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        基于H-ADCP的水庫入庫流量測驗的實踐

        2017-11-29 17:00:44劉國富呂仲成陳海榮
        水電站機電技術(shù) 2017年11期

        劉國富,呂仲成,陳海榮

        (國網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠,浙江 麗水 323000)

        基于H-ADCP的水庫入庫流量測驗的實踐

        劉國富,呂仲成,陳海榮

        (國網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠,浙江 麗水 323000)

        2000年以來,緊水灘流域內(nèi)新建大量小水庫,小水庫調(diào)蓄改變緊水灘流域原有產(chǎn)匯流規(guī)律,在2005年又新建兩座中型水庫以后,影響特別明顯。特別是在緊水灘上游甌江干流上臨江電站建設(shè),破壞緊水灘水庫入庫控制站龍泉水文站原有較穩(wěn)定的水位流量關(guān)系,致使龍泉水文站在低水部分(192 m以下)處于臨江電站正常蓄水位以下,水位的漲落無法正確反映緊水灘入庫流量的變化。本文通過探索應(yīng)用H-ADCP超聲波測流技術(shù),實現(xiàn)實時在線測流,并建立以降水分布為參數(shù)的緊水灘入庫流量與入庫控制斷面流量相關(guān)關(guān)系,成功解決水庫入庫控制斷面測流的難題,取得較好的效果。

        超聲波測流;控制斷面;入庫流量

        0 前言

        緊水灘流域內(nèi)小水庫林立,中小水庫70余座,總庫容1億m3,小水電調(diào)蓄改變緊水灘流域原有產(chǎn)匯流規(guī)律,在2005年新建兩座中型水庫以后,影響特別明顯,而且在緊水灘水庫上游63km處的甌江干流上,修建具有城區(qū)景觀功能的龍泉臨江電站后,由于臨江電站的攔蓄,破壞緊水灘水庫入庫控制站龍泉水文站原有較穩(wěn)定的水位流量關(guān)系,影響緊水灘水庫洪水預(yù)報的精度,對水庫的防洪度汛和興利調(diào)度產(chǎn)生不利影響。為解決存在的問題,嘗試在緊水灘水庫上游龍泉水文站,應(yīng)用H-ADCP實現(xiàn)流量實時在線監(jiān)測并取得成功,為解決同類問題提供借鑒經(jīng)驗。

        1 概述

        緊水灘水庫位于浙江省云和縣境內(nèi),在甌江上游大溪支流龍泉溪上,是一座以發(fā)電為主,兼顧航運、過木、防洪等綜合利用的不完全年調(diào)節(jié)水庫,壩址控制集水面積2 761 km2,占甌江流域總面積的15.4%,多年平均流量100 m3/s,多年平均徑流量31.5億m3。緊水灘水庫總庫容13.93億m3,正常蓄水位184 m,相應(yīng)庫容10.4億m3,死水位164 m,相應(yīng)庫容4.87億m3,有效庫容5.53億m3。大壩主體工程于1981年開工興建,1986年下閘蓄水,電站于1987年第一臺機組投入發(fā)電,1988年6臺機組全部投產(chǎn),目前總裝機容量305 MW(5×50 MW+55 MW),保證出力30.3 MW,設(shè)計年發(fā)電量4.9億kW·h,屬純調(diào)峰電站。

        龍泉水文站位于距緊水灘水庫壩址上游約66 km的龍泉縣城,主要觀測項目有降水量、水位、流量、泥沙等,是緊水灘水庫入庫控制斷面流量控制站,集水面積1 459 km2,占緊水灘流域面積的52.8%。龍泉市城市在不削弱城區(qū)防洪安全的前提下,為改善城市景觀,在縣城下游約3 km處建造臨江電站,壩體為三跨充水式橡膠壩,單向擋水,壩長220 m,分三跨,壩高4.5 m,正常蓄水位192.0 m,上游集水面積1 459.5 km2。電站總庫容180萬m3,設(shè)計水頭4.75 m,發(fā)電廠房為河床式地面廠房,裝機容量3×630 kW,年發(fā)電量634萬kW·h。工程于2001年11月開工,2004年10月并網(wǎng)發(fā)電運行。

        由于臨江電站的建設(shè),破壞緊水灘水庫入庫控制站龍泉水文站原有較穩(wěn)定的水位流量關(guān)系,致使龍泉水文站在低水部分(192 m以下)處于臨江電站正常蓄水位以下,水位的漲落無法正確反映緊水灘入庫流量的變化。而且,通過臨江電站的調(diào)蓄作用和橡膠壩的充放水,造成緊水灘水庫洪水洪峰出現(xiàn)時間1~3 h的改變和洪峰流量0~200 m3/s的增減,影響緊水灘水庫大壩的防汛安全。

        2 H-ADCP工作原理

        H-ADCP是水平式聲學多普勒流速剖面儀的英文縮寫,它是根據(jù)聲波頻率在聲源移向觀察者時變高、遠離觀察者時變低的多普勒頻移原理測量水體流速的,每個換能器既是發(fā)射器又是接收器。換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波,然后聆聽被水中顆粒物散射回來的聲波。假定顆粒物的運動速度與水體流速相同,當顆粒物的運動方向接近換能器時,換能器聆聽到的回波頻率比發(fā)射波頻率高;當顆粒物的運動方向背離換能器時,換能器聆聽到的回波頻率比發(fā)射波頻率低。聲學多普靳頻移,即回波頻率與發(fā)射波頻率之差,由下式確定:

        fd=2 fδ(v/c)

        式中:fd——聲學多普勒頻移,kHz;

        fδ——回波頻率,kHz;

        v——顆粒物沿聲束方向的移動速度,m/s;c——聲波在水中的傳播速度,m/s。

        H-ADCP是采用指標流速法進行水道斷面流量監(jiān)測的。指標流速法是由局部流速(如單點流速、垂線平均流速或水平平均流速等)推算斷面平均流速。為了得到斷面平均流速與指標流速的關(guān)系,需測出不同水位下的流量和斷面面積,從而得到斷面平均流速數(shù)據(jù),再對數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析,即可以得到它們的相關(guān)關(guān)系。其關(guān)系的一般形式為:

        V=f(Vsl)

        式中:V——斷面平均流速,m/s;

        Vsl——指標流速,m/s。

        3 H-ADCP測流技術(shù)在緊水灘的應(yīng)用

        3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        緊水灘水庫入庫控制斷面測流設(shè)備由水平聲學多普勒流速剖面儀(H-ADCP)、細井式水位計,人工觀測水尺,智能遙測終端設(shè)備RTU、電源防雷器、信號防雷器、太陽能蓄電池供電系統(tǒng)、GPRS遠傳系統(tǒng)、中心站數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和流量系統(tǒng)軟件等組成。

        H-ADCP實時在線監(jiān)測流量,RTU采集H-ADCP流速、水位(浮子水位計數(shù)據(jù)接入)、水溫等水情數(shù)據(jù)以及電壓、姿態(tài)等工況數(shù)據(jù),分析計算出實時的斷面平均流速、斷面過水面積、過水流量等,并將以上所有實測監(jiān)測數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)通過GPRS遠傳系統(tǒng)傳輸?shù)街行姆?wù)器中,中心站將采集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析、處理后形成各種報表供查詢、打印和發(fā)布;同時動態(tài)顯示監(jiān)測斷面的實時流量和累計流量;可以中心服務(wù)器進行數(shù)據(jù)查詢和分析。

        3.2 設(shè)備安裝

        3.2.1 流量測驗設(shè)備

        流量測驗設(shè)備包括水平H-ADCP儀器、行車及滑道支架、RTU、太陽能供電系統(tǒng)(40 W太陽能板和太陽能充電控制器、蓄電池)、GPRS模塊、信號防雷器、電源防雷器等。

        H-ADCP儀器行車及滑道支架設(shè)備安裝;滑道支架釆用膨脹螺栓固定在混凝土預(yù)制安裝墻上,H-ADCP儀器行車從滑道支架上部裝入滑道支架中,上部用不銹鋼鋼絲繩連接,采用手動絞車牽引上下移動定位鎖緊。

        H-ADCP儀器固定安裝在H-ADCP儀器行車上,正常水位下約0.6 m。數(shù)據(jù)線穿軟保護管,依附滑道支架固定升至機房內(nèi)儀器機箱,與相關(guān)設(shè)備連接進入系統(tǒng)運行。與系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備(太陽能充電控制器、蓄電池、GPRS模塊、信號防雷器、電源防雷器等)均固定安裝在儀器機箱內(nèi)。

        3.2.2 水位觀測設(shè)備

        水位觀測設(shè)備包括細井式水位計、水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、人工觀測校核水尺。由于水文站原遙測系統(tǒng)已有水位計,只需增加一只水位分路器,從原系統(tǒng)中接入水位信號,經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后,接入RTU。

        3.2.3 中心站設(shè)備

        測流中心站主要設(shè)備有數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、中心站接收模塊、專用流量監(jiān)測軟件。數(shù)據(jù)服務(wù)器采用Windows 2008 server中文企業(yè)版操作系統(tǒng)和SQL server 2005數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、存儲等功能。

        3.3 H-ADCP測流分析

        3.3.1 測驗參數(shù)率定

        測驗設(shè)備采用走航式ADCP在聲波發(fā)射垂直斷面上,來回慢速測驗斷面網(wǎng)狀測點的流速以及河道斷面的形狀、面積、流量等,經(jīng)專用軟件轉(zhuǎn)換為H-ADCP儀器的內(nèi)置參數(shù),實現(xiàn)H-ADCP儀器實時監(jiān)測數(shù)據(jù),并計算出實時斷面平均流量。

        3.3.2 比測方案

        流量比測采用常規(guī)流速儀法測驗的流量與H-ADCP測流進行誤差分析并率定其關(guān)系。根據(jù)緊水灘入庫控制斷面龍泉水文站高、中、低水位變幅和流速大小的水流特性,選擇合適時機同步進行H-ADCP和常規(guī)的纜道流速儀法流量測驗,并以纜道流速儀法為標準進行相關(guān)分析。

        3.3.3 流量比測分析

        根據(jù)2013年到2014年在龍泉水文站進行高、中、低水比測,H-ADCP測流與纜道法測流相關(guān)關(guān)系(見圖1),符合《水文資料整編規(guī)范》的規(guī)定。

        圖1緊水灘入庫控制斷面H-ADCP測流與纜道法測流相關(guān)圖

        3.3.4 洪水期最大日平均流量分析

        以緊水灘水庫2015年實測洪水的最大日平均流量和龍泉H-ADCP測流最大日平均流量結(jié)果進行分析。緊水灘水庫流量與龍泉測流流量平均倍比為2.615,并且與龍泉站上游、下游降水分布有較明顯相關(guān)關(guān)系,如20150611和20150809號洪水,龍泉下游降水偏大,倍比系數(shù)偏大。緊水灘水庫與龍泉測流最大日平均流量及累計降水量分布見表1。

        3.3.5 洪峰流量分析

        通過對緊水灘水庫實測洪峰流量與測流洪峰流量進行對比分析,發(fā)現(xiàn)實測洪峰流量與測流洪峰流量倍比最小為1.99倍,最大為3.89倍,平均為2.683倍。而且倍比數(shù)據(jù)的大小與流域上下游主時段降水量分布有較強的因果關(guān)系,當下游降水偏少明顯時,倍比值也偏小,如20150605號洪水。上下游降水差值與緊水灘入庫流量/測流流量倍比關(guān)系見圖2。

        3.3.6 時段洪水過程分析

        通過對20150516號洪水過程分析,將測流流量放大2.683倍作為洪水預(yù)報流量,與緊水灘實際入庫流量進行對比分析,發(fā)現(xiàn)修正后的測流流量與實際入庫流量過程一致性較好,洪峰流量相對誤差1.35%,洪量相對誤差5.14%,峰現(xiàn)時間誤差為0。5月16日緊水灘預(yù)報流量與實測入庫流量過程見圖3。

        表1緊水灘水庫與龍泉測流最大日平均流量及累計降水量分布表

        圖2上下游降水差值與緊水灘入庫流量/測流流量倍比相關(guān)圖

        圖3 5月16日緊水灘預(yù)報流量與實測入庫流量過程線

        4 結(jié)語

        通過H-ADCP超聲波測流技術(shù)在緊水灘水庫入庫控制斷面的應(yīng)用,實現(xiàn)入庫控制斷面流量的實時在線監(jiān)測,解決了由于龍泉臨江電站建設(shè)破壞龍泉站低水部分水位流量的問題,并建立以龍泉站上下游降水分布為參數(shù)的緊水灘入庫流量與龍泉測流流量相關(guān)關(guān)系,快速預(yù)報緊水灘水庫入庫流量,預(yù)報精度滿足規(guī)范要求。

        緊水灘入庫控制斷面控制集水面積只占緊水灘流域面積的52.8%,如果將H-ADCP超聲波測流方法推廣到其他集水面積較大的支流,實現(xiàn)實時在線測流,將極大提高測流的時效性和自動化,為緊水灘水庫洪水預(yù)報精度的提高創(chuàng)造有利條件,充分發(fā)揮甌江龍頭水庫的攔蓄和調(diào)洪作用,更好的為下游城市的防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)。

        [1]浙江省甌江緊水灘水電站運行設(shè)計報告[R].電力工業(yè)部華東勘測設(shè)計研究院,1980.

        [2]SL337—2006聲學多普勒流量測驗規(guī)范[S].

        [3]GB 50179—93河流流量測驗規(guī)范[S].

        [4]SL247—2012水文資料整編規(guī)范[S].

        [5]丘蔚天,孫鋒.H-ADCP在山溪性河流水文站流量測驗中的應(yīng)用研究[J].人民珠江,2015(4).

        TV697

        B

        1672-5387(2017)11-0050-03

        10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.019

        2017-08-25

        劉國富(1977-),男,高級工程師,從事水電站水庫調(diào)度及水調(diào)自動化管理。

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