基于H-ADCP的水庫入庫流量測驗的實踐

2017-11-29 17:00:44劉國富呂仲成陳海榮

水電站機電技術 2017年11期

劉國富，呂仲成，陳海榮

（國網浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江麗水 323000）

劉國富，呂仲成，陳海榮

（國網浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江麗水 323000）

2000年以來，緊水灘流域內新建大量小水庫，小水庫調蓄改變緊水灘流域原有產匯流規律，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，實現實時在線測流，并建立以降水分布為參數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

緊水灘流域內小水庫林立，中小水庫70余座，總庫容1億m3，小水電調蓄改變緊水灘流域原有產匯流規律，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度產生不利影響。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實現流量實時在線監測并取得成功，為解決同類問題提供借鑒經驗。

1 概述

緊水灘水庫位于浙江省云和縣境內，在甌江上游大溪支流龍泉溪上，是一座以發電為主，兼顧航運、過木、防洪等綜合利用的不完全年調節水庫，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電，1988年6臺機組全部投產，目前總裝機容量305 MW（5×50 MW+55 MW），保證出力30.3 MW，設計年發電量4.9億kW·h，屬純調峰電站。

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，發電廠房為河床式地面廠房，裝機容量3×630 kW，年發電量634萬kW·h。工程于2001年11月開工，2004年10月并網發電運行。

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，通過臨江電站的調蓄作用和橡膠壩的充放水，造成緊水灘水庫洪水洪峰出現時間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，每個換能器既是發射器又是接收器。換能器發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射波頻率低。聲學多普靳頻移，即回波頻率與發射波頻率之差，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據，再對數據進行相關分析，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測流技術在緊水灘的應用

3.1 系統結構

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、GPRS遠傳系統、中心站數據處理服務器和流量系統軟件等組成。

H-ADCP實時在線監測流量，RTU采集H-ADCP流速、水位（浮子水位計數據接入）、水溫等水情數據以及電壓、姿態等工況數據，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測數據和成果數據通過GPRS遠傳系統傳輸到中心服務器中，中心站將采集到的數據進行統計、分析、處理后形成各種報表供查詢、打印和發布；同時動態顯示監測斷面的實時流量和累計流量；可以中心服務器進行數據查詢和分析。

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（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。數據線穿軟保護管，依附滑道支架固定升至機房內儀器機箱，與相關設備連接進入系統運行。與系統相關設備（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。

3.2.2 水位觀測設備

水位觀測設備包括細井式水位計、水位數據轉換器、人工觀測校核水尺。由于水文站原遙測系統已有水位計，只需增加一只水位分路器，從原系統中接入水位信號，經過數據轉換后，接入RTU。

3.2.3 中心站設備

測流中心站主要設備有數據處理服務器、中心站接收模塊、專用流量監測軟件。數據服務器采用Windows 2008 server中文企業版操作系統和SQL server 2005數據庫系統，實現數據的采集、處理、分析、存儲等功能。

3.3 H-ADCP測流分析

3.3.1 測驗參數率定

測驗設備采用走航式ADCP在聲波發射垂直斷面上,來回慢速測驗斷面網狀測點的流速以及河道斷面的形狀、面積、流量等，經專用軟件轉換為H-ADCP儀器的內置參數,實現H-ADCP儀器實時監測數據，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《水文資料整編規范》的規定。

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，發現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。而且倍比數據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，發現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。