， ，，

(長江水利委員會(huì)水文局 長江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北 宜昌 443000)

圣加旺(San Gabán)Ⅲ級(jí)水電站為圣加旺河干流4級(jí)開發(fā)方案的最下游一級(jí)，位于秘魯東南部卡拉瓦亞省圣加旺河右岸，壩址上距圣加旺2級(jí)水電站壩址約10 km，下距圣加旺河口約46 km。

圣加旺河發(fā)源于克納馬里(Quenamari)高原，流域總面積3 418 km2，其中2 437 km2在海拔4 000 m以上，屬高山荒原。河流總長135 km, 海拔較高段的坡度較小，海拔4 000 m以上水流湍急，海拔降至1 000 m后坡度再次變小，該河最終在海拔440 m處匯入伊南巴里(Inambari)河。圣加旺Ⅲ級(jí)水電站位于圣加旺河流域下游，控制流域面積2 774 km2，河長89.49 km，平均比降38‰。

1 測(cè)驗(yàn)斷面布置

1.1 站址布置

壩址站位于圣加旺Ⅲ級(jí)水電站壩址施工區(qū)下游100 m，該站右岸設(shè)立了自記水位計(jì)，站下游200 m為圣加旺Ⅲ級(jí)水電站尾水出口。河段上游200 m至下游100 m河勢(shì)較緩；斷面左岸為亂石灘，右岸為陡崖。河段為寬淺河床，低水水面寬20 m，高水水面寬約50 m，河床由砂石組成。壩址站附近河段河勢(shì)見圖1。

圖1 壩址站附近河段河勢(shì)

廠房站位于圣加旺Ⅲ級(jí)水電站廠房施工區(qū)下游1 100 m，廠房施工區(qū)右岸設(shè)立了自記水位計(jì)，廠房站采用人工水位觀測(cè)；站上游300 m有彎道，下游河段較為平緩開闊，斷面位于過河橋下，方便施測(cè)。斷面左右岸均為水泥護(hù)坡，橫斷面為“U”型，水面寬約50 m，河床由亂石組成。廠房站附近河段河勢(shì)見圖2。

圖2 廠房站附近河段河勢(shì)

1.2 測(cè)驗(yàn)斷面

壩址站、廠房站從2017年11月至2018年5月利用過河纜道、走航式ADCP、電波流速儀等設(shè)備對(duì)2個(gè)斷面分別進(jìn)行了27次流量測(cè)驗(yàn)以及2次大斷面測(cè)驗(yàn)。測(cè)次可滿足推求斷面水位流量關(guān)系，準(zhǔn)確計(jì)算測(cè)驗(yàn)時(shí)段水量和各特征值。一般高中洪水按繩套線型布置測(cè)次，汛期測(cè)次適當(dāng)增加，枯期以大約每周一次測(cè)次均勻布置。

壩址站斷面(見圖3)采用拖船式ADCP配套GPS定位進(jìn)行可走航式常規(guī)流量測(cè)驗(yàn)，測(cè)驗(yàn)時(shí)利用擴(kuò)頻無線電臺(tái)與計(jì)算機(jī)通信，所有ADCP采集數(shù)據(jù)、GPS定位數(shù)據(jù)等均通過無線電臺(tái)傳至計(jì)算機(jī)，人在岸邊不與水接觸，只需拖拽過河纜道即可完成ADCP走航測(cè)驗(yàn)。通過多次測(cè)驗(yàn)，壩址站斷面較為穩(wěn)定，見圖3。

圖3 壩址站斷面

廠房站斷面(見圖4)選取在橋下，由卵石組成，河床穩(wěn)定，因此采用電波流速儀在固定起點(diǎn)距測(cè)驗(yàn)流速?？紤]到水位變化，固定測(cè)流起點(diǎn)距的選取在各個(gè)水位級(jí)均能正常施測(cè)，并兼顧中泓和水邊，保證施測(cè)點(diǎn)能完全代表斷面流速分布。

圖4 廠房站斷面

2 測(cè)驗(yàn)儀器的選擇及性能分析

根據(jù)壩址、廠房站不同河段條件，需選擇合適的測(cè)流儀器。通過查勘，壩址站利用現(xiàn)有條件架設(shè)過河纜道，測(cè)驗(yàn)方式采用拖船式ADCP配套GPS定位進(jìn)行走航式測(cè)驗(yàn)。廠房站位于廠房水位站下游約1.1 km的公路橋下，低水采用拖船式ADCP配套GPS定位進(jìn)行走航式常規(guī)測(cè)驗(yàn)，中高水采用固定起點(diǎn)距，電波流速儀施測(cè)流速，借用大斷面的方式施測(cè)斷面流量。

2.1 RiverSurveryorS5/M9聲學(xué)多普勒水流剖面儀

ADCP選用RiverSurveryorS5/M9聲學(xué)多普勒水流剖面儀，多頻率換能器配置可自動(dòng)轉(zhuǎn)換單元大小、工作頻率、采樣頻率和工作模式。最小測(cè)量距離可僅為0.06 m，而最大水深測(cè)量范圍可達(dá)80 m，垂直超聲波波束可直接精確測(cè)量水深與河床斷面。該儀器安裝在三體船上，使用擴(kuò)頻無線電臺(tái)，在岸邊即可直接利用便攜式電腦進(jìn)行控制測(cè)驗(yàn)。

ADCP具有能直接測(cè)出斷面流速剖面、測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、測(cè)速范圍大、保證測(cè)驗(yàn)人員安全等特點(diǎn)[1]。與傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)方式相比，ADCP具有以下優(yōu)點(diǎn)：①在隨測(cè)量船運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行測(cè)量，極大縮短了測(cè)流歷時(shí)，能夠最大程度測(cè)取實(shí)時(shí)洪峰流量。②不要求測(cè)流斷面垂直于河岸，船行軌跡可以是斜線或曲線，為在臨時(shí)斷面搶測(cè)突發(fā)洪水提供了便利。③全程自動(dòng)化程度高，無需人工過多干預(yù)，系統(tǒng)自動(dòng)判斷成果精度。④測(cè)速范圍大，一次形成包括流速、流量、流向和水深等水文要素成果。⑤測(cè)流裝置安裝方便，對(duì)附屬設(shè)施數(shù)量要求很少，系統(tǒng)整體質(zhì)量小、方便攜帶。

2.2 電波流速儀

電波流速儀利用多普勒效應(yīng)，通過電磁波遇到河道水體表面時(shí)發(fā)生反射，在波源、觀察者、不同介質(zhì)之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起電磁波頻率改變的原理研制。應(yīng)用電波流速儀測(cè)速時(shí)，波源與施測(cè)者不動(dòng)，水體相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起反射波的頻率改變(電波流速儀僅利用反射波)，改變量的大小與水體表面流動(dòng)的相對(duì)速度有關(guān)。發(fā)射波頻率與反射波頻率的差值即為多普勒頻率，用數(shù)學(xué)公式表示為[2]

fd=|fo-fi|

(1)

(2)

式中，fo為發(fā)射頻率,Hz；fi為接收到的回波頻率,Hz；C為電磁波在空氣中的傳播速度,3×108m/s；V為水面流速，m/s；θ為發(fā)射波與水面方向夾角，由方位角與俯角構(gòu)成。

電波流速儀發(fā)射波呈橢圓狀發(fā)散在水面，橢圓形區(qū)域大小與測(cè)程、電磁波發(fā)射角有關(guān)，因此電波流速儀測(cè)量的水面流速是橢圓形區(qū)域的面平均流速。

針對(duì)測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境綜合考慮具體斷面測(cè)驗(yàn)方式，廠房斷面選擇橋測(cè)，其優(yōu)勢(shì)在于： ①可避免或減少風(fēng)浪影響，山區(qū)河流水深較淺，流速較大，涉水測(cè)驗(yàn)人員和儀器存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，橋測(cè)可以避免安全事故的發(fā)生，降低測(cè)驗(yàn)難度。②橋測(cè)不受特大洪水影響的公路橋?yàn)殡p曲拱橋，穩(wěn)定性好，一般洪水不會(huì)對(duì)橋梁構(gòu)成威脅，洪峰流量基本均可測(cè)得。③測(cè)速垂線和測(cè)點(diǎn)相對(duì)固定，基本不會(huì)受大風(fēng)浪及流向偏角的影響，起點(diǎn)距固定，每次測(cè)深測(cè)速垂線的位置基本保持一致，相對(duì)誤差較小，提高了測(cè)驗(yàn)的精度。④橋測(cè)節(jié)省人力，縮短測(cè)驗(yàn)歷時(shí)，在不遇到特大洪水的情況下1人即可完成操作橋測(cè)車[3]。對(duì)于涉外項(xiàng)目，測(cè)驗(yàn)人員嚴(yán)重不足，選擇橋測(cè)可以很好解決該問題，完成測(cè)驗(yàn)任務(wù)。

3 水文測(cè)驗(yàn)方法

壩址站架設(shè)簡易過河纜道，采用拖船式ADCP進(jìn)行走航測(cè)驗(yàn)并使用GPS導(dǎo)航。測(cè)前做好斷面計(jì)劃線，測(cè)量中將GPS放置在ADCP探頭上方，若出現(xiàn)GPS信號(hào)差或信號(hào)中斷的情況，可及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，保證每測(cè)次有兩個(gè)測(cè)回?cái)?shù)據(jù)。每次測(cè)量開始和結(jié)束時(shí)均需要記錄測(cè)量時(shí)間，并根據(jù)自記水位儀采集的水位數(shù)據(jù)查讀水位，取兩次水位的平均值作為該次流量的相應(yīng)水位。當(dāng)測(cè)驗(yàn)中出現(xiàn)較大水位變化時(shí)，則需再增加1次水位觀測(cè)，取測(cè)前、測(cè)中和測(cè)后的水位平均值作為相應(yīng)水位。最后，選取兩測(cè)回流量值的平均值作為最終流量，若某一測(cè)回的單次流量與平均流量誤差大于5%，則需及時(shí)重測(cè)。

廠房站使用電波流速儀施測(cè)流速，為了減少測(cè)速的誤差，對(duì)固定6個(gè)起點(diǎn)距進(jìn)行流速測(cè)驗(yàn)。每一個(gè)測(cè)點(diǎn)至少需要2次測(cè)量，每次測(cè)量不少于30 s，對(duì)測(cè)量結(jié)果計(jì)算平均值，作為測(cè)點(diǎn)的水面流速。同樣地，對(duì)于廠房站流量斷面，在每次測(cè)量開始和結(jié)束時(shí)均需記錄測(cè)量時(shí)間和水位(測(cè)流斷面)，將兩次水位的平均值作為該次流量的相應(yīng)水位，并根據(jù)測(cè)量時(shí)間查讀廠房水位站水位，記錄在流量成果中備查, 然后建立測(cè)流斷面水位和廠房水位站相關(guān)關(guān)系。對(duì)于廠房站斷面流量的計(jì)算，借用已測(cè)大斷面計(jì)算斷面面積，在水流平穩(wěn)期進(jìn)行電波流速儀與ADCP測(cè)驗(yàn)的比測(cè)工作，確保不同儀器測(cè)量成果的一致性。通過比測(cè)分析，流速改正系數(shù)取為0.8計(jì)算斷面流量。

4 測(cè)驗(yàn)成果分析

壩址站位于圣加旺Ⅲ級(jí)電站施工區(qū)的上游。根據(jù)測(cè)流斷面地勢(shì)及水流情況，流量采用走航式ADCP施測(cè)?？紤]測(cè)驗(yàn)河段水流特性，壩址站利用測(cè)流斷面每次測(cè)流同步觀測(cè)的水位，建立水位流量關(guān)系，并利用整匯編軟件對(duì)相關(guān)關(guān)系進(jìn)行檢驗(yàn)，得到的檢驗(yàn)精度符合III類精度專用站的誤差要求。然后，通過連續(xù)水位過程，利用相關(guān)公式推求流量過程，相關(guān)關(guān)系見圖5和圖6。

圖5 2017年11月至2018年5月壩址站水位流量關(guān)系曲線

圖6 圣家旺壩址站水位-流量關(guān)系曲線精度檢驗(yàn)結(jié)果

廠房站位于壩址站下游約1 000 m，經(jīng)考察，選擇斷面附近的一座公路橋作為流量測(cè)驗(yàn)的載體，利用電波流速儀施測(cè)垂線流速，借用原實(shí)測(cè)大斷面成果。然而，廠房站測(cè)流斷面與水位站有一定距離(水位站位于測(cè)流斷面上游約1km處)，因此需要先計(jì)算水位過程。利用水位站水位與測(cè)流斷面水位的關(guān)系，建立測(cè)流斷面水位與實(shí)測(cè)流量的相關(guān)關(guān)系，見圖7～9。

經(jīng)過整匯編軟件計(jì)算得到壩址站和廠房站2017年12月至2018年5月逐日平均流量、洪水水文要素摘錄成果，兩站有關(guān)流量特征值見表1。

圖7 廠房站水位與測(cè)流斷面水位相關(guān)關(guān)系

圖8 廠房站水位-流量關(guān)系曲線

圖9 圣家旺廠房站水位-流量關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

5 存在問題與解決方法

通過對(duì)圣加旺Ⅲ級(jí)水電站壩址斷面、廠房斷面進(jìn)行長達(dá)7個(gè)月的水文觀測(cè)工作，發(fā)現(xiàn)主要存在3類問題：外部條件問題、測(cè)驗(yàn)問題和數(shù)據(jù)處理問題。在經(jīng)過分析處理后，上述問題得到了較好地解決。

5.1 外部條件問題及解決方法

(1)測(cè)驗(yàn)斷面布設(shè)難度大。圣加旺河是一條典型的山區(qū)性河流，河流來水主要為冰山融水，河段落差大、水流急、水面窄、岸線極不規(guī)則，急彎、卡口、突嘴很多，常有孤石突出或礁石林立。河床質(zhì)由基巖、鵝卵石組成，河道窄淺，暴雨與山洪往往同時(shí)發(fā)生，洪水持續(xù)時(shí)間不長。斷面選擇需在壩址和廠房附近，可選河段很短。多次查勘后，壩址斷面選擇在相對(duì)穩(wěn)定的河道，無巨石凸起且流速相對(duì)較小的斷面。廠房附近河段蜿蜒，無順直河段，河中巨石較多，且流速較大，基本無法施測(cè)。廠房流量斷面選取在下游1.1km的橋梁處。經(jīng)考察沿程河段無支汊匯入，通過固定垂線，用電波流速儀施測(cè)垂線流速，斷面則借用原實(shí)測(cè)大斷面成果的方法完成流量過程測(cè)量。

(2)與當(dāng)?shù)厝藛T存在溝通障礙。熟練掌握當(dāng)?shù)卣Z言對(duì)海外工程的順利實(shí)施十分重要。由于相關(guān)的專業(yè)人才外語水平較低，因此在與當(dāng)?shù)厝藛T進(jìn)行交流與溝通時(shí)只能依靠翻譯人員，可能會(huì)產(chǎn)生一定的表達(dá)障礙和誤解。特別是在對(duì)當(dāng)?shù)胤煞ㄒ?guī)不夠熟悉的情況下，進(jìn)入私人領(lǐng)地未事先與地主溝通，導(dǎo)致與當(dāng)?shù)厝水a(chǎn)生矛盾，甚至有破壞測(cè)驗(yàn)設(shè)施的情況發(fā)生。需要加強(qiáng)人員教育培訓(xùn)，尊重當(dāng)?shù)仫L(fēng)俗，了解當(dāng)?shù)匚幕⑴c當(dāng)?shù)厝俗龊脺贤ń涣鞴ぷ?，避免產(chǎn)生不必要的損失。

5.2 測(cè)驗(yàn)問題及解決方法

(1)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)測(cè)量可靠性的判斷。由于對(duì)圣加旺河水文歷史了解不足，也無太多歷史資料參考，需要嚴(yán)格按照操作規(guī)程施測(cè)。測(cè)前需對(duì)儀器進(jìn)行檢校，參數(shù)的設(shè)置需復(fù)核檢查，確保儀器正常工作。測(cè)中保證操作規(guī)范，ADCP船速、岸邊距離估算，電波流速儀測(cè)驗(yàn)固定起點(diǎn)距的位置、方向均嚴(yán)格按規(guī)程操

表1 測(cè)流斷面流量特征值

作；測(cè)后可用簡易浮標(biāo)法等方式復(fù)核測(cè)驗(yàn)成果。測(cè)驗(yàn)結(jié)束后，及時(shí)點(diǎn)繪水位流量關(guān)系線，綜合分析測(cè)次成果是否合理。通過多節(jié)點(diǎn)控制，保證成果質(zhì)量。

(2)測(cè)驗(yàn)儀器的維護(hù)及保養(yǎng)。定期對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)十分重要。由于現(xiàn)場(chǎng)儀器長期處于潮濕環(huán)境，需要現(xiàn)場(chǎng)人員定期對(duì)儀器進(jìn)行除濕、充電，保持儀器干燥；現(xiàn)場(chǎng)使用的自記水位計(jì)無遠(yuǎn)程監(jiān)控，無法掌握水位是否正常、電瓶電量是否充足等儀器狀況，因此應(yīng)至少每周進(jìn)行1次水位校核、1次儀器檢查，兩周更換1次電瓶，隨時(shí)了解儀器工作狀態(tài)。

5.3 數(shù)據(jù)處理問題及解決方法

(1)壩址和廠房測(cè)流斷面均處于山區(qū)河流，降水后的產(chǎn)匯流期間，容易形成暴漲暴落的山洪，河床落差明顯，河道比降較大，洪水過程持續(xù)時(shí)間短。無法按照繩套曲線布置測(cè)次，因此兩站流量均采用單一曲線法推流整編。

(2)廠房河段無法布設(shè)測(cè)流斷面，導(dǎo)致測(cè)流斷面與水位站不在一起，因此，應(yīng)首先計(jì)算水位過程，建立水位站水位與測(cè)流斷面水位關(guān)系，再建立測(cè)流斷面水位與實(shí)測(cè)流量的相關(guān)關(guān)系。

6 結(jié) 語

秘魯圣加旺Ⅲ級(jí)水電站的水文測(cè)驗(yàn)實(shí)踐表明，水文測(cè)量工作具有多樣性與復(fù)雜性。流量測(cè)驗(yàn)在不同的河段中方法靈活多樣、各具特色，特別是典型大比降山區(qū)性河流。對(duì)于斷面和測(cè)驗(yàn)儀器的選樣，均需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行合理配置，只有選擇合理的方案才能高效安全地完成河段水文測(cè)驗(yàn)。