2］。为确保水库大坝安全及水库调度的精细化管理，按照相关规定［3］，于2016年对狮子滩水库泄流曲线复核工作进行立项，要求结合水库实际泄洪过程进行流量测验与分析验证，为期3 a。

1.1 测流断面选取

测流前对下游河道进行查勘，在狮子滩泄洪道下游河道设立3个测流断面（主选测流断面、备选测流断面和主测流断面），设立临时水尺，并对5条支流（龙溪河沟、滩口河、无名河、魏家河和四龙杯河）的入河口进行查勘，见图1。

1.2 ADCP测流

1981年，美国工程师、发明家F.Rowe和K.Deines根据多普勒效应发明了声学多普勒流速剖面仪（ADCP）。其工作原理为：ADCP向水中发射固定频率的超声波短脉冲，这些声脉冲在碰到水中的散射体（浮游生物，泥沙粒子等）会发生散射；反射回的声波被ADCP接收，当散射体有相对运动时，其反射的声波有一定的频率偏移；从离开探查仪的粒子反射回的声波在返回时频率稍微降低，朝仪器移动的粒子返回的声波比发生声波更高，根据多普勒频率变化，经过一系列处理可以得到水流速度；而水流速度在整个河道断面上的积分就得到断面流量。与传统流速仪法相比，ADCP测流优点突出，表现在：①测量速度快，可以进行断面准同步测量。②可以体现三维流速流向情况。③能自动消除各种外界因素的影响，还具有对数据资料进行评判的能力。对测量数据质量进行鉴别，避免不合理数据参与数据处理，而影响测量数据精度。④ADCP利用声波作为传感器，不但操作方便快速，而且测量时不干扰水流，可以直接测量流速断面，能适合各种环境。

走航式ADCP测流是目前国内水文基本测验、水利水电工程测量及其他河道流量测验中普遍采用的方法，具有仪器先进、操作方便、作业快捷、成果可靠、精度较高等优势，该测流方法及其成果均得到广泛认可，成果精度满足现行水文规范要求［4］。为保证测验精度，按2次往返（单程4次）进行流量测验，各单程测验误差控制在3%～5%，取4个单程测验平均值作为本次流量值；若1次往返（单程2次）误差控制在2%以内，可以采用1次往返成果。测验中尽量保证仪器沿断面线行进，并控制船速（船速低于水流速度）；船靠近岸边行驶时，尽量避免驶入空白区域和盲区。每次流量测验后，对成果进行现场计算、分析、精度检验，判断其正确性。若发现问题，及时查找原因或复测［5］。

图1 测流断面布置

2 测流工作

2.1 测流时间点选取

2017年10月上中旬，受狮子滩坝址上游流域降雨影响，水库水位上涨。为确保水库安全，经地方防汛部门批准，水库开闸泄洪。第一次泄洪发生在 10月 5日 12∶35至 10月 6日19：00，总历时30 h 25 min，总弃水量14 192万m3，最大下泄流量1 385 m3/s，泄洪期间最高水位346.89 m。第二次泄洪发生在10月12日15∶02至10月13日01∶12，总历时10 h 10 min，总弃水量4 322.4万m3，最大泄洪流量1 280 m3/s，泄洪期间最高水位346.71 m，关闸水位346.24 m；13日01∶00狮子滩水库入库流量为555 m3/s。

在实际泄流时，距离溢洪道较近的主选测流断面水流流速过大，备选测流断面距离上硐滚水坝过近，因此，出于安全考虑，最终选定在沙嘴渡口断面进行测流。

从狮子滩水库溢流闸门到实际测流断面距离为8.5 km，中间还流经上硐电站大坝（当达到河道水流平衡后对下游测流影响很小），水流从狮子滩水库溢出进入河道，一段时间后才能达到测流断面并趋于稳定状态。考虑狮子滩大坝到下游测流断面的距离，洪水平均传播时间约0.5 h；在断面设立临时水尺，待水尺水位变化平稳后再测量断面流量；同时，狮子滩坝上和上硐电站坝上的水位数据过程达到平稳时，进行测流工作。水位过程与测量时间点过程见图2～3。

2.2 测流结果

在2017年10月5日和10月12日2次泄洪期间，为确保计算流量的准确性，除下游控制断面流量外，还对狮子滩坝下到测流断面之间的几条支沟进行了测量，支沟流量最大在6 m3/s以下，最小约为1 m3/s。主要控制断面（沙嘴码头断面）流量测量测验成果及支沟流量测验成果见表1。

除10月6日1号闸门泄流的时间点，因单孔闸门开启时间太短，可能对测量的精度有一定的影响外，其他测点都是在水位平稳时间段内施测，测得的实际流量数据具有一定代表性。

图2 2017年10月第一次测流水位过程

图3 2017年10月第二次测流水位过程

表1 主断面测流成果

狮子滩水库水位于2017年10月5日13：50全开两孔泄洪，16：00水库水位出现最高值，随着入库流量的减小，水库水位逐渐下降，闸前水头随之减小，泄洪流量也逐渐减小。从第一次泄洪过程中主断面实测流量看，测验样本流量递减，与狮子滩水库泄洪过程特性一致，测流成果合理。

3 结果分析

3.1 计算公式

参考狮子滩水库设计资料［6］，流量系数计算公式为

式中，Q为泄流流量，m3/s；ε为侧收缩系数；M为流量系数；n为泄流时的表孔孔数；b为单表孔净宽，m；H为堰上水头，m。其中，M即为需要验证的流量系数。按照设计泄流曲线中双孔全开、单孔全开的情况，分别计算M值，见表2。

表2 设计流量系数计算

基于2017年10月5日和12日泄洪期间实际测流数据，由公式（1）计算得到实际泄流系数，见表3。

在实际测流的时间范围内，坝上水位变化不大，平均水位为346.64 m，计算得到的全部流量系数平均值为2.106 5。其中，双孔开启时，平均水位346.69 m，流量系数为2.069 0；单孔开启时，平均水位346.39 m，流量系数为2.274 9。双孔全开时的流量系数相对误差为2%，单孔全开时的流量系数相对误差为6.29%。鉴于以上分析，水位在346.64 m左右时，流量系数计算值和实测值数据差别不大，2孔泄洪时误差最小，1孔较2孔误差稍微偏大。由图2可知，主要原因是受当时的泄流条件限制，1孔开启的时间太短，退水时河道流量消退慢，未在测流时段内达到平稳，但误差仍在有效范围内［7］；因此仍可采用原设计流量系数计算闸门泄流量。

表3 实测流量系数计算

3.2 设计泄流曲线数据分析

利用电站提供的坝上水位查算设计泄流曲线，得到泄流流量与下游主测流断面测流样本数据，建立了设计泄流数据与实测流量对比分析表（见表4）。同样地，当单孔开启时（第7，8次）误差为正值，当双孔开启时误差为负值，误差绝对值最大为55.1 m3/s，绝对最小值为 1.5 m3/s；相对误差最大为4.46%，最小值为0.10%。主要结论如下。

（1）在整个泄洪期间，统计两次测流全部样本绝对误差为-19.2 m3/s，平均相对误差为2.70%。

（2）双孔（1，5号）全开时，平均绝对误差为-29.4m3/s，平均相对误差为2.20%。2，4号孔全开时，平均绝对误差为-33.7m3/s，平均相对误差为2.54%。双孔开启情况下，流量平均绝对误差-30.8 m3/s，平均相对误差为2.31%。

（3）第7，8次单孔闸门开启时，流量平均绝对误差33.5 m3/s，平均相对误差4.44%。

表4 设计曲线与实测流量对比分析

3.3 泄流曲线误差对调洪计算的影响分析

影响水库调洪计算的影响因素较多，入库流量过程、坝前水位、库容曲线、泄流曲线等误差，均会改变调洪计算的结果。例如：在水库入库流量预报时，洪水预报精度和正确率不可能达到100%，现行规范规定洪峰流量的允许误差为±20%，狮子滩水库大中洪水实际预报平均精度可达90%，多年运行实践证明已完全满足水库调度需要。坝前水位1 h内观测误差以±0.01m考虑，当水库水位在346.00～347.00m时，其库容（水量）误差达±64万m3，则1 h内平均流量影响误差就达±178 m3/s，比泄流曲线的误差大。

本次对两孔闸门运行时开展了实测分析，其实际运用的泄流曲线平均最大误差-65.4 m3/s，1 h平均水量误差为-23.5万m3，当水库水位在346.00～347.00 m时，其水量误差影响水库水位为-0.004 m，影响甚微；10 h平均水量累计误差-235万m3，影响水库水位-0.04 m，影响较小。泄流曲线的误差远比预报影响误差及水位观测影响误差小，结合运行单位长期的实际应用证明，泄流曲线误差对水库调洪计算的影响较小。在实际调度运行中，运行单位的洪水预报可以达到每小时整点定时预报一次未来24～72 h流量过程，泄洪过程中也滚动开展调洪计算进行水位修正预报，预报误差随时可得到消除，实现完全可控。

但在进行洪水调度复核时，在各频率设计洪水过程、库容曲线、调洪原则等不变的情况下，由于未考虑滚动预报修正，调洪计算时的水位误差未及时得到消除，不同泄流曲线的累计误差将最终影响调洪演算结果。因此，在洪水调度复核时应该采用误差相对较小的原设计泄流曲线。

3.4 分析结果

在两次泄洪测流过程中，既考虑了区间支沟流量和发电流量，又考虑了河道的传播时间，在主断面测流得到的流量数据具有较高的可信度。在两次测量的时间段内，水库水位变化不大，第一次水位在346.50～346.55 m；第二次水位在346.65 m左右。受水库运行调度条件限制，虽然测量样本点偏少，但通过分析比较，库水位约346.50 m时，单孔泄洪流量误差极小，双孔泄洪流量误差略偏大。其中，利用原设计泄流曲线查算的泄流数据的分析中，平均相对误差约2.70%，最大相对误差为4.46%，绝对误差与相对误差均在水文测验误差范围内，原设计的泄流曲线精度较高。通过对泄流系数的比较分析，水位约346.64 m时，实测流量系数和设计流量系数两者差别不大，误差为3.1%。

利用设计泄流曲线推算电站泄流流量时，结合区间几条小支沟的计算流量与主测流断面实际采用ADCP进行测量的流量都存在微小偏差，库水位在346.89～346.39 m之间时（实测时间段内的库水位变化范围），对于设计泄流曲线，在测验水位下的双孔总泄流量平均相对误差小于3%，最大相对误差4.03%～3.89%。

经过对单孔和双孔（1号和5号组合、2号和4号组合）泄流过程施测，通过分析比较，狮子滩水库原设计泄流曲线查算值与实际测验流量之间误差较小，原设计泄流曲线具有较高精度，依据规范［6］规定，并综合考虑洪水预报、坝前水位、库容曲线等误差的影响及其长期运用较好的实际情况，对狮子滩水库原设计泄流曲线的流量系数不再修定，可以在实际调度中继续运用，其成果已通过国家电投集团重庆电力有限公司组织的专家审查与验收。

4 结语

运用走航式ADCP测流方法率定与验证水库泄流曲线，在重庆市水电行业尚属首次。人力物力投入少、效果明显，具有较好的推广价值。

受狮子滩水库的防洪对象和水库调度运用计划的限制，常遇洪水开闸泄洪时闸前水头变幅小于1 m。流量测验工作必须在狮子滩水库泄洪期开展，一方面要确保防洪安全，另一方面不能因为该项目的实施加大泄洪流量，延长泄洪时间，降低水库水位，多弃水，浪费水资源。由于狮子滩水库为多年调节水库，泄洪机会少，大洪水高水位运行工况（开启3孔以上闸门）几率小，受运行条件和客观因素的制约，不允许水库泄流太大或降低水位泄洪，导致本次流量验证时坝前水位变幅小，样本少（无其他高水和低水位下样本），分析工作的深度存在局限性。