于 洋

(遼寧省鞍山市岫巖水文站，遼寧 鞍山 114300)

石佛寺水庫(kù)水位流量關(guān)系線繪制及影響精度的探析

于 洋

(遼寧省鞍山市岫巖水文站，遼寧 鞍山 114300)

文章根據(jù)石佛寺水庫(kù)的測(cè)驗(yàn)方式，確定了測(cè)驗(yàn)方法及所采取的技術(shù)措施，通過(guò)不同閘門開啟高度，繪制了壩上、壩下水位差及下泄流量的水位流量關(guān)系線，經(jīng)檢驗(yàn)，該水位流量關(guān)系線是合理的，旨在為相關(guān)工程提供科學(xué)依據(jù)。

水位差；流量；精度；石佛寺水庫(kù)

1 測(cè)驗(yàn)概況

石佛寺水庫(kù)是平原水庫(kù)，其平頂堰經(jīng)過(guò)消力池直接與下游河道相連，平頂堰與下游河道基本沒(méi)有落差，水庫(kù)功能主要以大洪水時(shí)調(diào)洪為主，平時(shí)庫(kù)區(qū)水量用上游來(lái)水量與下泄量之差來(lái)控制[1]。石佛寺水庫(kù)上游流量控制站為鐵嶺水文站，離石佛寺水庫(kù)比較遠(yuǎn)，期間還有支流匯入，所以很難準(zhǔn)確掌握上游來(lái)水量。由于石佛寺水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用，下游河道流量失去了天然河道自有規(guī)律，所以如何確定石佛寺水庫(kù)下泄量，對(duì)下游河道的水量變化尤為重要[2]。目前泄洪閘泄洪流量，根據(jù)閘門開啟方式(孔流與堰流)、閘門開啟高度以及水流形態(tài)(淹沒(méi)流和自由出流)進(jìn)行推算。由于平板閘門平頂堰與下游河道無(wú)明顯落差，使得水流形態(tài)非常復(fù)雜，處于半淹沒(méi)半自由出流形態(tài)，所以很難確定計(jì)算公式中的各種參數(shù)，導(dǎo)致推算流量出現(xiàn)很大偏差。因此，率定出一組泄流曲線、泄水建筑物流量系數(shù)來(lái)準(zhǔn)確推算出水庫(kù)下泄流量，顯得尤為重要[3]。

2 工作內(nèi)容

本次測(cè)驗(yàn)工作主要內(nèi)容包括：在遼河石佛寺水庫(kù)下游200m處建立的臨時(shí)測(cè)驗(yàn)斷面，開展為期3a的測(cè)流時(shí)段的壩上、壩下水位觀測(cè)，采用ADCP進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。

3 測(cè)驗(yàn)方式

本次率定方案原則是，設(shè)立測(cè)流斷面，開展定點(diǎn)流量測(cè)驗(yàn)，水位觀測(cè)自記和人工觀測(cè)相結(jié)合，分析并建立壩上、壩下水位差-閘門開度-下泄流量關(guān)系曲線及壩下斷面水位-流量關(guān)系曲線，率定泄水建筑物流量系數(shù)。

水庫(kù)下泄流量或來(lái)水量在800m3/s以下時(shí)，在閘下流量測(cè)驗(yàn)斷面架設(shè)低索，用ADCP施測(cè)流量。流量>800m3/s時(shí)，由于低索架設(shè)高度有限，用其他方法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。

4 測(cè)驗(yàn)方法及技術(shù)措施

4.1 技術(shù)思路

考慮到水庫(kù)泄流設(shè)備運(yùn)行頻率、自身狀況及河流測(cè)流條件等因素[3]，在閘門下游200m處布設(shè)測(cè)流斷面，對(duì)閘門泄流量進(jìn)行實(shí)測(cè)[4]。利用閘門上下游水位落差-閘門開啟高度-下泄流量關(guān)系曲線，推算出淹沒(méi)孔流流量系數(shù)，建立閘門上下游水位落差-閘門開啟高度-淹沒(méi)孔流流量系數(shù)關(guān)系曲線，確定計(jì)算淹沒(méi)孔流流量系數(shù)的計(jì)算公式，用來(lái)推算閘門下泄流量。

4.2 項(xiàng)目?jī)?nèi)容

4.2.1 布設(shè)水尺

1)在石佛寺水庫(kù)壩上遠(yuǎn)離閘門水流平穩(wěn)處布設(shè)2根人工觀讀水尺，在閘門下游250m處布設(shè)2根人工觀讀水尺。

為了防止水流沖刷水尺造成水尺傾覆，每根水尺用水泥灌注水尺樁(水泥柱)，建成永久性的人工觀測(cè)水尺。水泥柱高4m，水泥灌注至水泥柱1.5m處。

2)為了便于觀測(cè)水尺水位，在通往水尺斷面處鋪設(shè)道路，總路程達(dá)40m。

3)為了計(jì)算出閘門上下游水位，引測(cè)了水尺零點(diǎn)高程，總路程達(dá)5km。

4.2.2 架設(shè)低索

在閘門下游200m處選擇流量測(cè)驗(yàn)斷面，為了便于用聲學(xué)多普勒流速剖面議(ADCP)進(jìn)行閘門下泄流量測(cè)驗(yàn)，兩岸埋設(shè)架桿各一根，架桿高4m，埋入2m，在架桿上固定直徑6mm鋼絲繩，用尼龍繩帶動(dòng)鋼絲繩上的滑輪，兩岸各3人回拉動(dòng)ADCP進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。

由于測(cè)驗(yàn)斷面比較寬，河面寬達(dá)到240 m，在架桿上固定鋼絲繩和尼龍繩時(shí)，首先固定一頭鋼絲繩，用橡皮船把鋼絲繩從河里運(yùn)到對(duì)岸，再固定另一頭，然后人工用絞磨拉緊鋼絲繩。再次用橡皮船把尼龍繩運(yùn)到對(duì)岸，在尼龍繩上固定小滑輪。

4.2.3 建立壩上、壩下水位差-閘門開度-下泄流量關(guān)系曲線

1) 利用架設(shè)的低索，流量<800m3/s時(shí)，來(lái)回拉動(dòng)ADCP進(jìn)行下泄流量測(cè)驗(yàn)。由于架設(shè)低索條件有限，流量>800m3/s時(shí)，用機(jī)船帶動(dòng)ADCP進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。選擇不同壩上水位，不同閘門開啟高度，不同閘門開啟孔數(shù)，以便在相同閘門開啟高度情況下，得到不同壩上、壩下水位差。閘門開啟高度、開啟孔數(shù)固定后，要進(jìn)行4次流量測(cè)驗(yàn)，所測(cè)流量相對(duì)誤差比較大時(shí)，還要增加測(cè)驗(yàn)次數(shù)，選擇比較接近的流量，進(jìn)行平均后得到相應(yīng)的流量。

2) 根據(jù)不同閘門開啟高度及不同壩上、壩下水位差對(duì)應(yīng)的下泄流量，選配不同關(guān)系曲線(見(jiàn)圖1)，進(jìn)行誤差和精度評(píng)定，推算出對(duì)應(yīng)的下泄流量關(guān)系表。

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)閘門開啟高度，閘上、閘下水位差，在相應(yīng)關(guān)系曲線上查得閘門下泄流量，或者利用下泄流量關(guān)系表查得閘門下泄流量。壩上、壩下水位差-閘門開啟高度-下泄流量關(guān)系曲線檢驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 曲線檢驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算

圖1 壩上、壩下水位差對(duì)應(yīng)的下泄流量

4.2.4 率定泄水建筑物流量系數(shù)

利用所建立壩上、壩下水位差-閘門開度-下泄流量關(guān)系曲線，用淹沒(méi)孔流流量計(jì)算公式：

(1)

式中：μ為淹沒(méi)孔流流量系數(shù)；e為閘門開啟高度；b為閘門寬度；⊿Z為壩上、壩下水位差

計(jì)算出閘門開啟高度對(duì)應(yīng)的淹沒(méi)孔流流量系數(shù)μ，建立淹沒(méi)孔流e/⊿Z-e-μ關(guān)系曲線，建立淹沒(méi)孔流e/⊿Z-e-μ關(guān)系曲線表(表略)，建立閘門開啟高度對(duì)應(yīng)的關(guān)于淹沒(méi)孔流流量系數(shù)μ、閘門開啟高度e與壩上、壩下水位差⊿Z之比即μ-e/⊿Z計(jì)算公式[4]。其中，閘門開啟高度0.20-0.50、1.00、1.50、2.00、2.50、3.00、3.50為實(shí)測(cè)值定線而得，其它為內(nèi)插所得。

在實(shí)際應(yīng)用中，利用淹沒(méi)孔流e/⊿Z-e-μ關(guān)系曲線或者淹沒(méi)孔流e/⊿Z-e-μ關(guān)系曲線表查得淹沒(méi)孔流流量系數(shù)μ，或者利用計(jì)算公式算得淹沒(méi)孔流流量系數(shù)μ，再根據(jù)閘門開啟高度e、閘門寬度b及壩上壩下水位差⊿Z，利用淹沒(méi)孔流流量計(jì)算公式計(jì)算出閘門下泄流量[4]。

4.3 測(cè)驗(yàn)方法

流量測(cè)驗(yàn)采用ADCP對(duì)閘門下泄流量進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。

5 定線、定線精度及影響精度的分析

根據(jù)石佛寺水庫(kù)目前運(yùn)行的最高水位及平水期所保證的水庫(kù)水位，共施測(cè)8種不同閘門開啟高度的流量組，建立8組關(guān)系曲線，各組曲線上的流量為單孔泄流量。由于條件所限，缺少大洪水期間的實(shí)測(cè)流量，即壩上、壩下水位差較小的部分，根據(jù)其它實(shí)測(cè)點(diǎn)做了相應(yīng)的延長(zhǎng)[4]。對(duì)所定關(guān)系曲線進(jìn)行了3種檢驗(yàn)，即符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，檢驗(yàn)結(jié)果均合理，標(biāo)準(zhǔn)差范圍為0.3%-1.5%。

由于石佛寺水庫(kù)閘門至下游測(cè)驗(yàn)斷面，縱比降比較小，利用水工建筑物孔流計(jì)算公式推算下泄流量時(shí)，水流形態(tài)處于半淹沒(méi)、半自由出流狀態(tài)，因此采用淹沒(méi)孔流計(jì)算公式[5]。根據(jù)所建立壩上、壩下水位差-閘門開度-下泄流量關(guān)系曲線，反推淹沒(méi)孔流流量系數(shù)，建立淹沒(méi)孔流e/⊿Z-e-μ關(guān)系曲線，對(duì)所定關(guān)系曲線進(jìn)行了3種檢驗(yàn)，即符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，檢驗(yàn)結(jié)果均合理，標(biāo)準(zhǔn)差范圍為0.3%-3.5%。推導(dǎo)出閘門開啟高度e對(duì)應(yīng)的關(guān)于e/⊿Z的淹沒(méi)孔流流量系數(shù)關(guān)系式。

6 結(jié)論與建議

由于天然來(lái)水、水庫(kù)調(diào)度及水庫(kù)運(yùn)行所限，不能實(shí)測(cè)太多的實(shí)測(cè)流量，故采用綜合定線的方法，精度能滿足水文資料整編精度要求。

[1]周林飛,周乃恒,張靜.石佛寺水庫(kù)歷史洪水過(guò)程數(shù)值模擬與分析[J].水電能源科學(xué)，2016 (09)：56-60.

[2]王猛.石佛寺水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)及其實(shí)時(shí)修正方法研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.

[3]姜灝.石佛寺水庫(kù)人工濕地生態(tài)水位研究[J].水利建設(shè)與管理，2016(04)：42-45，8

[4]許學(xué)嬌.石佛寺水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)探討[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2016(03)：93-95.

[5]梁文章,韓永升,孫強(qiáng).石佛寺水庫(kù)綜合利用規(guī)劃與生態(tài)水庫(kù)建設(shè)初探[J].水利建設(shè)與管理，2010(04)：79-80.

DrawingofShifosiReservoirWaterLevelandflowRelationCurveandAnalysisonEffectAccuracy

YU Yang

(Anshan Urban Xiuyan Hydrological Station Liaoning Province，Anshan 114300，China)

According to the test style of the Shifosi reservoir，the test method and technical measures were determined，based on the lift heights of various gates，drawing out the water level difference of the dam up and down and the water level and flow relationship curve of discharging. The water level and flow relationship curve is reasonable，aiming to provide scientific accordance for correlative projects.

hydraulic head；flow；accuracy；Shifosi Reservoir

1007-7596(2017)10-0062-02

TV124

B

2017-09-24

于洋(1984-),男,遼寧鞍山人,工程師,從事水文測(cè)驗(yàn)整編工作。