蔡界清，陳川建

（1.國(guó)家電投集團(tuán)重慶獅子灘發(fā)電有限公司，重慶 401220；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局，重慶 400020）

水庫(kù)泄流曲線(xiàn)是水庫(kù)防洪調(diào)度的基礎(chǔ)資料之一，也是水庫(kù)進(jìn)行水量平衡計(jì)算不可缺少的參數(shù)。該曲線(xiàn)的泄流流量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系著水庫(kù)出入庫(kù)水量數(shù)據(jù)的真實(shí)性，也關(guān)系到水庫(kù)大壩與下游地區(qū)防洪安全。目前常用的泄流曲線(xiàn)復(fù)核方法主要有理論計(jì)算、水工模型試驗(yàn)和原型觀(guān)測(cè)3種［1］。在水庫(kù)設(shè)計(jì)階段主要通過(guò)理論計(jì)算的方式，根據(jù)不同的大壩形狀、閘門(mén)形式、閘門(mén)側(cè)向和縱向比的關(guān)系，按照《水力計(jì)算手冊(cè)》規(guī)范選取對(duì)應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到。對(duì)于一些重大戰(zhàn)略性水庫(kù)，也可能在大壩設(shè)計(jì)方案確定后就通過(guò)水工模型試驗(yàn)得到大壩比例模型。大壩溢流設(shè)施若經(jīng)歷過(guò)改建、加固等處理，溢流閘門(mén)、大壩溢流壩面有所改變，往往也需要通過(guò)水工模型試驗(yàn)進(jìn)行復(fù)核。對(duì)于已建水庫(kù)，且下游控制條件較好的河段，可以利用原型觀(guān)測(cè)的水文方法來(lái)進(jìn)行復(fù)核。本文以獅子灘水庫(kù)為例，采用走航式ADCP水文觀(guān)測(cè)的方法對(duì)泄流曲線(xiàn)進(jìn)行了復(fù)核，該方法成本低且精度控制較好，取得了較好的效果。

1 概況

獅子灘水庫(kù)位于重慶市長(zhǎng)壽區(qū)，具有多年調(diào)節(jié)功能，按100 a一遇設(shè)計(jì)，2 000 a一遇校核。水庫(kù)以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉、養(yǎng)殖、航運(yùn)、旅游、城市用水等綜合利用效益。自1956年水庫(kù)形成以來(lái)，獅子灘水庫(kù)的溢流設(shè)施設(shè)備未進(jìn)行任何改造，也未對(duì)泄流曲線(xiàn)進(jìn)行泄洪流量復(fù)核工作［2］。為確保水庫(kù)大壩安全及水庫(kù)調(diào)度的精細(xì)化管理，按照相關(guān)規(guī)定［3］，于2016年對(duì)獅子灘水庫(kù)泄流曲線(xiàn)復(fù)核工作進(jìn)行立項(xiàng)，要求結(jié)合水庫(kù)實(shí)際泄洪過(guò)程進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)與分析驗(yàn)證，為期3 a。

1.1 測(cè)流斷面選取

測(cè)流前對(duì)下游河道進(jìn)行查勘，在獅子灘泄洪道下游河道設(shè)立3個(gè)測(cè)流斷面（主選測(cè)流斷面、備選測(cè)流斷面和主測(cè)流斷面），設(shè)立臨時(shí)水尺，并對(duì)5條支流（龍溪河溝、灘口河、無(wú)名河、魏家河和四龍杯河）的入河口進(jìn)行查勘，見(jiàn)圖1。

1.2 ADCP測(cè)流

1981年，美國(guó)工程師、發(fā)明家F.Rowe和K.Deines根據(jù)多普勒效應(yīng)發(fā)明了聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）。其工作原理為：ADCP向水中發(fā)射固定頻率的超聲波短脈沖，這些聲脈沖在碰到水中的散射體（浮游生物，泥沙粒子等）會(huì)發(fā)生散射；反射回的聲波被ADCP接收，當(dāng)散射體有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其反射的聲波有一定的頻率偏移；從離開(kāi)探查儀的粒子反射回的聲波在返回時(shí)頻率稍微降低，朝儀器移動(dòng)的粒子返回的聲波比發(fā)生聲波更高，根據(jù)多普勒頻率變化，經(jīng)過(guò)一系列處理可以得到水流速度；而水流速度在整個(gè)河道斷面上的積分就得到斷面流量。與傳統(tǒng)流速儀法相比，ADCP測(cè)流優(yōu)點(diǎn)突出，表現(xiàn)在：①測(cè)量速度快，可以進(jìn)行斷面準(zhǔn)同步測(cè)量。②可以體現(xiàn)三維流速流向情況。③能自動(dòng)消除各種外界因素的影響，還具有對(duì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行評(píng)判的能力。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行鑒別，避免不合理數(shù)據(jù)參與數(shù)據(jù)處理，而影響測(cè)量數(shù)據(jù)精度。④ADCP利用聲波作為傳感器，不但操作方便快速，而且測(cè)量時(shí)不干擾水流，可以直接測(cè)量流速斷面，能適合各種環(huán)境。

走航式ADCP測(cè)流是目前國(guó)內(nèi)水文基本測(cè)驗(yàn)、水利水電工程測(cè)量及其他河道流量測(cè)驗(yàn)中普遍采用的方法，具有儀器先進(jìn)、操作方便、作業(yè)快捷、成果可靠、精度較高等優(yōu)勢(shì)，該測(cè)流方法及其成果均得到廣泛認(rèn)可，成果精度滿(mǎn)足現(xiàn)行水文規(guī)范要求［4］。為保證測(cè)驗(yàn)精度，按2次往返（單程4次）進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，各單程測(cè)驗(yàn)誤差控制在3%～5%，取4個(gè)單程測(cè)驗(yàn)平均值作為本次流量值；若1次往返（單程2次）誤差控制在2%以?xún)?nèi)，可以采用1次往返成果。測(cè)驗(yàn)中盡量保證儀器沿?cái)嗝婢€(xiàn)行進(jìn)，并控制船速（船速低于水流速度）；船靠近岸邊行駛時(shí)，盡量避免駛?cè)肟瞻讌^(qū)域和盲區(qū)。每次流量測(cè)驗(yàn)后，對(duì)成果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算、分析、精度檢驗(yàn)，判斷其正確性。若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)查找原因或復(fù)測(cè)［5］。

圖1 測(cè)流斷面布置

2 測(cè)流工作

2.1 測(cè)流時(shí)間點(diǎn)選取

2017年10月上中旬，受獅子灘壩址上游流域降雨影響，水庫(kù)水位上漲。為確保水庫(kù)安全，經(jīng)地方防汛部門(mén)批準(zhǔn)，水庫(kù)開(kāi)閘泄洪。第一次泄洪發(fā)生在 10月 5日 12∶35至 10月 6日19：00，總歷時(shí)30 h 25 min，總棄水量14 192萬(wàn)m3，最大下泄流量1 385 m3/s，泄洪期間最高水位346.89 m。第二次泄洪發(fā)生在10月12日15∶02至10月13日01∶12，總歷時(shí)10 h 10 min，總棄水量4 322.4萬(wàn)m3，最大泄洪流量1 280 m3/s，泄洪期間最高水位346.71 m，關(guān)閘水位346.24 m；13日01∶00獅子灘水庫(kù)入庫(kù)流量為555 m3/s。

在實(shí)際泄流時(shí)，距離溢洪道較近的主選測(cè)流斷面水流流速過(guò)大，備選測(cè)流斷面距離上硐滾水壩過(guò)近，因此，出于安全考慮，最終選定在沙嘴渡口斷面進(jìn)行測(cè)流。

從獅子灘水庫(kù)溢流閘門(mén)到實(shí)際測(cè)流斷面距離為8.5 km，中間還流經(jīng)上硐電站大壩（當(dāng)達(dá)到河道水流平衡后對(duì)下游測(cè)流影響很?。鲝莫{子灘水庫(kù)溢出進(jìn)入河道，一段時(shí)間后才能達(dá)到測(cè)流斷面并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。考慮獅子灘大壩到下游測(cè)流斷面的距離，洪水平均傳播時(shí)間約0.5 h；在斷面設(shè)立臨時(shí)水尺，待水尺水位變化平穩(wěn)后再測(cè)量斷面流量；同時(shí)，獅子灘壩上和上硐電站壩上的水位數(shù)據(jù)過(guò)程達(dá)到平穩(wěn)時(shí)，進(jìn)行測(cè)流工作。水位過(guò)程與測(cè)量時(shí)間點(diǎn)過(guò)程見(jiàn)圖2～3。

2.2 測(cè)流結(jié)果

在2017年10月5日和10月12日2次泄洪期間，為確保計(jì)算流量的準(zhǔn)確性，除下游控制斷面流量外，還對(duì)獅子灘壩下到測(cè)流斷面之間的幾條支溝進(jìn)行了測(cè)量，支溝流量最大在6 m3/s以下，最小約為1 m3/s。主要控制斷面（沙嘴碼頭斷面）流量測(cè)量測(cè)驗(yàn)成果及支溝流量測(cè)驗(yàn)成果見(jiàn)表1。

除10月6日1號(hào)閘門(mén)泄流的時(shí)間點(diǎn)，因單孔閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間太短，可能對(duì)測(cè)量的精度有一定的影響外，其他測(cè)點(diǎn)都是在水位平穩(wěn)時(shí)間段內(nèi)施測(cè)，測(cè)得的實(shí)際流量數(shù)據(jù)具有一定代表性。

圖2 2017年10月第一次測(cè)流水位過(guò)程

圖3 2017年10月第二次測(cè)流水位過(guò)程

表1 主斷面測(cè)流成果

獅子灘水庫(kù)水位于2017年10月5日13：50全開(kāi)兩孔泄洪，16：00水庫(kù)水位出現(xiàn)最高值，隨著入庫(kù)流量的減小，水庫(kù)水位逐漸下降，閘前水頭隨之減小，泄洪流量也逐漸減小。從第一次泄洪過(guò)程中主斷面實(shí)測(cè)流量看，測(cè)驗(yàn)樣本流量遞減，與獅子灘水庫(kù)泄洪過(guò)程特性一致，測(cè)流成果合理。

3 結(jié)果分析

3.1 計(jì)算公式

參考獅子灘水庫(kù)設(shè)計(jì)資料［6］，流量系數(shù)計(jì)算公式為

式中，Q為泄流流量，m3/s；ε為側(cè)收縮系數(shù)；M為流量系數(shù)；n為泄流時(shí)的表孔孔數(shù)；b為單表孔凈寬，m；H為堰上水頭，m。其中，M即為需要驗(yàn)證的流量系數(shù)。按照設(shè)計(jì)泄流曲線(xiàn)中雙孔全開(kāi)、單孔全開(kāi)的情況，分別計(jì)算M值，見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)流量系數(shù)計(jì)算

基于2017年10月5日和12日泄洪期間實(shí)際測(cè)流數(shù)據(jù)，由公式（1）計(jì)算得到實(shí)際泄流系數(shù)，見(jiàn)表3。

在實(shí)際測(cè)流的時(shí)間范圍內(nèi)，壩上水位變化不大，平均水位為346.64 m，計(jì)算得到的全部流量系數(shù)平均值為2.106 5。其中，雙孔開(kāi)啟時(shí)，平均水位346.69 m，流量系數(shù)為2.069 0；單孔開(kāi)啟時(shí)，平均水位346.39 m，流量系數(shù)為2.274 9。雙孔全開(kāi)時(shí)的流量系數(shù)相對(duì)誤差為2%，單孔全開(kāi)時(shí)的流量系數(shù)相對(duì)誤差為6.29%。鑒于以上分析，水位在346.64 m左右時(shí)，流量系數(shù)計(jì)算值和實(shí)測(cè)值數(shù)據(jù)差別不大，2孔泄洪時(shí)誤差最小，1孔較2孔誤差稍微偏大。由圖2可知，主要原因是受當(dāng)時(shí)的泄流條件限制，1孔開(kāi)啟的時(shí)間太短，退水時(shí)河道流量消退慢，未在測(cè)流時(shí)段內(nèi)達(dá)到平穩(wěn)，但誤差仍在有效范圍內(nèi)［7］；因此仍可采用原設(shè)計(jì)流量系數(shù)計(jì)算閘門(mén)泄流量。

表3 實(shí)測(cè)流量系數(shù)計(jì)算

3.2 設(shè)計(jì)泄流曲線(xiàn)數(shù)據(jù)分析

利用電站提供的壩上水位查算設(shè)計(jì)泄流曲線(xiàn)，得到泄流流量與下游主測(cè)流斷面測(cè)流樣本數(shù)據(jù)，建立了設(shè)計(jì)泄流數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)流量對(duì)比分析表（見(jiàn)表4）。同樣地，當(dāng)單孔開(kāi)啟時(shí)（第7，8次）誤差為正值，當(dāng)雙孔開(kāi)啟時(shí)誤差為負(fù)值，誤差絕對(duì)值最大為55.1 m3/s，絕對(duì)最小值為 1.5 m3/s；相對(duì)誤差最大為4.46%，最小值為0.10%。主要結(jié)論如下。

（1）在整個(gè)泄洪期間，統(tǒng)計(jì)兩次測(cè)流全部樣本絕對(duì)誤差為-19.2 m3/s，平均相對(duì)誤差為2.70%。

（2）雙孔（1，5號(hào)）全開(kāi)時(shí)，平均絕對(duì)誤差為-29.4m3/s，平均相對(duì)誤差為2.20%。2，4號(hào)孔全開(kāi)時(shí)，平均絕對(duì)誤差為-33.7m3/s，平均相對(duì)誤差為2.54%。雙孔開(kāi)啟情況下，流量平均絕對(duì)誤差-30.8 m3/s，平均相對(duì)誤差為2.31%。

（3）第7，8次單孔閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)，流量平均絕對(duì)誤差33.5 m3/s，平均相對(duì)誤差4.44%。

表4 設(shè)計(jì)曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)流量對(duì)比分析

3.3 泄流曲線(xiàn)誤差對(duì)調(diào)洪計(jì)算的影響分析

影響水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算的影響因素較多，入庫(kù)流量過(guò)程、壩前水位、庫(kù)容曲線(xiàn)、泄流曲線(xiàn)等誤差，均會(huì)改變調(diào)洪計(jì)算的結(jié)果。例如：在水庫(kù)入庫(kù)流量預(yù)報(bào)時(shí)，洪水預(yù)報(bào)精度和正確率不可能達(dá)到100%，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定洪峰流量的允許誤差為±20%，獅子灘水庫(kù)大中洪水實(shí)際預(yù)報(bào)平均精度可達(dá)90%，多年運(yùn)行實(shí)踐證明已完全滿(mǎn)足水庫(kù)調(diào)度需要。壩前水位1 h內(nèi)觀(guān)測(cè)誤差以±0.01m考慮，當(dāng)水庫(kù)水位在346.00～347.00m時(shí)，其庫(kù)容（水量）誤差達(dá)±64萬(wàn)m3，則1 h內(nèi)平均流量影響誤差就達(dá)±178 m3/s，比泄流曲線(xiàn)的誤差大。

本次對(duì)兩孔閘門(mén)運(yùn)行時(shí)開(kāi)展了實(shí)測(cè)分析，其實(shí)際運(yùn)用的泄流曲線(xiàn)平均最大誤差-65.4 m3/s，1 h平均水量誤差為-23.5萬(wàn)m3，當(dāng)水庫(kù)水位在346.00～347.00 m時(shí)，其水量誤差影響水庫(kù)水位為-0.004 m，影響甚微；10 h平均水量累計(jì)誤差-235萬(wàn)m3，影響水庫(kù)水位-0.04 m，影響較小。泄流曲線(xiàn)的誤差遠(yuǎn)比預(yù)報(bào)影響誤差及水位觀(guān)測(cè)影響誤差小，結(jié)合運(yùn)行單位長(zhǎng)期的實(shí)際應(yīng)用證明，泄流曲線(xiàn)誤差對(duì)水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算的影響較小。在實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中，運(yùn)行單位的洪水預(yù)報(bào)可以達(dá)到每小時(shí)整點(diǎn)定時(shí)預(yù)報(bào)一次未來(lái)24～72 h流量過(guò)程，泄洪過(guò)程中也滾動(dòng)開(kāi)展調(diào)洪計(jì)算進(jìn)行水位修正預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)誤差隨時(shí)可得到消除，實(shí)現(xiàn)完全可控。

但在進(jìn)行洪水調(diào)度復(fù)核時(shí)，在各頻率設(shè)計(jì)洪水過(guò)程、庫(kù)容曲線(xiàn)、調(diào)洪原則等不變的情況下，由于未考慮滾動(dòng)預(yù)報(bào)修正，調(diào)洪計(jì)算時(shí)的水位誤差未及時(shí)得到消除，不同泄流曲線(xiàn)的累計(jì)誤差將最終影響調(diào)洪演算結(jié)果。因此，在洪水調(diào)度復(fù)核時(shí)應(yīng)該采用誤差相對(duì)較小的原設(shè)計(jì)泄流曲線(xiàn)。

3.4 分析結(jié)果

在兩次泄洪測(cè)流過(guò)程中，既考慮了區(qū)間支溝流量和發(fā)電流量，又考慮了河道的傳播時(shí)間，在主斷面測(cè)流得到的流量數(shù)據(jù)具有較高的可信度。在兩次測(cè)量的時(shí)間段內(nèi)，水庫(kù)水位變化不大，第一次水位在346.50～346.55 m；第二次水位在346.65 m左右。受水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度條件限制，雖然測(cè)量樣本點(diǎn)偏少，但通過(guò)分析比較，庫(kù)水位約346.50 m時(shí)，單孔泄洪流量誤差極小，雙孔泄洪流量誤差略偏大。其中，利用原設(shè)計(jì)泄流曲線(xiàn)查算的泄流數(shù)據(jù)的分析中，平均相對(duì)誤差約2.70%，最大相對(duì)誤差為4.46%，絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差均在水文測(cè)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，原設(shè)計(jì)的泄流曲線(xiàn)精度較高。通過(guò)對(duì)泄流系數(shù)的比較分析，水位約346.64 m時(shí)，實(shí)測(cè)流量系數(shù)和設(shè)計(jì)流量系數(shù)兩者差別不大，誤差為3.1%。

利用設(shè)計(jì)泄流曲線(xiàn)推算電站泄流流量時(shí)，結(jié)合區(qū)間幾條小支溝的計(jì)算流量與主測(cè)流斷面實(shí)際采用ADCP進(jìn)行測(cè)量的流量都存在微小偏差，庫(kù)水位在346.89～346.39 m之間時(shí)（實(shí)測(cè)時(shí)間段內(nèi)的庫(kù)水位變化范圍），對(duì)于設(shè)計(jì)泄流曲線(xiàn)，在測(cè)驗(yàn)水位下的雙孔總泄流量平均相對(duì)誤差小于3%，最大相對(duì)誤差4.03%～3.89%。

經(jīng)過(guò)對(duì)單孔和雙孔（1號(hào)和5號(hào)組合、2號(hào)和4號(hào)組合）泄流過(guò)程施測(cè)，通過(guò)分析比較，獅子灘水庫(kù)原設(shè)計(jì)泄流曲線(xiàn)查算值與實(shí)際測(cè)驗(yàn)流量之間誤差較小，原設(shè)計(jì)泄流曲線(xiàn)具有較高精度，依據(jù)規(guī)范［6］規(guī)定，并綜合考慮洪水預(yù)報(bào)、壩前水位、庫(kù)容曲線(xiàn)等誤差的影響及其長(zhǎng)期運(yùn)用較好的實(shí)際情況，對(duì)獅子灘水庫(kù)原設(shè)計(jì)泄流曲線(xiàn)的流量系數(shù)不再修定，可以在實(shí)際調(diào)度中繼續(xù)運(yùn)用，其成果已通過(guò)國(guó)家電投集團(tuán)重慶電力有限公司組織的專(zhuān)家審查與驗(yàn)收。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用走航式ADCP測(cè)流方法率定與驗(yàn)證水庫(kù)泄流曲線(xiàn)，在重慶市水電行業(yè)尚屬首次。人力物力投入少、效果明顯，具有較好的推廣價(jià)值。

受獅子灘水庫(kù)的防洪對(duì)象和水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃的限制，常遇洪水開(kāi)閘泄洪時(shí)閘前水頭變幅小于1 m。流量測(cè)驗(yàn)工作必須在獅子灘水庫(kù)泄洪期開(kāi)展，一方面要確保防洪安全，另一方面不能因?yàn)樵擁?xiàng)目的實(shí)施加大泄洪流量，延長(zhǎng)泄洪時(shí)間，降低水庫(kù)水位，多棄水，浪費(fèi)水資源。由于獅子灘水庫(kù)為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，泄洪機(jī)會(huì)少，大洪水高水位運(yùn)行工況（開(kāi)啟3孔以上閘門(mén)）幾率小，受運(yùn)行條件和客觀(guān)因素的制約，不允許水庫(kù)泄流太大或降低水位泄洪，導(dǎo)致本次流量驗(yàn)證時(shí)壩前水位變幅小，樣本少（無(wú)其他高水和低水位下樣本），分析工作的深度存在局限性。