ADCP在永庆反调节水库闸门泄流曲线复核上的应用

曲志强，王进，关胜文

（1.松辽水利委员会水文局黑龙江上游水文水资源中心，黑龙江 黑河 164300；2.松花江水力发电有限公司吉林丰满发电厂，吉林 吉林 132108；3.辽宁省大连水文局，辽宁 大连 116021）

1 水库简介

永庆反调节水库位于丰满发电厂下游10.3 km处的松花江干流上。水库于2002 年9 月19 日开工建设，2005 年11 月12 日投入试运行，2006 年工程竣工。永庆反调节水库是一座以解放丰满水电站60 MW 基荷，通过反调节水库的均匀泄放，增加调峰容量。工程规模为中型水库，枢纽工程为Ⅲ等工程，主要由混凝土重力坝、土石坝、高堰坝段、低堰坝段、消力池等组成。其中，右岸低堰坝段有8 扇弧形闸门，左岸高堰坝段有22 个开敞式溢流孔及3 孔生态闸门。

2 流量测验

依据GB 50179—93《河流流量测验规范》及SL 337—2006《声学多普勒流量测验规范》，在闸门口采用定点测流结合下游稳定断面走航式ADCP施测的方式，根据不同水位合理布设测次，完成流量测验及各相关水文要素数据的收集。

2.1 测验方法

ADCP 是目前国内监测河流、渠道等水体流量的常用设备。相比于传统流速仪法测流，使用ADCP 开展流量测验具有测量速度快、可以获取流场分布、能消除各种因素导致的误差等特点。此次泄流曲线率定是将ADCP用绳索放置闸门口处，采用定点式声学多普勒流速仪法测流。

2.2 测次布设

通过堰流方式对闸门泄流曲线复核时，根据水位变化，从189.40 m 测至192.20 m。根据闸门开度不同，对闸门泄流曲线复核时，从192.20 m 测至堰流，闸门开度分别为0.7，1.0，1.3，1.6，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0 m。

3 测验成果分析

水库泄洪闸门的泄流曲线是计算泄水流量的依据，一般是由设计部门在水库建设期提供，根据模型试验结果或堰闸形式、流态等因素按孔流、堰流的水力学计算公式推算出闸门各开度下的泄流流量。

3.1 堰流测流成果

堰流测流采用定点式测验方式进行，分别对低堰闸门和生态闸门进行流量测验，水位测量范围为189.40～192.20 m。根据水位变化情况，40 s完成一个定点测量，最终选取各个节点水位进行定线推流。

3.1.1 低堰闸门堰流测流成果

此次共完成了153 次流量测验，从中选取22个代表性的测次对泄流关系曲线进行率定复核，得到低堰闸门定点式测流关系曲线，见图1。

3.1.2 生态闸门堰流测流成果

此次共完成了84 次流量测验，从中选取25 个代表性的测次对泄流关系曲线进行率定复核，得到生态闸门定点式测流关系曲线，见图2。

图2 生态闸门定点式测流关系曲线

3.2 检验方法

依据《水文资料整编规范》要求，对所有实测流量点据进行合理性分析，单次流量测验误差均小于2%（规范要求为小于5%）。以每个水位对应的流量关系点为实测点，将这些实测点绘在水位流量关系线图上，过其点群中心率定一条光滑曲线，并进行定线精度检验和关系曲线检验。

3.2.1 定线精度检验

根据下面公式对关系线的标准差、系统误差和随机不确定度进行计算检验。

系统误差计算方法：

式中：Se为实测点标准差；p为系统误差；Qi为第i次实测流量（作为单值化处理的单一线中第i次校正流量或校正流量因素），m3/s；Qci为第i次实测流量Qi相应的曲线上的流量，也可作为单值化处理的单一线中第i次校正流量，或是校正流量因素相应的曲线上的校正流量（正流量因素），m3/s；n为测点总数。

随机不确定度可按式下式计算：

式中：X′Q——置信水平为95%的随机不确定度。

对实测的点据进行计算，系统误差为-0.01%，随机不确定度为7.2%。水文资料整编规范规定的精度要求见表1。

表1 水位流量关系定线精度指标

通过对照水位流量关系定线精度指标可以确定，此次单一曲线测点标准差满足规范要求。

3.2.2 关系曲线检验

1）对单一曲线进行符号检验。分别统计测点偏离曲线的正、负号个数（偏离值为零者，作为正、负号测点各半分配），按下式计算统计量u值：

式中：k为正号或负号个数；p，q为正、负号概率，各为0.5；*为连续改正数（离散型转换为连续型）。

并将其与用给定的显著性水平α查表所得的u1-α/2值比较，当计算的u＜u1-α/2则认为合理，即接受假设；否则应拒绝原假设。

2）进行适线检验。按测点水位由低至高排列顺序，从第二点开始统计偏离正负符号变换，变换符号记1，否则记0。统计记“1”的次数，按下式计算得到u值：

式中：k为变换符号次数，k＜0.5(n-1) 时作检验，否则不作此检验；p，q分别为变换、不变换符号的概率，各为0.5。

计算得出的u与给定的显著性水平α查表得到的u1-α值作比较，当u＜u1-α则认为合理，即接受检验；否则应拒绝原假设。

3）进行偏离数值检验。按下式分别计算统计量t值、平均相对偏离值的标准差值：

式中：s为p的标准差；为测点与关系曲线的相对偏离值。

将t值与用给定显著性水平α查表得的t1-α/2值比较，当|t|＜t1-α/2则认为合理，即接受检验；否则应拒绝原假设。

通过对水位流量关系曲线3 种检验指标的计算得出的结果如表2。

表2 闸门的3 种检验计算成果表

关系线3 种检验合理性检查标准见表3。

表3 临界值t1-α/2

经检验，系统误差与随机不确定度均满足一类精度水文站要求的定线精度指标，对关系曲线的3 种检验均能满足合理性要求，所以计算得到的水库尾水位流量曲线定线合理，可用于推流。

3.3 闸门不同开启度测流成果分析

当检验结果满足上述3 种关系检验后，对闸门不同开启度测流结果进行测流成果分析。泄流分为两种情况，当泄流受到闸门控制时，从堰顶与闸门底间的孔口流出时，这种水流状态为孔流，即控泄；当顶部闸门完全开启时，闸门底脱离水面，闸门对水流完全不起控制作用，水流自由下泄，这种水流流态为堰流，即敞泄。

根据闸门开度不同，对闸门泄流曲线进行复核，当闸门开度与上游水位持平时，出流介于孔流与堰流临界点。根据水库提供的设计图纸，当闸门开度为3.5 m 时，孔流与堰流的临界水位为190.30 m；当闸门开度为4.0 m 时，孔流与堰流的临界水位为190.76 m；当闸门开度为4.5 m 时，孔流与堰流的临界水位为191.30 m；当闸门开度为5.0 m 时，孔流与堰流的临界水位为191.87 m。经过与水库提供的闸门开度与泄流能力关系表进行比对，见表4。测验结果与闸门开度与泄流能力关系表数据吻合。

表4 闸门开度与泄流能力关系表 m3/s

4 水量平衡法与泄流曲线复核成果的合理性校验

为了检验数据准确性，采用水量平衡法对泄流曲线进行合理性校验。水量平衡是指任意选择的区域（或水体），在任意时段内，其收入的水量与支出的水量之间差额必等于该时段区域（或水体）内蓄水的变化量，即水在循环过程中，从总体上说收支平衡。根据永庆反调节水库的入库、出库的水量，结合水库的库容变化，通过在闸下使用定点式ADCP 实测的闸门泄流量进行合理性检验，检验结果见表5。

表5 水量平衡法与泄流成果

5 结语

本文使用ADCP 完成闸下流量测验，满足规范相关要求。使用传统流速仪法率定泄流曲线时，需要在闸下选择固定地点，由人工手持测深杆固定流速仪在激流条件下测量流速，再通过计算获得流量数据。使用ADCP 在水闸下进行曲线复核，可以减少人力物力投入，同时也减少了在闸下激流条件下的人工参与，大大增强了测验安全性，具有较高的推广价值。