利用水工建筑物开展罗江水文站流量在线监测的研究

陈 静

(四川省达州水文水资源勘测中心，四川 达州，635001)

通过多年的水利工程开发，在大中小河流上建设的水电站、闸坝、引(调)水等各种水利水电工程，改变了河流的天然流态和水文特性，对水文站的测报工作影响明显。在实现水文现代化的新形势背景下，如何充分利用水工建筑物特性，采用自动水位、闸位设备获取数据，结合水工模型或水力学方法，实现流量在线监测，是本文重点探讨的问题。

1 流域及站点概况

1.1 流域简况

州河是渠江左岸的最大支流，上源分前、中、后河三支，均发源于大巴山南麓，主流前河发源于城口县燕麦乡光头山，海拔2685.7m。自北东向西南流，至宣汉县城附近与后河汇合后始称州河。继续西南流，经宣汉县、通川区至渠县三汇镇汇入渠江。流域形状呈树枝状发育，州河较大支流有明月江、铜钵河、东柳河等，全长310km，河道平均坡降1.41‰，流域面积11165km2。

流域地势由北向南倾斜，地形复杂，源头区域为重山叠嶂的高山区，分水岭海拔高程多在1500m～2200m之间；中、下游为低山深丘区，海拔高程多在500m～1200m；干流区域为丘陵区，海拔高程自上游向下游逐渐递减，至渠县三汇镇降至240m。州河上游属山溪性河流，河槽呈“V”形，两岸山势陡峻，河道蜿蜒曲折；中下游多为沙滩、沙洲、卵砾石漫滩相间分布，水流湍急，河道宽阔，河槽呈“U”形，两岸山岭相对较低，河道坡降逐渐变缓，有较开阔的河谷平坝出现，农耕发达，人烟稠密，经济繁荣，交通方便。

1.2 站点概况

罗江水文站为州河干流国家重要水文站、报汛站，流量一类精度站，泥沙二类精度站，建于2010年1月，系原东林水文站下迁27km后新设站，位于通川区北外镇徐家坝村，东经107°32′，北纬31°18′，控制流域集水面积6830km2，距河口距离69km。该站有降水、蒸发、土壤墒情、水位、流量、泥沙等监测要素。

1.3 流量测验情况

该站流量测验低水受下游河滩控制，中、高水为河槽控制。汛期流量测验实行“1+1”的工作模式，中低水采用缆道流速仪施测或缆道搭载走航式ADCP施测，高水采用缆道流速仪或缆道电波流速仪。测流时机按水位过程布点，平枯水按水位变化以能控制流量变化过程、满足定线推流为准。洪水期按洪水过程布设测点，测点分布在起涨、涨坡、洪峰及退坡上，以能满足绳套线定线推流为准。

实测资料显示：最高水位290.92m，最低水位272.30m，最大水位变幅18.62m；最大流量9700m3/s、最小流量1.90m3/s，最大含沙量6.03kg/m3，平均输沙量119万吨；最高水位时的水面宽213m、最大流速5.15m/s、最大水深18.1m，最大涨落率9.3m/h，最枯水位时的水面宽70.7m、断面平均流速0.026m/s，平均水深1.11m。

1.4 流量测验存在的问题

(1)各级流量测验均受上游罗江口水电站蓄水、泄洪影响，为控制流量过程，全年施测流量测次较多，统计来看，近5年平均测流都在90份以上。

(2)低枯水流量测验困难。由于受罗江口电站峰谷发电蓄水影响，在电站蓄水期，河道内来水量小，部分垂线流速仪入水困难或入水后流速达不到流速仪启动流速，测验精度受到影响。

(3)中高水流量关系紊乱，多为绳套线型，点群带宽，流量单值化处理困难。以同级水位277.70m为例，实测最大流量2090m3/s，最小流量1420m3/s，同水位级流量相差670m3/s，相差流量超过了最小流量的47.2%。分析来看，主要受洪水涨落及下游明月江回水顶托影响，该站流量采用临时曲线法和连时序法推流。

(4)由于该站受洪水涨落影响明显，不仅流量测次多，整编推流时段也较多。统计近5年平均推流时段约25个，2018年甚至达到28个，该站的测验、整编工作量，不便于现代化巡测模式。

(5)现状流量测验方式主要依靠水文缆道，一旦缆道故障，将无法施测流量。加之缆道横跨城区交通要道，车流量大，缆道运行时存在较大安全隐患。

2 采用水工建筑物实现流量在线监测分析

2.1 电站概况

州河干流自上而下分布有江口、罗江口、金盘子、舵石鼓四个梯级水电站。其中，罗江口水电站系州河干流梯级开发中的第二级，坝址以上控制集水面积6766km2，电站由主厂房、大坝、升船机、泄洪闸、冲沙闸五部分组成，最大坝高23.5m，水库正常蓄水位297.0m，汛限水位295.7m，死水位290.5m，总库容0.9×108m3，调节库容0.021×108m3，具有日调节能力。罗江口水电站设计水头21.5m，单机正常引用流量69.0m3/s，设计装机容量3×1.3万kW。

罗江口水电站位于罗江水文站上游约2.8km，电站的退水有发电、冲沙、泄洪三种方式，这3种退水均对罗江水文站的水位、流量有直接影响。

2.2 不同泄流方式下的流量监测

罗江水文站与罗江口水电站河道距离仅有2.8km，中间无大的支流加入，两断面集水面积相差仅为0.9%，可以忽略不计，罗江口坝址处流量可以直接代替罗江水文站址处流量。

分析该电站泄流方式主要以下3种：①发电尾水流量(Q电)；②冲沙闸孔冲沙时的泄水量(Q冲)；③泄洪闸泄洪量(Q泄)。将同一时刻不同方式的泄水量准确计算出来，即可得到下游罗江水文站断面的实测流量。

即t时刻的合成流量为：

Qt=Q电t+Q冲t+Q泄t

(1)

2.2.1 发电尾水流量监测

水电站是把水的位能和动能转换成电能的工厂，其出力公式为：

N=9.81ηQ电H净

(2)

式中：N——水电站的出力，kW；

η——水电站的效率系数；

Q电——发电引用流量，m3/s；

H净——水电站净水头。

根据上式可知，只要获取了水电站的发电量和上下游水头差，即可反算出发电所引用的流量。其流量推算公式为：

Q电=N/(9.81ηH净)

(3)

其中，水电站的出力N，可通过电站在线监测记录获取；水电站的效率系数η，可以通过水轮机出厂参数查得，也可通过尾水渠适当断面进行现场率定获取；H净可以通过大坝上下游水头差计算而得。

通过在坝址上下游布置水位遥测设备，可以自动获取上下游水头差。并通过相关软件读取电站全天各时段出力和水头，按照出力公式即可获取罗江口水电站发电实时流量。

2.2.2 冲砂闸孔水量监测

罗江口水电站冲砂闸的主要作用是拉走库前泥沙，以减轻库内淤积、同时兼顾泄洪，该电站为3扇平板冲沙闸门，每扇闸宽4.0m、高8.0m。冲沙闸室底板高程273.0m，略高于上、下游河床高程。该冲砂孔以淹没出流为主，流量采用淹没孔流计算公式：

(4)

式中：μ1——孔流淹没系数；

n——闸孔数量；

b——闸孔宽度；

e——闸门开启高度；

△Z——上下游水头差。

上式中，b为固定值(4m)；n和e可通过闸孔上安装的闸门启闭机计数器获取；△Z可通过上下游遥测水位计之差得到，闸下水流与电站发电尾水流贯通，坝下水位即为闸下水位。μ1可通过现场率定，也可以采用经验淹没系数推求，其公式为：

(5)

上式中H为总水头，其他各符号意义同前。安装或获取已安装的闸门启闭机计数器，结合上下游遥测水位计，即可得到闸门开启度和总水头，按式(4)可以获取实时冲沙孔下泄流量。

2.2.3 泄洪闸流量监测

罗江口水电站为闸坝式，泄洪闸坝段长137m，分8孔。溢流堰为WES型混凝土重力坝，堰顶高程为284.0m。最大下泄流量为11100m3/s，采取分区底流式消能。闸门为钢结构弧形闸门，采取液压启闭机自动控制启闭。泄洪闸流量监测根据闸门开度分两种情况。

(1)洪水期当闸门未全开时，泄洪闸流量为自由孔流。

流量计算采用自由孔流水力学公式：

(6)

式中：μ——自由孔流量系数；

其他符号意义同前。

μ值通过现场率定，也可以采用经验流量系数弧形曲线形实用堰闸公式推求，其公式为：

(7)

(2)当闸门开启度加大，达到e/H≥(e/H)c时，水流由孔流变为自由堰流。

流量采用自由堰流计算公式：

(8)

式中：C——堰流流量系数；

其他符号意义同前。

上式中，堰流流量系数C(含侧收缩系数和进口流态系数)可通过水力学经验公式计算或查图表得到，也可通过水文站实测流量现场率定；b为堰口单孔宽度，是固定值；n为过流孔数，可通过闸孔上安装的闸门启闭机计数器获取过流孔数；H为总水头，通过坝上遥测水位计获取；另本文建议可通过水文站实测流量对水力学计算流量进行率定，得出相关系数，就能按式(6)、式(8)可以计算出泄洪闸两种流态的下泄流量。

3 实现流量在线监测的设备配置

从前面分析来看，罗江口水电站不同退水情况下的实时流量均可以采用水力学公式进行计算，相关参数的获取须配置相应的设备，方能实现在线监测、分析计算和自动传输。

根据罗江口水文站工程特性，需要配置坝上、坝下水位计，冲沙闸孔闸位计，泄洪闸弧形闸门开启高度闸位计。水位计和闸位计均采用遥测设备自动采集和GPRS自动传输。

(1)坝上水位计：根据坝上条件，可采用雷达式水位计，安装在大坝上游侧右岸，避开闸门水流有跌变部位。

(2)坝下水位计：可采用压力式水位计，安装在尾水末端水流平稳处。

(3)闸位计：闸位传感器应分平板门式和弧形门式，根据罗江口闸门情况配置。

(4)工控机+定制软件：为了得到整个断面的流量，需将以上3种退水方式的流量合成，通过工控机结合定制开发计算软件，来实现水位计、闸位计、发电量等信息的收集，流量分析计算和合成，实时流量直接上传至水情信息平台，实现罗江口水电站(水文站)流量的在线监测。

实现罗江口水电站流量在线监测相关设备配置如表1。

4 成果运用与注意事项

通过配置相关遥测设备和定制软件，实时采集罗江口水电站坝上坝下水位计、冲砂闸闸位计、泄洪闸闸位计、电站发电量等信息，运用水力学计算原理，可以实现自动采集、自动分析计算和自动远程传输，结合罗江水文站自动水位数据，即可完成罗江水文站实时在线流量监测，获取完整对应的水位流量数据过程。该成果一方面可以直接运用到防汛预测预报中；另一方面完全满足“连实测流量过程线法”流量整编，最大程度地减少罗江水文站采用缆道测流和整编的工作量，

需要注意的是：应定期对坝上、坝下水位，闸位传感器进行校正；各项流量系数应按相关规范要求进行率定，罗江水文站每年应实测几份流量与电站合成流量进行对比；合成流量的相关系数每2年～5年要进行一次检测或重新率定。采取以上措施来确保水工建筑物推算实时流量的精准度。

5 结语

本文分析了受水利工程影响的罗江水文站的流量监测，充分利用上游罗江口水电站这个水工建筑物，利用水力学原理，利用现代化自动遥测设备，采集罗江口电站水位、闸位、发电量等信息，利用软件技术实现自动计算罗江口水电站不同泄流方式的流量，实现了罗江水文站的流量在线监测。采取的理论依据充分、遥测设备技术成熟、软件开发难度不大，可作实验性研究，并可推广应用，逐步解决受水利工程影响的水文站实现流量在线监测，减轻流量测验次数和资料整编工作量，推进水文现代化建设。