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        ADCP在永慶反調(diào)節(jié)水庫(kù)閘門(mén)泄流曲線復(fù)核上的應(yīng)用

        2024-02-26 02:49:18曲志強(qiáng)王進(jìn)關(guān)勝文
        東北水利水電 2024年2期

        曲志強(qiáng),王進(jìn),關(guān)勝文

        (1.松遼水利委員會(huì)水文局黑龍江上游水文水資源中心,黑龍江 黑河 164300;2.松花江水力發(fā)電有限公司吉林豐滿(mǎn)發(fā)電廠,吉林 吉林 132108;3.遼寧省大連水文局,遼寧 大連 116021)

        1 水庫(kù)簡(jiǎn)介

        永慶反調(diào)節(jié)水庫(kù)位于豐滿(mǎn)發(fā)電廠下游10.3 km處的松花江干流上。水庫(kù)于2002 年9 月19 日開(kāi)工建設(shè),2005 年11 月12 日投入試運(yùn)行,2006 年工程竣工。永慶反調(diào)節(jié)水庫(kù)是一座以解放豐滿(mǎn)水電站60 MW 基荷,通過(guò)反調(diào)節(jié)水庫(kù)的均勻泄放,增加調(diào)峰容量。工程規(guī)模為中型水庫(kù),樞紐工程為Ⅲ等工程,主要由混凝土重力壩、土石壩、高堰壩段、低堰壩段、消力池等組成。其中,右岸低堰壩段有8 扇弧形閘門(mén),左岸高堰壩段有22 個(gè)開(kāi)敞式溢流孔及3 孔生態(tài)閘門(mén)。

        2 流量測(cè)驗(yàn)

        依據(jù)GB 50179—93《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》及SL 337—2006《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》,在閘門(mén)口采用定點(diǎn)測(cè)流結(jié)合下游穩(wěn)定斷面走航式ADCP施測(cè)的方式,根據(jù)不同水位合理布設(shè)測(cè)次,完成流量測(cè)驗(yàn)及各相關(guān)水文要素?cái)?shù)據(jù)的收集。

        2.1 測(cè)驗(yàn)方法

        ADCP 是目前國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)河流、渠道等水體流量的常用設(shè)備。相比于傳統(tǒng)流速儀法測(cè)流,使用ADCP 開(kāi)展流量測(cè)驗(yàn)具有測(cè)量速度快、可以獲取流場(chǎng)分布、能消除各種因素導(dǎo)致的誤差等特點(diǎn)。此次泄流曲線率定是將ADCP用繩索放置閘門(mén)口處,采用定點(diǎn)式聲學(xué)多普勒流速儀法測(cè)流。

        2.2 測(cè)次布設(shè)

        通過(guò)堰流方式對(duì)閘門(mén)泄流曲線復(fù)核時(shí),根據(jù)水位變化,從189.40 m 測(cè)至192.20 m。根據(jù)閘門(mén)開(kāi)度不同,對(duì)閘門(mén)泄流曲線復(fù)核時(shí),從192.20 m 測(cè)至堰流,閘門(mén)開(kāi)度分別為0.7,1.0,1.3,1.6,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 m。

        3 測(cè)驗(yàn)成果分析

        水庫(kù)泄洪閘門(mén)的泄流曲線是計(jì)算泄水流量的依據(jù),一般是由設(shè)計(jì)部門(mén)在水庫(kù)建設(shè)期提供,根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果或堰閘形式、流態(tài)等因素按孔流、堰流的水力學(xué)計(jì)算公式推算出閘門(mén)各開(kāi)度下的泄流流量。

        3.1 堰流測(cè)流成果

        堰流測(cè)流采用定點(diǎn)式測(cè)驗(yàn)方式進(jìn)行,分別對(duì)低堰閘門(mén)和生態(tài)閘門(mén)進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn),水位測(cè)量范圍為189.40~192.20 m。根據(jù)水位變化情況,40 s完成一個(gè)定點(diǎn)測(cè)量,最終選取各個(gè)節(jié)點(diǎn)水位進(jìn)行定線推流。

        3.1.1 低堰閘門(mén)堰流測(cè)流成果

        此次共完成了153 次流量測(cè)驗(yàn),從中選取22個(gè)代表性的測(cè)次對(duì)泄流關(guān)系曲線進(jìn)行率定復(fù)核,得到低堰閘門(mén)定點(diǎn)式測(cè)流關(guān)系曲線,見(jiàn)圖1。

        3.1.2 生態(tài)閘門(mén)堰流測(cè)流成果

        此次共完成了84 次流量測(cè)驗(yàn),從中選取25 個(gè)代表性的測(cè)次對(duì)泄流關(guān)系曲線進(jìn)行率定復(fù)核,得到生態(tài)閘門(mén)定點(diǎn)式測(cè)流關(guān)系曲線,見(jiàn)圖2。

        圖2 生態(tài)閘門(mén)定點(diǎn)式測(cè)流關(guān)系曲線

        3.2 檢驗(yàn)方法

        依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》要求,對(duì)所有實(shí)測(cè)流量點(diǎn)據(jù)進(jìn)行合理性分析,單次流量測(cè)驗(yàn)誤差均小于2%(規(guī)范要求為小于5%)。以每個(gè)水位對(duì)應(yīng)的流量關(guān)系點(diǎn)為實(shí)測(cè)點(diǎn),將這些實(shí)測(cè)點(diǎn)繪在水位流量關(guān)系線圖上,過(guò)其點(diǎn)群中心率定一條光滑曲線,并進(jìn)行定線精度檢驗(yàn)和關(guān)系曲線檢驗(yàn)。

        3.2.1 定線精度檢驗(yàn)

        根據(jù)下面公式對(duì)關(guān)系線的標(biāo)準(zhǔn)差、系統(tǒng)誤差和隨機(jī)不確定度進(jìn)行計(jì)算檢驗(yàn)。

        系統(tǒng)誤差計(jì)算方法:

        式中:Se為實(shí)測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差;p為系統(tǒng)誤差;Qi為第i次實(shí)測(cè)流量(作為單值化處理的單一線中第i次校正流量或校正流量因素),m3/s;Qci為第i次實(shí)測(cè)流量Qi相應(yīng)的曲線上的流量,也可作為單值化處理的單一線中第i次校正流量,或是校正流量因素相應(yīng)的曲線上的校正流量(正流量因素),m3/s;n為測(cè)點(diǎn)總數(shù)。

        隨機(jī)不確定度可按式下式計(jì)算:

        式中:X′Q——置信水平為95%的隨機(jī)不確定度。

        對(duì)實(shí)測(cè)的點(diǎn)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,系統(tǒng)誤差為-0.01%,隨機(jī)不確定度為7.2%。水文資料整編規(guī)范規(guī)定的精度要求見(jiàn)表1。

        表1 水位流量關(guān)系定線精度指標(biāo)

        通過(guò)對(duì)照水位流量關(guān)系定線精度指標(biāo)可以確定,此次單一曲線測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差滿(mǎn)足規(guī)范要求。

        3.2.2 關(guān)系曲線檢驗(yàn)

        1)對(duì)單一曲線進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)。分別統(tǒng)計(jì)測(cè)點(diǎn)偏離曲線的正、負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)(偏離值為零者,作為正、負(fù)號(hào)測(cè)點(diǎn)各半分配),按下式計(jì)算統(tǒng)計(jì)量u值:

        式中:k為正號(hào)或負(fù)號(hào)個(gè)數(shù);p,q為正、負(fù)號(hào)概率,各為0.5;*為連續(xù)改正數(shù)(離散型轉(zhuǎn)換為連續(xù)型)。

        并將其與用給定的顯著性水平α查表所得的u1-α/2值比較,當(dāng)計(jì)算的u<u1-α/2則認(rèn)為合理,即接受假設(shè);否則應(yīng)拒絕原假設(shè)。

        2)進(jìn)行適線檢驗(yàn)。按測(cè)點(diǎn)水位由低至高排列順序,從第二點(diǎn)開(kāi)始統(tǒng)計(jì)偏離正負(fù)符號(hào)變換,變換符號(hào)記1,否則記0。統(tǒng)計(jì)記“1”的次數(shù),按下式計(jì)算得到u值:

        式中:k為變換符號(hào)次數(shù),k<0.5(n-1) 時(shí)作檢驗(yàn),否則不作此檢驗(yàn);p,q分別為變換、不變換符號(hào)的概率,各為0.5。

        計(jì)算得出的u與給定的顯著性水平α查表得到的u1-α值作比較,當(dāng)u<u1-α則認(rèn)為合理,即接受檢驗(yàn);否則應(yīng)拒絕原假設(shè)。

        3)進(jìn)行偏離數(shù)值檢驗(yàn)。按下式分別計(jì)算統(tǒng)計(jì)量t值、平均相對(duì)偏離值的標(biāo)準(zhǔn)差值:

        式中:s為p的標(biāo)準(zhǔn)差;為測(cè)點(diǎn)與關(guān)系曲線的相對(duì)偏離值。

        將t值與用給定顯著性水平α查表得的t1-α/2值比較,當(dāng)|t|<t1-α/2則認(rèn)為合理,即接受檢驗(yàn);否則應(yīng)拒絕原假設(shè)。

        通過(guò)對(duì)水位流量關(guān)系曲線3 種檢驗(yàn)指標(biāo)的計(jì)算得出的結(jié)果如表2。

        表2 閘門(mén)的3 種檢驗(yàn)計(jì)算成果表

        關(guān)系線3 種檢驗(yàn)合理性檢查標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

        表3 臨界值t1-α/2

        經(jīng)檢驗(yàn),系統(tǒng)誤差與隨機(jī)不確定度均滿(mǎn)足一類(lèi)精度水文站要求的定線精度指標(biāo),對(duì)關(guān)系曲線的3 種檢驗(yàn)均能滿(mǎn)足合理性要求,所以計(jì)算得到的水庫(kù)尾水位流量曲線定線合理,可用于推流。

        3.3 閘門(mén)不同開(kāi)啟度測(cè)流成果分析

        當(dāng)檢驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足上述3 種關(guān)系檢驗(yàn)后,對(duì)閘門(mén)不同開(kāi)啟度測(cè)流結(jié)果進(jìn)行測(cè)流成果分析。泄流分為兩種情況,當(dāng)泄流受到閘門(mén)控制時(shí),從堰頂與閘門(mén)底間的孔口流出時(shí),這種水流狀態(tài)為孔流,即控泄;當(dāng)頂部閘門(mén)完全開(kāi)啟時(shí),閘門(mén)底脫離水面,閘門(mén)對(duì)水流完全不起控制作用,水流自由下泄,這種水流流態(tài)為堰流,即敞泄。

        根據(jù)閘門(mén)開(kāi)度不同,對(duì)閘門(mén)泄流曲線進(jìn)行復(fù)核,當(dāng)閘門(mén)開(kāi)度與上游水位持平時(shí),出流介于孔流與堰流臨界點(diǎn)。根據(jù)水庫(kù)提供的設(shè)計(jì)圖紙,當(dāng)閘門(mén)開(kāi)度為3.5 m 時(shí),孔流與堰流的臨界水位為190.30 m;當(dāng)閘門(mén)開(kāi)度為4.0 m 時(shí),孔流與堰流的臨界水位為190.76 m;當(dāng)閘門(mén)開(kāi)度為4.5 m 時(shí),孔流與堰流的臨界水位為191.30 m;當(dāng)閘門(mén)開(kāi)度為5.0 m 時(shí),孔流與堰流的臨界水位為191.87 m。經(jīng)過(guò)與水庫(kù)提供的閘門(mén)開(kāi)度與泄流能力關(guān)系表進(jìn)行比對(duì),見(jiàn)表4。測(cè)驗(yàn)結(jié)果與閘門(mén)開(kāi)度與泄流能力關(guān)系表數(shù)據(jù)吻合。

        表4 閘門(mén)開(kāi)度與泄流能力關(guān)系表 m3/s

        4 水量平衡法與泄流曲線復(fù)核成果的合理性校驗(yàn)

        為了檢驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,采用水量平衡法對(duì)泄流曲線進(jìn)行合理性校驗(yàn)。水量平衡是指任意選擇的區(qū)域(或水體),在任意時(shí)段內(nèi),其收入的水量與支出的水量之間差額必等于該時(shí)段區(qū)域(或水體)內(nèi)蓄水的變化量,即水在循環(huán)過(guò)程中,從總體上說(shuō)收支平衡。根據(jù)永慶反調(diào)節(jié)水庫(kù)的入庫(kù)、出庫(kù)的水量,結(jié)合水庫(kù)的庫(kù)容變化,通過(guò)在閘下使用定點(diǎn)式ADCP 實(shí)測(cè)的閘門(mén)泄流量進(jìn)行合理性檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

        表5 水量平衡法與泄流成果

        5 結(jié)語(yǔ)

        本文使用ADCP 完成閘下流量測(cè)驗(yàn),滿(mǎn)足規(guī)范相關(guān)要求。使用傳統(tǒng)流速儀法率定泄流曲線時(shí),需要在閘下選擇固定地點(diǎn),由人工手持測(cè)深桿固定流速儀在激流條件下測(cè)量流速,再通過(guò)計(jì)算獲得流量數(shù)據(jù)。使用ADCP 在水閘下進(jìn)行曲線復(fù)核,可以減少人力物力投入,同時(shí)也減少了在閘下激流條件下的人工參與,大大增強(qiáng)了測(cè)驗(yàn)安全性,具有較高的推廣價(jià)值。

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