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）

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，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關系，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)定的水位流量關系，影響緊水灘水庫洪水預報的精度，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，相應庫容10.4億m3，死水位164 m，相應庫容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，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)進行相關分析，即可以得到它們的相關關系。其關系的一般形式為：

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)在緊水灘的應用

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

緊水灘水庫入庫控制斷面測流設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掌髦校行恼緦⒉杉降臄?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；可以中心服務器進行數(shù)據(jù)查詢和分析。

3.2 設備安裝

3.2.1 流量測驗設備

流量測驗設備包括水平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備安裝;滑道支架釆用膨脹螺栓固定在混凝土預制安裝墻上，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，與相關設備連接進入系統(tǒng)運行。與系統(tǒng)相關設備（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 水位觀測設備

水位觀測設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 中心站設備

測流中心站主要設備有數(shù)據(jù)處理服務器、中心站接收模塊、專用流量監(jiān)測軟件。數(shù)據(jù)服務器采用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關系（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關系，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/測流流量倍比相關圖

圖3 5月16日緊水灘預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關系，快速預報緊水灘水庫入庫流量，預報精度滿足規(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減災服務。

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