陳 靜

(四川省達州水文水資源勘測中心，四川 達州，635001)

通過多年的水利工程開發(fā)，在大中小河流上建設的水電站、閘壩、引(調(diào))水等各種水利水電工程，改變了河流的天然流態(tài)和水文特性，對水文站的測報工作影響明顯。在實現(xiàn)水文現(xiàn)代化的新形勢背景下，如何充分利用水工建筑物特性，采用自動水位、閘位設備獲取數(shù)據(jù)，結合水工模型或水力學方法，實現(xiàn)流量在線監(jiān)測，是本文重點探討的問題。

1 流域及站點概況

1.1 流域簡況

州河是渠江左岸的最大支流，上源分前、中、后河三支，均發(fā)源于大巴山南麓，主流前河發(fā)源于城口縣燕麥鄉(xiāng)光頭山，海拔2685.7m。自北東向西南流，至宣漢縣城附近與后河匯合后始稱州河。繼續(xù)西南流，經(jīng)宣漢縣、通川區(qū)至渠縣三匯鎮(zhèn)匯入渠江。流域形狀呈樹枝狀發(fā)育，州河較大支流有明月江、銅缽河、東柳河等，全長310km，河道平均坡降1.41‰，流域面積11165km2。

流域地勢由北向南傾斜，地形復雜，源頭區(qū)域為重山疊嶂的高山區(qū)，分水嶺海拔高程多在1500m～2200m之間；中、下游為低山深丘區(qū)，海拔高程多在500m～1200m；干流區(qū)域為丘陵區(qū)，海拔高程自上游向下游逐漸遞減，至渠縣三匯鎮(zhèn)降至240m。州河上游屬山溪性河流，河槽呈“V”形，兩岸山勢陡峻，河道蜿蜒曲折；中下游多為沙灘、沙洲、卵礫石漫灘相間分布，水流湍急，河道寬闊，河槽呈“U”形，兩岸山嶺相對較低，河道坡降逐漸變緩，有較開闊的河谷平壩出現(xiàn)，農(nóng)耕發(fā)達，人煙稠密，經(jīng)濟繁榮，交通方便。

1.2 站點概況

羅江水文站為州河干流國家重要水文站、報汛站，流量一類精度站，泥沙二類精度站，建于2010年1月，系原東林水文站下遷27km后新設站，位于通川區(qū)北外鎮(zhèn)徐家壩村，東經(jīng)107°32′，北緯31°18′，控制流域集水面積6830km2，距河口距離69km。該站有降水、蒸發(fā)、土壤墑情、水位、流量、泥沙等監(jiān)測要素。

1.3 流量測驗情況

該站流量測驗低水受下游河灘控制，中、高水為河槽控制。汛期流量測驗實行“1+1”的工作模式，中低水采用纜道流速儀施測或纜道搭載走航式ADCP施測，高水采用纜道流速儀或纜道電波流速儀。測流時機按水位過程布點，平枯水按水位變化以能控制流量變化過程、滿足定線推流為準。洪水期按洪水過程布設測點，測點分布在起漲、漲坡、洪峰及退坡上，以能滿足繩套線定線推流為準。

實測資料顯示：最高水位290.92m，最低水位272.30m，最大水位變幅18.62m；最大流量9700m3/s、最小流量1.90m3/s，最大含沙量6.03kg/m3，平均輸沙量119萬噸；最高水位時的水面寬213m、最大流速5.15m/s、最大水深18.1m，最大漲落率9.3m/h，最枯水位時的水面寬70.7m、斷面平均流速0.026m/s，平均水深1.11m。

1.4 流量測驗存在的問題

(1)各級流量測驗均受上游羅江口水電站蓄水、泄洪影響，為控制流量過程，全年施測流量測次較多，統(tǒng)計來看，近5年平均測流都在90份以上。

(2)低枯水流量測驗困難。由于受羅江口電站峰谷發(fā)電蓄水影響，在電站蓄水期，河道內(nèi)來水量小，部分垂線流速儀入水困難或入水后流速達不到流速儀啟動流速，測驗精度受到影響。

(3)中高水流量關系紊亂，多為繩套線型，點群帶寬，流量單值化處理困難。以同級水位277.70m為例，實測最大流量2090m3/s，最小流量1420m3/s，同水位級流量相差670m3/s，相差流量超過了最小流量的47.2%。分析來看，主要受洪水漲落及下游明月江回水頂托影響，該站流量采用臨時曲線法和連時序法推流。

(4)由于該站受洪水漲落影響明顯，不僅流量測次多，整編推流時段也較多。統(tǒng)計近5年平均推流時段約25個，2018年甚至達到28個，該站的測驗、整編工作量，不便于現(xiàn)代化巡測模式。

(5)現(xiàn)狀流量測驗方式主要依靠水文纜道，一旦纜道故障，將無法施測流量。加之纜道橫跨城區(qū)交通要道，車流量大，纜道運行時存在較大安全隱患。

2 采用水工建筑物實現(xiàn)流量在線監(jiān)測分析

2.1 電站概況

州河干流自上而下分布有江口、羅江口、金盤子、舵石鼓四個梯級水電站。其中，羅江口水電站系州河干流梯級開發(fā)中的第二級，壩址以上控制集水面積6766km2，電站由主廠房、大壩、升船機、泄洪閘、沖沙閘五部分組成，最大壩高23.5m，水庫正常蓄水位297.0m，汛限水位295.7m，死水位290.5m，總庫容0.9×108m3，調(diào)節(jié)庫容0.021×108m3，具有日調(diào)節(jié)能力。羅江口水電站設計水頭21.5m，單機正常引用流量69.0m3/s，設計裝機容量3×1.3萬kW。

羅江口水電站位于羅江水文站上游約2.8km，電站的退水有發(fā)電、沖沙、泄洪三種方式，這3種退水均對羅江水文站的水位、流量有直接影響。

2.2 不同泄流方式下的流量監(jiān)測

羅江水文站與羅江口水電站河道距離僅有2.8km，中間無大的支流加入，兩斷面集水面積相差僅為0.9%，可以忽略不計，羅江口壩址處流量可以直接代替羅江水文站址處流量。

分析該電站泄流方式主要以下3種：①發(fā)電尾水流量(Q電)；②沖沙閘孔沖沙時的泄水量(Q沖)；③泄洪閘泄洪量(Q泄)。將同一時刻不同方式的泄水量準確計算出來，即可得到下游羅江水文站斷面的實測流量。

即t時刻的合成流量為：

Qt=Q電t+Q沖t+Q泄t

(1)

2.2.1 發(fā)電尾水流量監(jiān)測

水電站是把水的位能和動能轉換成電能的工廠，其出力公式為：

N=9.81ηQ電H凈

(2)

式中：N——水電站的出力，kW；

η——水電站的效率系數(shù)；

Q電——發(fā)電引用流量，m3/s；

H凈——水電站凈水頭。

根據(jù)上式可知，只要獲取了水電站的發(fā)電量和上下游水頭差，即可反算出發(fā)電所引用的流量。其流量推算公式為：

Q電=N/(9.81ηH凈)

(3)

其中，水電站的出力N，可通過電站在線監(jiān)測記錄獲取；水電站的效率系數(shù)η，可以通過水輪機出廠參數(shù)查得，也可通過尾水渠適當斷面進行現(xiàn)場率定獲取；H凈可以通過大壩上下游水頭差計算而得。

通過在壩址上下游布置水位遙測設備，可以自動獲取上下游水頭差。并通過相關軟件讀取電站全天各時段出力和水頭，按照出力公式即可獲取羅江口水電站發(fā)電實時流量。

2.2.2 沖砂閘孔水量監(jiān)測

羅江口水電站沖砂閘的主要作用是拉走庫前泥沙，以減輕庫內(nèi)淤積、同時兼顧泄洪，該電站為3扇平板沖沙閘門，每扇閘寬4.0m、高8.0m。沖沙閘室底板高程273.0m，略高于上、下游河床高程。該沖砂孔以淹沒出流為主，流量采用淹沒孔流計算公式：

(4)

式中：μ1——孔流淹沒系數(shù)；

n——閘孔數(shù)量；

b——閘孔寬度；

e——閘門開啟高度；

△Z——上下游水頭差。

上式中，b為固定值(4m)；n和e可通過閘孔上安裝的閘門啟閉機計數(shù)器獲??；△Z可通過上下游遙測水位計之差得到，閘下水流與電站發(fā)電尾水流貫通，壩下水位即為閘下水位。μ1可通過現(xiàn)場率定，也可以采用經(jīng)驗淹沒系數(shù)推求，其公式為：

(5)

上式中H為總水頭，其他各符號意義同前。安裝或獲取已安裝的閘門啟閉機計數(shù)器，結合上下游遙測水位計，即可得到閘門開啟度和總水頭，按式(4)可以獲取實時沖沙孔下泄流量。

2.2.3 泄洪閘流量監(jiān)測

羅江口水電站為閘壩式，泄洪閘壩段長137m，分8孔。溢流堰為WES型混凝土重力壩，堰頂高程為284.0m。最大下泄流量為11100m3/s，采取分區(qū)底流式消能。閘門為鋼結構弧形閘門，采取液壓啟閉機自動控制啟閉。泄洪閘流量監(jiān)測根據(jù)閘門開度分兩種情況。

(1)洪水期當閘門未全開時，泄洪閘流量為自由孔流。

流量計算采用自由孔流水力學公式：

(6)

式中：μ——自由孔流量系數(shù)；

其他符號意義同前。

μ值通過現(xiàn)場率定，也可以采用經(jīng)驗流量系數(shù)弧形曲線形實用堰閘公式推求，其公式為：

(7)

(2)當閘門開啟度加大，達到e/H≥(e/H)c時，水流由孔流變?yōu)樽杂裳吡鳌?/p>

流量采用自由堰流計算公式：

(8)

式中：C——堰流流量系數(shù)；

其他符號意義同前。

上式中，堰流流量系數(shù)C(含側收縮系數(shù)和進口流態(tài)系數(shù))可通過水力學經(jīng)驗公式計算或查圖表得到，也可通過水文站實測流量現(xiàn)場率定；b為堰口單孔寬度，是固定值；n為過流孔數(shù)，可通過閘孔上安裝的閘門啟閉機計數(shù)器獲取過流孔數(shù)；H為總水頭，通過壩上遙測水位計獲?。涣肀疚慕ㄗh可通過水文站實測流量對水力學計算流量進行率定，得出相關系數(shù)，就能按式(6)、式(8)可以計算出泄洪閘兩種流態(tài)的下泄流量。

3 實現(xiàn)流量在線監(jiān)測的設備配置

從前面分析來看，羅江口水電站不同退水情況下的實時流量均可以采用水力學公式進行計算，相關參數(shù)的獲取須配置相應的設備，方能實現(xiàn)在線監(jiān)測、分析計算和自動傳輸。

根據(jù)羅江口水文站工程特性，需要配置壩上、壩下水位計，沖沙閘孔閘位計，泄洪閘弧形閘門開啟高度閘位計。水位計和閘位計均采用遙測設備自動采集和GPRS自動傳輸。

(1)壩上水位計：根據(jù)壩上條件，可采用雷達式水位計，安裝在大壩上游側右岸，避開閘門水流有跌變部位。

(2)壩下水位計：可采用壓力式水位計，安裝在尾水末端水流平穩(wěn)處。

(3)閘位計：閘位傳感器應分平板門式和弧形門式，根據(jù)羅江口閘門情況配置。

(4)工控機+定制軟件：為了得到整個斷面的流量，需將以上3種退水方式的流量合成，通過工控機結合定制開發(fā)計算軟件，來實現(xiàn)水位計、閘位計、發(fā)電量等信息的收集，流量分析計算和合成，實時流量直接上傳至水情信息平臺，實現(xiàn)羅江口水電站(水文站)流量的在線監(jiān)測。

實現(xiàn)羅江口水電站流量在線監(jiān)測相關設備配置如表1。

4 成果運用與注意事項

通過配置相關遙測設備和定制軟件，實時采集羅江口水電站壩上壩下水位計、沖砂閘閘位計、泄洪閘閘位計、電站發(fā)電量等信息，運用水力學計算原理，可以實現(xiàn)自動采集、自動分析計算和自動遠程傳輸，結合羅江水文站自動水位數(shù)據(jù)，即可完成羅江水文站實時在線流量監(jiān)測，獲取完整對應的水位流量數(shù)據(jù)過程。該成果一方面可以直接運用到防汛預測預報中；另一方面完全滿足“連實測流量過程線法”流量整編，最大程度地減少羅江水文站采用纜道測流和整編的工作量，

需要注意的是：應定期對壩上、壩下水位，閘位傳感器進行校正；各項流量系數(shù)應按相關規(guī)范要求進行率定，羅江水文站每年應實測幾份流量與電站合成流量進行對比；合成流量的相關系數(shù)每2年～5年要進行一次檢測或重新率定。采取以上措施來確保水工建筑物推算實時流量的精準度。

5 結語

本文分析了受水利工程影響的羅江水文站的流量監(jiān)測，充分利用上游羅江口水電站這個水工建筑物，利用水力學原理，利用現(xiàn)代化自動遙測設備，采集羅江口電站水位、閘位、發(fā)電量等信息，利用軟件技術實現(xiàn)自動計算羅江口水電站不同泄流方式的流量，實現(xiàn)了羅江水文站的流量在線監(jiān)測。采取的理論依據(jù)充分、遙測設備技術成熟、軟件開發(fā)難度不大，可作實驗性研究，并可推廣應用，逐步解決受水利工程影響的水文站實現(xiàn)流量在線監(jiān)測，減輕流量測驗次數(shù)和資料整編工作量，推進水文現(xiàn)代化建設。