秘魯圣加旺Ⅲ級水電站水文測驗實踐

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(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

圣加旺(San Gabán)Ⅲ級水電站為圣加旺河干流4級開發方案的最下游一級，位于秘魯東南部卡拉瓦亞省圣加旺河右岸，壩址上距圣加旺2級水電站壩址約10 km，下距圣加旺河口約46 km。

圣加旺河發源于克納馬里(Quenamari)高原，流域總面積3 418 km2，其中2 437 km2在海拔4 000 m以上，屬高山荒原。河流總長135 km, 海拔較高段的坡度較小，海拔4 000 m以上水流湍急，海拔降至1 000 m后坡度再次變小，該河最終在海拔440 m處匯入伊南巴里(Inambari)河。圣加旺Ⅲ級水電站位于圣加旺河流域下游，控制流域面積2 774 km2，河長89.49 km，平均比降38‰。

1 測驗斷面布置

1.1 站址布置

壩址站位于圣加旺Ⅲ級水電站壩址施工區下游100 m，該站右岸設立了自記水位計，站下游200 m為圣加旺Ⅲ級水電站尾水出口。河段上游200 m至下游100 m河勢較緩；斷面左岸為亂石灘，右岸為陡崖。河段為寬淺河床，低水水面寬20 m，高水水面寬約50 m，河床由砂石組成。壩址站附近河段河勢見圖1。

圖1 壩址站附近河段河勢

廠房站位于圣加旺Ⅲ級水電站廠房施工區下游1 100 m，廠房施工區右岸設立了自記水位計，廠房站采用人工水位觀測；站上游300 m有彎道，下游河段較為平緩開闊，斷面位于過河橋下，方便施測。斷面左右岸均為水泥護坡，橫斷面為“U”型，水面寬約50 m，河床由亂石組成。廠房站附近河段河勢見圖2。

圖2 廠房站附近河段河勢

1.2 測驗斷面

壩址站、廠房站從2017年11月至2018年5月利用過河纜道、走航式ADCP、電波流速儀等設備對2個斷面分別進行了27次流量測驗以及2次大斷面測驗。測次可滿足推求斷面水位流量關系，準確計算測驗時段水量和各特征值。一般高中洪水按繩套線型布置測次，汛期測次適當增加，枯期以大約每周一次測次均勻布置。

壩址站斷面(見圖3)采用拖船式ADCP配套GPS定位進行可走航式常規流量測驗，測驗時利用擴頻無線電臺與計算機通信，所有ADCP采集數據、GPS定位數據等均通過無線電臺傳至計算機，人在岸邊不與水接觸，只需拖拽過河纜道即可完成ADCP走航測驗。通過多次測驗，壩址站斷面較為穩定，見圖3。

圖3 壩址站斷面

廠房站斷面(見圖4)選取在橋下，由卵石組成，河床穩定，因此采用電波流速儀在固定起點距測驗流速。考慮到水位變化，固定測流起點距的選取在各個水位級均能正常施測，并兼顧中泓和水邊，保證施測點能完全代表斷面流速分布。

圖4 廠房站斷面

2 測驗儀器的選擇及性能分析

根據壩址、廠房站不同河段條件，需選擇合適的測流儀器。通過查勘，壩址站利用現有條件架設過河纜道，測驗方式采用拖船式ADCP配套GPS定位進行走航式測驗。廠房站位于廠房水位站下游約1.1 km的公路橋下，低水采用拖船式ADCP配套GPS定位進行走航式常規測驗，中高水采用固定起點距，電波流速儀施測流速，借用大斷面的方式施測斷面流量。

2.1 RiverSurveryorS5/M9聲學多普勒水流剖面儀

ADCP選用RiverSurveryorS5/M9聲學多普勒水流剖面儀，多頻率換能器配置可自動轉換單元大小、工作頻率、采樣頻率和工作模式。最小測量距離可僅為0.06 m，而最大水深測量范圍可達80 m，垂直超聲波波束可直接精確測量水深與河床斷面。該儀器安裝在三體船上，使用擴頻無線電臺，在岸邊即可直接利用便攜式電腦進行控制測驗。

ADCP具有能直接測出斷面流速剖面、測驗歷時短、測速范圍大、保證測驗人員安全等特點[1]。與傳統測驗方式相比，ADCP具有以下優點：①在隨測量船運動過程中進行測量，極大縮短了測流歷時，能夠最大程度測取實時洪峰流量。②不要求測流斷面垂直于河岸，船行軌跡可以是斜線或曲線，為在臨時斷面搶測突發洪水提供了便利。③全程自動化程度高，無需人工過多干預，系統自動判斷成果精度。④測速范圍大，一次形成包括流速、流量、流向和水深等水文要素成果。⑤測流裝置安裝方便，對附屬設施數量要求很少，系統整體質量小、方便攜帶。

2.2 電波流速儀

電波流速儀利用多普勒效應，通過電磁波遇到河道水體表面時發生反射，在波源、觀察者、不同介質之間發生相對運動而引起電磁波頻率改變的原理研制。應用電波流速儀測速時，波源與施測者不動，水體相對運動引起反射波的頻率改變(電波流速儀僅利用反射波)，改變量的大小與水體表面流動的相對速度有關。發射波頻率與反射波頻率的差值即為多普勒頻率，用數學公式表示為[2]

fd=|fo-fi|

(1)

(2)

式中，fo為發射頻率,Hz；fi為接收到的回波頻率,Hz；C為電磁波在空氣中的傳播速度,3×108m/s；V為水面流速，m/s；θ為發射波與水面方向夾角，由方位角與俯角構成。

電波流速儀發射波呈橢圓狀發散在水面，橢圓形區域大小與測程、電磁波發射角有關，因此電波流速儀測量的水面流速是橢圓形區域的面平均流速。

針對測區現場環境綜合考慮具體斷面測驗方式，廠房斷面選擇橋測，其優勢在于： ①可避免或減少風浪影響，山區河流水深較淺，流速較大，涉水測驗人員和儀器存在較大安全風險，橋測可以避免安全事故的發生，降低測驗難度。②橋測不受特大洪水影響的公路橋為雙曲拱橋，穩定性好，一般洪水不會對橋梁構成威脅，洪峰流量基本均可測得。③測速垂線和測點相對固定，基本不會受大風浪及流向偏角的影響，起點距固定，每次測深測速垂線的位置基本保持一致，相對誤差較小，提高了測驗的精度。④橋測節省人力，縮短測驗歷時，在不遇到特大洪水的情況下1人即可完成操作橋測車[3]。對于涉外項目，測驗人員嚴重不足，選擇橋測可以很好解決該問題，完成測驗任務。

3 水文測驗方法

壩址站架設簡易過河纜道，采用拖船式ADCP進行走航測驗并使用GPS導航。測前做好斷面計劃線，測量中將GPS放置在ADCP探頭上方，若出現GPS信號差或信號中斷的情況，可及時進行補測，保證每測次有兩個測回數據。每次測量開始和結束時均需要記錄測量時間，并根據自記水位儀采集的水位數據查讀水位，取兩次水位的平均值作為該次流量的相應水位。當測驗中出現較大水位變化時，則需再增加1次水位觀測，取測前、測中和測后的水位平均值作為相應水位。最后，選取兩測回流量值的平均值作為最終流量，若某一測回的單次流量與平均流量誤差大于5%，則需及時重測。

廠房站使用電波流速儀施測流速，為了減少測速的誤差，對固定6個起點距進行流速測驗。每一個測點至少需要2次測量，每次測量不少于30 s，對測量結果計算平均值，作為測點的水面流速。同樣地，對于廠房站流量斷面，在每次測量開始和結束時均需記錄測量時間和水位(測流斷面)，將兩次水位的平均值作為該次流量的相應水位，并根據測量時間查讀廠房水位站水位，記錄在流量成果中備查, 然后建立測流斷面水位和廠房水位站相關關系。對于廠房站斷面流量的計算，借用已測大斷面計算斷面面積，在水流平穩期進行電波流速儀與ADCP測驗的比測工作，確保不同儀器測量成果的一致性。通過比測分析，流速改正系數取為0.8計算斷面流量。

4 測驗成果分析

壩址站位于圣加旺Ⅲ級電站施工區的上游。根據測流斷面地勢及水流情況，流量采用走航式ADCP施測。考慮測驗河段水流特性，壩址站利用測流斷面每次測流同步觀測的水位，建立水位流量關系，并利用整匯編軟件對相關關系進行檢驗，得到的檢驗精度符合III類精度專用站的誤差要求。然后，通過連續水位過程，利用相關公式推求流量過程，相關關系見圖5和圖6。

圖5 2017年11月至2018年5月壩址站水位流量關系曲線

圖6 圣家旺壩址站水位-流量關系曲線精度檢驗結果

廠房站位于壩址站下游約1 000 m，經考察，選擇斷面附近的一座公路橋作為流量測驗的載體，利用電波流速儀施測垂線流速，借用原實測大斷面成果。然而，廠房站測流斷面與水位站有一定距離(水位站位于測流斷面上游約1km處)，因此需要先計算水位過程。利用水位站水位與測流斷面水位的關系，建立測流斷面水位與實測流量的相關關系，見圖7～9。

經過整匯編軟件計算得到壩址站和廠房站2017年12月至2018年5月逐日平均流量、洪水水文要素摘錄成果，兩站有關流量特征值見表1。

圖7 廠房站水位與測流斷面水位相關關系

圖8 廠房站水位-流量關系曲線

圖9 圣家旺廠房站水位-流量關系曲線檢驗計算結果

5 存在問題與解決方法

通過對圣加旺Ⅲ級水電站壩址斷面、廠房斷面進行長達7個月的水文觀測工作，發現主要存在3類問題：外部條件問題、測驗問題和數據處理問題。在經過分析處理后，上述問題得到了較好地解決。

5.1 外部條件問題及解決方法

(1)測驗斷面布設難度大。圣加旺河是一條典型的山區性河流，河流來水主要為冰山融水，河段落差大、水流急、水面窄、岸線極不規則，急彎、卡口、突嘴很多，常有孤石突出或礁石林立。河床質由基巖、鵝卵石組成，河道窄淺，暴雨與山洪往往同時發生，洪水持續時間不長。斷面選擇需在壩址和廠房附近，可選河段很短。多次查勘后，壩址斷面選擇在相對穩定的河道，無巨石凸起且流速相對較小的斷面。廠房附近河段蜿蜒，無順直河段，河中巨石較多，且流速較大，基本無法施測。廠房流量斷面選取在下游1.1km的橋梁處。經考察沿程河段無支汊匯入，通過固定垂線，用電波流速儀施測垂線流速，斷面則借用原實測大斷面成果的方法完成流量過程測量。

(2)與當地人員存在溝通障礙。熟練掌握當地語言對海外工程的順利實施十分重要。由于相關的專業人才外語水平較低，因此在與當地人員進行交流與溝通時只能依靠翻譯人員，可能會產生一定的表達障礙和誤解。特別是在對當地法律法規不夠熟悉的情況下，進入私人領地未事先與地主溝通，導致與當地人產生矛盾，甚至有破壞測驗設施的情況發生。需要加強人員教育培訓，尊重當地風俗，了解當地文化并與當地人做好溝通交流工作，避免產生不必要的損失。

5.2 測驗問題及解決方法

(1)現場對測量可靠性的判斷。由于對圣加旺河水文歷史了解不足，也無太多歷史資料參考，需要嚴格按照操作規程施測。測前需對儀器進行檢校，參數的設置需復核檢查，確保儀器正常工作。測中保證操作規范，ADCP船速、岸邊距離估算，電波流速儀測驗固定起點距的位置、方向均嚴格按規程操

表1 測流斷面流量特征值

作；測后可用簡易浮標法等方式復核測驗成果。測驗結束后，及時點繪水位流量關系線，綜合分析測次成果是否合理。通過多節點控制，保證成果質量。

(2)測驗儀器的維護及保養。定期對儀器設備進行保養維護十分重要。由于現場儀器長期處于潮濕環境，需要現場人員定期對儀器進行除濕、充電，保持儀器干燥；現場使用的自記水位計無遠程監控，無法掌握水位是否正常、電瓶電量是否充足等儀器狀況，因此應至少每周進行1次水位校核、1次儀器檢查，兩周更換1次電瓶，隨時了解儀器工作狀態。

5.3 數據處理問題及解決方法

(1)壩址和廠房測流斷面均處于山區河流，降水后的產匯流期間，容易形成暴漲暴落的山洪，河床落差明顯，河道比降較大，洪水過程持續時間短。無法按照繩套曲線布置測次，因此兩站流量均采用單一曲線法推流整編。

(2)廠房河段無法布設測流斷面，導致測流斷面與水位站不在一起，因此，應首先計算水位過程，建立水位站水位與測流斷面水位關系，再建立測流斷面水位與實測流量的相關關系。

6 結 語

秘魯圣加旺Ⅲ級水電站的水文測驗實踐表明，水文測量工作具有多樣性與復雜性。流量測驗在不同的河段中方法靈活多樣、各具特色，特別是典型大比降山區性河流。對于斷面和測驗儀器的選樣，均需根據現場條件進行合理配置，只有選擇合理的方案才能高效安全地完成河段水文測驗。