白石水库尾水渠水位-流量关系曲线率定与分析

高 峰

（辽宁江海水利工程有限公司，辽宁 沈阳 110003）

根据实测水位在水位-流量关系曲线上得出相应流量是水库计算下泄流量重要的手段之一。尤其是在汛期，往往时间紧，流量大，通过常规方法测流具有非常大的难度和危险性，所以水位-流量关系曲线对于水库来说是非常实用和重要的工具，为保证水位-流量关系曲线的准确性，对水位-流量关系曲线的率定是十分紧迫和必要的。以白石水库尾水渠水位-流量关系曲线率定为研究背景，在下泄渠道内低、中、高水位下采用不同的流量测验方法进行流量率定，通过分析与研究，最终得到适合白石水库尾水渠的水位-流量关系曲线，从而为今后的相关工作提供可靠的技术支持和宝贵经验。

1 系统概况

白石水库位于辽宁省北票市上园镇大凌河干流上，是大凌河干流上唯一的大 I 型控制性骨干工程。大坝及枢纽主要建筑物为 1 级建筑物，洪水重现期按 500 年一遇洪水设计，5 000 年一遇洪水校洪。白石水库于 1996 年 9 月开工，1999 年 9 月下闸蓄水，2000 年底完工。

白石水库总库容为 16.45 亿 m3，兴利库容为8.70 亿 m3。大坝为碾压混凝土重力坝（RCD），坝顶高程为 134.3 m，最大坝高为 49.3 m，坝顶长为513 m，坝体分为 32 个坝段，编号为 0～31# 坝段。设置 11 个溢流表孔，12 个泄洪排沙底孔，二级城市取水管，3 条引水发电压力钢管，坝后地面式电站厂房[1]。

经过实地测量，白石水库尾水渠实测断面成果表如表 1 所示，白石水库尾水渠断面图如图 1 所示。

表 1 白石水库尾水渠实测断面成果表 m

图 1 白石水库尾水渠断面图

2 计算公式选取与理论计算

根据白石水库尾水渠横断面测量数据，计算断面理论流量，绘制水位-流量关系理论曲线[2]，流量计算公式如下：

式中：Q为渠道设计流量；v为渠道平均流速；A为渠道过水断面积；C为谢才系数；R为水力半径；I为渠底比降，通过实地测量数据计算，I= 0.001 5；n为渠道糙率系数，根据渠道糙率n值的取值范围，并结合渠道的实际护坡情况，取n= 0.016；b为底宽；m为边坡系数，通过实地测量数据计算，m= 1.7；h为水深；X为湿周。

白石水库尾水渠在不同水位情况下的理论流量计算成果如表 2 所示，根据计算成果绘制水位-流量关系曲线如图 2 所示。

图 2 白石水库尾水渠水位-流量关系曲线图

3 测流方法的选择

目前水文行业进行河道流量测验通常采用的方法有流速仪法，浮标法、声学时差法、声学多普勒法，以及雷达、图像等非接触式测流多种方法，虽然声学时差法、声学多普勒法等具有实时性好，测流精度较高的优点，但测流装备资金投入大，本研究中暂未安装相关设备，所以为了证实图 2 水位-流量关系曲线的合理性，利用实测值对其进行验证，所选取的测流方法为浮标法、流速仪法。

表 2 白石水库尾水渠计算成果表

验证实测值通常选用 1 种方式获取，但本工程测流存在一定的特殊性。根据白石水库电厂尾水渠道测流断面情况，电站尾水渠出口距离断面较近，选用单一方法难以满足所有的测量要求，因此在低、中、高水位分别选用不同的方式进行流量测量。

浮标法是用于水文测验技术最成熟的方法之一，不过就历史数据分析，在低、中水位下测得的数据精度方面相对于流速仪法还是稍显逊色。由于测量中发现低水位下水深小于流速仪仪器高，所以低水位下只能选择浮标法进行测流；中水位则选用流速仪法进行测流；由于测量中发现在高水位时水量大、流速快、渠底湿滑，为了保证测量人员的人身安全，放弃流速仪测流法，高水位采用浮标法进行流量测验。

3.1 浮标法测流

浮标测流法，以流速仪测流断面为起点与流速仪断面呈垂直向上游量取 50 m 做浮标上断面，且保证 50 m 的河道顺直、无弯曲。在浮标上断面的上游（约 50 m）工作桥上投放浮标，经测得渠道上顶宽为 25 m，下底宽为 10 m，根据浮标测流经验，把河道平均分成 11 份，每轮依次投放 10 个浮标，为最大程度降低浮标受风、浪及漂浮物阻塞等因素影响，投放每个浮标时都尽量选择无风或微风的时候，并时刻观察水面的情况，以保证每个浮标的有效性和准确性。浮标测流示意图如图 3 所示。

图 3 浮标测流示意图

投放测流前，时刻保持工作桥投放、浮标上断面计时及测流断面信号终止等人员（以下简称三人员）的通信畅通和同步。投放前三人员统一信号，并由浮标上断面计时人员发出投放信号，投放后三人员时刻观察并互相描述浮标在水中的位置及状态直至结束；当浮标到达浮标上断面时，计时人员开始计时，浮标到达下断面（流速仪测流断面）时，信号终止人员通过同步信号，通知计时人员终止信号计时结束，计时人员记录该点通过浮标上断面和测流断面之间的所用时间，记录后开始投放下个浮标，待 10 个浮标全部记录完毕后，统一计算每个测点浮标流速[3]，再经过浮标流量计算，从而得出该水位下断面流量。由于白石水库尾水渠道测量断面形状稳定，所以计算时浮标系数采用经验系数（0.85～0.89），测得水位-流量关系曲线与理论曲线合绘精度满足要求。浮标测流法测量数据如表 3 所示，因要率定图 2 中水位-流量关系曲线，表中理论流量通过该曲线查得，不再进行单独计算。

表 3 各方法实测流量及误差成果表

3.2 流速仪法测流

流速仪法主要是用流速仪实测断面上一系列测点流速，并施测断面面积，推求断面流量的一种方法，是江河流量测验应用最为普遍，被认为精度较高、测量成果较可靠的一种流量测验方法，其测量成果可作为率定或校测其他测流方法的标准。在使用该方法前，需要提前准备一系列工作，如测深、测速、河道断面测量、设备检查、观测水位、观测比降等。

根据本研究中的实际情况，分别在水尺读数为0.32，0.52，0.57 m 时测流。由于水深相对较浅，测流时选用 6 条测速垂线，每条测速垂线上采用一点法（系数为 0.5）进行信号采集，为消除流速脉动产生的误差，保证涉水人员安全的同时尽量增加测速历时。信号采集后得出相应流速再经过流量计算，得出部分流量，累加得出整个断面流量。流速仪测流法测速垂线分布示意图如图 4 所示，流速仪测流法测量数据如表 3 所示。

图 4 流速仪测流法测速垂线分布示意图

根据不同水位采用不同方法进行流量测验 11 次，把所有实测水位、流量绘制在理论关系曲线图上，得到白石水库尾水渠水位-流量关系曲线理论、实测对比图如图 5 所示。

图 5 白石水库尾水渠水位-流量关系曲线理论、实测对比图

4 结论

通过各水位下测流分析得到的结果如下：

1）经过分析比较，浮标法和流速仪法均适用于本研究中其对应水位，其测得的数据成果精度可靠，低、中、高水位时，点据均在允许误差范围之内[4]，能够消除实测流量过程中产生的随机误差，并且能与理论曲线相符合。

2）经过实测数据率定和验证，所绘制的白石水库尾水渠水位-流量理论关系曲线采用的参数和理论公式准确、合理[5]，可在白石水库今后的实际工作中应用。

3）为提高自动化程度，将在测流断面安装高精度自动水位监测设备，以实时获得下泄流量。

综上所述，由于受白石水库尾水渠泄流特点、测流仪器客观条件、人员安全等因素影响，经过不同测流方法的特点分析比较、多次测量及实测数据与理论曲线的对比分析，最终采用流速仪法和浮标法进行白石水库尾水渠流量测验及水位-流量关系曲线率定：在低水位和高水位时，采用浮标法进行流量测验；在中水位时，采用流速仪法进行流量测验，同时由于仪器的适应性相同，因此在类似窄、浅河道中可以参考在低水位和高水位下采用浮标法，在中水位下采用流速仪法的测流方式。另外，选定的实测方法测得的流量值与理论曲线吻合度高[6]，证实该曲线合理，拥有可靠性和实用性，最终可作为白石水库尾水渠水位-流量关系曲线应用，为今后的相关工作提供了宝贵的技术支持，同时为同类型水库的尾水渠计算下泄流量提供宝贵的经验。