ADCP在永慶反調節水庫閘門泄流曲線復核上的應用

曲志強，王進，關勝文

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

1 水庫簡介

永慶反調節水庫位于豐滿發電廠下游10.3 km處的松花江干流上。水庫于2002 年9 月19 日開工建設，2005 年11 月12 日投入試運行，2006 年工程竣工。永慶反調節水庫是一座以解放豐滿水電站60 MW 基荷，通過反調節水庫的均勻泄放，增加調峰容量。工程規模為中型水庫，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 個開敞式溢流孔及3 孔生態閘門。

2 流量測驗

依據GB 50179—93《河流流量測驗規范》及SL 337—2006《聲學多普勒流量測驗規范》，在閘門口采用定點測流結合下游穩定斷面走航式ADCP施測的方式，根據不同水位合理布設測次，完成流量測驗及各相關水文要素數據的收集。

2.1 測驗方法

ADCP 是目前國內監測河流、渠道等水體流量的常用設備。相比于傳統流速儀法測流，使用ADCP 開展流量測驗具有測量速度快、可以獲取流場分布、能消除各種因素導致的誤差等特點。此次泄流曲線率定是將ADCP用繩索放置閘門口處，采用定點式聲學多普勒流速儀法測流。

2.2 測次布設

通過堰流方式對閘門泄流曲線復核時，根據水位變化，從189.40 m 測至192.20 m。根據閘門開度不同，對閘門泄流曲線復核時，從192.20 m 測至堰流，閘門開度分別為0.7，1.0，1.3，1.6，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0 m。

3 測驗成果分析

水庫泄洪閘門的泄流曲線是計算泄水流量的依據，一般是由設計部門在水庫建設期提供，根據模型試驗結果或堰閘形式、流態等因素按孔流、堰流的水力學計算公式推算出閘門各開度下的泄流流量。

3.1 堰流測流成果

堰流測流采用定點式測驗方式進行，分別對低堰閘門和生態閘門進行流量測驗，水位測量范圍為189.40～192.20 m。根據水位變化情況，40 s完成一個定點測量，最終選取各個節點水位進行定線推流。

3.1.1 低堰閘門堰流測流成果

此次共完成了153 次流量測驗，從中選取22個代表性的測次對泄流關系曲線進行率定復核，得到低堰閘門定點式測流關系曲線，見圖1。

3.1.2 生態閘門堰流測流成果

此次共完成了84 次流量測驗，從中選取25 個代表性的測次對泄流關系曲線進行率定復核，得到生態閘門定點式測流關系曲線，見圖2。

圖2 生態閘門定點式測流關系曲線

3.2 檢驗方法

依據《水文資料整編規范》要求，對所有實測流量點據進行合理性分析，單次流量測驗誤差均小于2%（規范要求為小于5%）。以每個水位對應的流量關系點為實測點，將這些實測點繪在水位流量關系線圖上，過其點群中心率定一條光滑曲線，并進行定線精度檢驗和關系曲線檢驗。

3.2.1 定線精度檢驗

根據下面公式對關系線的標準差、系統誤差和隨機不確定度進行計算檢驗。

系統誤差計算方法：

式中：Se為實測點標準差；p為系統誤差；Qi為第i次實測流量（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次實測流量Qi相應的曲線上的流量，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的曲線上的校正流量（正流量因素），m3/s；n為測點總數。

隨機不確定度可按式下式計算：

式中：X′Q——置信水平為95%的隨機不確定度。

對實測的點據進行計算，系統誤差為-0.01%，隨機不確定度為7.2%。水文資料整編規范規定的精度要求見表1。

表1 水位流量關系定線精度指標

通過對照水位流量關系定線精度指標可以確定，此次單一曲線測點標準差滿足規范要求。

3.2.2 關系曲線檢驗

1）對單一曲線進行符號檢驗。分別統計測點偏離曲線的正、負號個數（偏離值為零者，作為正、負號測點各半分配），按下式計算統計量u值：

式中：k為正號或負號個數；p，q為正、負號概率，各為0.5；*為連續改正數（離散型轉換為連續型）。

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，當計算的u＜u1-α/2則認為合理，即接受假設；否則應拒絕原假設。

2）進行適線檢驗。按測點水位由低至高排列順序，從第二點開始統計偏離正負符號變換，變換符號記1，否則記0。統計記“1”的次數，按下式計算得到u值：

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

計算得出的u與給定的顯著性水平α查表得到的u1-α值作比較，當u＜u1-α則認為合理，即接受檢驗；否則應拒絕原假設。

3）進行偏離數值檢驗。按下式分別計算統計量t值、平均相對偏離值的標準差值：

式中：s為p的標準差；為測點與關系曲線的相對偏離值。

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

通過對水位流量關系曲線3 種檢驗指標的計算得出的結果如表2。

表2 閘門的3 種檢驗計算成果表

關系線3 種檢驗合理性檢查標準見表3。

表3 臨界值t1-α/2

經檢驗，系統誤差與隨機不確定度均滿足一類精度水文站要求的定線精度指標，對關系曲線的3 種檢驗均能滿足合理性要求，所以計算得到的水庫尾水位流量曲線定線合理，可用于推流。

3.3 閘門不同開啟度測流成果分析

當檢驗結果滿足上述3 種關系檢驗后，對閘門不同開啟度測流結果進行測流成果分析。泄流分為兩種情況，當泄流受到閘門控制時，從堰頂與閘門底間的孔口流出時，這種水流狀態為孔流，即控泄；當頂部閘門完全開啟時，閘門底脫離水面，閘門對水流完全不起控制作用，水流自由下泄，這種水流流態為堰流，即敞泄。

根據閘門開度不同，對閘門泄流曲線進行復核，當閘門開度與上游水位持平時，出流介于孔流與堰流臨界點。根據水庫提供的設計圖紙，當閘門開度為3.5 m 時，孔流與堰流的臨界水位為190.30 m；當閘門開度為4.0 m 時，孔流與堰流的臨界水位為190.76 m；當閘門開度為4.5 m 時，孔流與堰流的臨界水位為191.30 m；當閘門開度為5.0 m 時，孔流與堰流的臨界水位為191.87 m。經過與水庫提供的閘門開度與泄流能力關系表進行比對，見表4。測驗結果與閘門開度與泄流能力關系表數據吻合。

表4 閘門開度與泄流能力關系表 m3/s

4 水量平衡法與泄流曲線復核成果的合理性校驗

為了檢驗數據準確性，采用水量平衡法對泄流曲線進行合理性校驗。水量平衡是指任意選擇的區域（或水體），在任意時段內，其收入的水量與支出的水量之間差額必等于該時段區域（或水體）內蓄水的變化量，即水在循環過程中，從總體上說收支平衡。根據永慶反調節水庫的入庫、出庫的水量，結合水庫的庫容變化，通過在閘下使用定點式ADCP 實測的閘門泄流量進行合理性檢驗，檢驗結果見表5。

表5 水量平衡法與泄流成果

5 結語

本文使用ADCP 完成閘下流量測驗，滿足規范相關要求。使用傳統流速儀法率定泄流曲線時，需要在閘下選擇固定地點，由人工手持測深桿固定流速儀在激流條件下測量流速，再通過計算獲得流量數據。使用ADCP 在水閘下進行曲線復核，可以減少人力物力投入，同時也減少了在閘下激流條件下的人工參與，大大增強了測驗安全性，具有較高的推廣價值。