水文監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)管理論文

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水文監(jiān)測(cè)在三峽水利樞紐的規(guī)劃論證階段和工程開工后，一直發(fā)揮著重要作用，為工程的科研、設(shè)計(jì)、截流布局及施工方案選擇等提供了科學(xué)依據(jù)。按照工程設(shè)計(jì)，三峽工程于2002年11月實(shí)現(xiàn)明渠截流。水文部門圍繞明渠截流戧堤進(jìn)占、龍口、大壩導(dǎo)流底孔過流、三期圍堰度汛等觀測(cè)為重點(diǎn)，兼顧庫(kù)區(qū)、壩區(qū)、壩下游水文監(jiān)測(cè)，做了深入的研討，制定了詳細(xì)周密的監(jiān)測(cè)方案，為明渠截流提供及時(shí)、準(zhǔn)確的水文資料和分析成果。本文就截流河段與工程概況，水文監(jiān)測(cè)目的、主要內(nèi)容及作用，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備與技術(shù)措施，以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在截流實(shí)踐中的應(yīng)用等分別論述如下。

1河段與工程概況

1.1河段概況

三峽工程施工區(qū)從伍相廟至鷹子咀長(zhǎng)約12km，面積15.28km2。為較好地掌握施工區(qū)水文、河道、水環(huán)境變化情勢(shì)，水文監(jiān)測(cè)河段上起太平溪、下至蓮沱，全長(zhǎng)22km，水域面積約為22km2（以下簡(jiǎn)稱壩區(qū)河段）。大壩軸線以上1.5km至大壩軸線以下1km為明渠截流水文監(jiān)測(cè)河段（以下簡(jiǎn)稱截流河段），全長(zhǎng)2.5km，面積約為3.0km2。三峽工程明渠截流河段水文監(jiān)測(cè)布置見圖1。

圖1三峽工程明渠截流河段水文監(jiān)測(cè)布置圖

1.2工程概況

三峽工程明渠截流繼一期導(dǎo)流明渠開挖、二期大江截流導(dǎo)流和通航之后、為修筑三期圍堰而實(shí)現(xiàn)戧堤進(jìn)占與合龍的關(guān)鍵性工程。

（1）三期圍堰工程。三期圍堰位于導(dǎo)流明渠內(nèi)。三期上游圍堰為Ⅳ級(jí)臨時(shí)建筑物，圍堰軸線長(zhǎng)427m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為4月份實(shí)測(cè)最大流量17600m3/s（1877年～1990年資料，下同），相應(yīng)上游水位81.05m，堰頂高程83.0m，最大堰高33.0m。三期下游圍堰為Ⅲ級(jí)臨時(shí)建筑物，圍堰軸線長(zhǎng)415m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為頻率2%的洪水流量79000m3/s，相應(yīng)擋水位78.3m，堰頂高程81.5m，最大堰高36.5m。上、下圍堰均由風(fēng)化砂、石渣、石渣混合料和塊石以及反濾料構(gòu)筑而成，總填筑量分別為146.58萬(wàn)m3和152.48萬(wàn)m3。

（2）明渠截流分流工程

明渠截流期采用大壩泄洪壩段導(dǎo)流底孔分流。22個(gè)導(dǎo)流底孔分別布設(shè)在泄洪壩段的表孔正下方跨縫處，其有壓出流口尺寸為6m×8.5m，中間16孔進(jìn)口底高程56.0m，兩側(cè)各3孔進(jìn)口底高程57.0m。大壩底孔泄流能力受二期上下游圍堰拆除高程和底寬的影響，設(shè)計(jì)明渠截流前，上游圍堰拆除高程57m，底寬不小于550m；下游圍堰拆除高程53m，底寬不小于410m。

（3）明渠截流戧堤工程

三期截流采用上、下游戧堤立堵，上游雙向、下游單向進(jìn)占的施工方案。設(shè)計(jì)按上游戧堤承擔(dān)截流總落差的2/3，下游戧堤承擔(dān)截流總落差的1/3。上、下截流戧堤總拋投量分別為35.85萬(wàn)m3和38.38萬(wàn)m3。戧堤施工進(jìn)占分為非龍口進(jìn)占和龍口進(jìn)占兩個(gè)階段,設(shè)計(jì)上、下截流龍口寬度分別為150m和140m，拋投量分別為20.4萬(wàn)m3和20.5萬(wàn)m3。設(shè)計(jì)截流流量10300m3/s，經(jīng)模型試驗(yàn)表明，上、下龍口最大平均流速分別達(dá)5.14m/s和4.01m/s，截流終落差4.11m。合龍能量指標(biāo)達(dá)40.4萬(wàn)kw，為葛洲壩工程截流的2.6倍，是巴西伊泰普工程截流的1.4倍，居當(dāng)今世界龍口能量指標(biāo)之首。

1.3水文監(jiān)測(cè)的目的、主要內(nèi)容及作用

鑒于明渠截流的難度，水文監(jiān)測(cè)的目的主要為三期截流設(shè)計(jì)、施工、截流指揮提供可靠數(shù)據(jù)，同時(shí)也為模型跟蹤試驗(yàn)、水文預(yù)報(bào)、水文及水力學(xué)計(jì)算提供基本資料。特別要為在明渠截流過程中可能出現(xiàn)的突發(fā)情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，以指導(dǎo)明渠截流施工決策和調(diào)度管理。水文監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括水下地形、截流落差、龍口流速、壩址流量及導(dǎo)流底孔分流量等，其主要作用是為掌握截流邊界條件、截流水流條件和截流環(huán)境影響的動(dòng)態(tài)變化，見表1。

表1三期截流水文監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容及作用

項(xiàng)目名稱

主要內(nèi)容

主要作用

截

流

邊

界

條

件

水下地形

水下地形形象

掌握水下地形形象、口門水面寬及床沙的變化情況，為截流設(shè)計(jì)優(yōu)化、調(diào)整截流施工方案及進(jìn)度、模型跟蹤試驗(yàn)、水文預(yù)報(bào)及水文、水力學(xué)計(jì)算提供基本資料

固定斷面

固定斷面形象（含口門水面寬）

床沙

床沙（拋投料）顆粒級(jí)配

截

流

水

流

條

件

水位

壩區(qū)沿程水面線

是監(jiān)測(cè)截流落差及其變化的基本資料。同時(shí)監(jiān)測(cè)葛洲壩水庫(kù)調(diào)節(jié)對(duì)截流水力學(xué)指標(biāo)的影響

龍口落差、戧堤落差

掌握上、下戧堤落差及其分配，指導(dǎo)上、下戧堤施工進(jìn)占的時(shí)機(jī)及進(jìn)度

流速及流態(tài)

護(hù)底加糙區(qū)流速、戧堤頭及挑角流速、龍口縱橫斷面流速、截流河段流態(tài)

掌握戧堤口門區(qū)（以龍口為重點(diǎn)）的流速變化特征，指導(dǎo)戧堤進(jìn)占的拋投體塊徑、形狀、拋投方式及推填角度的選擇，以利戧堤頭的防沖和穩(wěn)定

流量

壩址流量、茅坪溪支流流量、大壩底孔及龍口分流量

掌握壩址來(lái)水流量及導(dǎo)流、截流的分流量

截

流

環(huán)

境

影

響

河床演變

永久船閘下游引航道口門河勢(shì)及兩壩間河道演變

截流對(duì)河道、航道口門區(qū)的河勢(shì)影響及拋投料對(duì)水環(huán)境的影響

水環(huán)境

截流河段及下游水質(zhì)

2水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)三峽工程明渠截流施工布局和截流工程設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工、水文預(yù)報(bào)、水文及水力學(xué)計(jì)算、模型跟蹤試驗(yàn)等部門對(duì)截流水文監(jiān)測(cè)的要求，為確保水文數(shù)據(jù)全面、可靠、精度和時(shí)效，建立包括水文信息采集—傳輸—處理—與反饋等四個(gè)子系統(tǒng)的三期截流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，見框圖2。為系統(tǒng)實(shí)施成立了五個(gè)專業(yè)組，即水文組、河道組、水質(zhì)組、水文信息處理中心和綜合組。

2.1信息采集子系統(tǒng)。包括水位降水、龍口流速、流量、流態(tài)、口門水面寬、河道沖淤、水環(huán)境等，根據(jù)三峽壩區(qū)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)站網(wǎng)條件，結(jié)合截流所需的水文信息，共布設(shè)18個(gè)水位站、2個(gè)水文站、17個(gè)流速或流量監(jiān)測(cè)斷面、32個(gè)河道固定斷面、5個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面。

2.2信息傳輸子系統(tǒng)。采用計(jì)算機(jī)有線或無(wú)線數(shù)傳方式，輔以電話、電臺(tái)或?qū)χv機(jī)等方式，將自動(dòng)、半自動(dòng)或人工采集的水文、河道地形數(shù)據(jù)，經(jīng)無(wú)線或有線數(shù)傳、或無(wú)線人工、有線人工傳至水文數(shù)據(jù)處理中心截流數(shù)據(jù)庫(kù)。各專業(yè)組之間的聯(lián)系采用短波電臺(tái)、電話（有線或WAP電話）等。

2.3信息處理、信息與反饋?zhàn)酉到y(tǒng)。利用現(xiàn)代信息技術(shù)，建立明渠截流水文信息處理中心，使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)合理集成，實(shí)現(xiàn)水文信息接收、處理、存貯、檢索和e水文情報(bào)的網(wǎng)絡(luò)化與自動(dòng)化。

水文信息處理中心建立截流水文數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、圖表自動(dòng)處理與共享。截流水文數(shù)據(jù)庫(kù)包括水文數(shù)據(jù)庫(kù)、河道數(shù)據(jù)庫(kù)、施工信息數(shù)據(jù)庫(kù)等，數(shù)據(jù)庫(kù)采用表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)掛靠長(zhǎng)江三峽工程開發(fā)總公司局域網(wǎng)，其間專設(shè)“截流水文網(wǎng)站”，以動(dòng)態(tài)方式直接從數(shù)據(jù)庫(kù)生成《水文實(shí)測(cè)信息》、《水文快報(bào)》以及其他信息網(wǎng)頁(yè)，水文監(jiān)測(cè)信息。

內(nèi)容包括水位、流量、流速、水面流速流向、泥沙、固定斷面、水下地形等信息和相關(guān)的分析成果。信息以截流指揮專用通信系統(tǒng)和“截流水文網(wǎng)站”為主，并以電子郵件、電傳、電話、電臺(tái)等為輔的方案。《水文實(shí)測(cè)信息》全面反映壩區(qū)河段水文變化情勢(shì)，在戧堤進(jìn)占和龍口合攏期每天一期；根據(jù)水情變化確定《水文快報(bào)》頻次，如在龍口合攏期，實(shí)時(shí)水位、流速、落差等信息。系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)查詢、信息反饋、整編歸檔及檢索等功能。

3水文監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備與技術(shù)措施

截流水文監(jiān)測(cè)除采用常規(guī)的、成熟的測(cè)驗(yàn)方法和技術(shù)手段外，盡可能采用新的監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備與技術(shù)措施。截流水文監(jiān)測(cè)是在特殊環(huán)境條件下的水文觀測(cè)，其儀器設(shè)備將經(jīng)受各種不利因素的制約，如明渠截流施工場(chǎng)地窄小、截流龍口水流湍急和高強(qiáng)度施工形成的復(fù)雜水域，以及無(wú)線電波干擾等，都將影響到水文監(jiān)測(cè)工作，也對(duì)儀器設(shè)備提出了更高的要求。根據(jù)明渠截流水文監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，應(yīng)立足于成熟的先進(jìn)儀器設(shè)備、先進(jìn)的技術(shù)手段，以收集、傳輸、水文資料。經(jīng)過調(diào)研和大量的儀器設(shè)備技術(shù)指標(biāo)分析，確定在明渠截流水文監(jiān)測(cè)中使用以下關(guān)鍵儀器設(shè)備與技術(shù)措施。

3.1ADCP測(cè)流系統(tǒng)。ADCP（AcousticDopplerCurrentProfilers）是目前世界上最先進(jìn)的水文測(cè)驗(yàn)儀器之一，具有不擾動(dòng)流場(chǎng)、測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、測(cè)速范圍大等特點(diǎn)。對(duì)截流河段多斷面的水文監(jiān)測(cè)，采用船載型ADCP測(cè)流系統(tǒng)，輔以GPS導(dǎo)航技術(shù)，能快速、準(zhǔn)確地巡測(cè)各斷面的流速分布及流量或分流比，還可解決船舶無(wú)錨定位和全天候測(cè)驗(yàn)等問題；對(duì)龍口流速測(cè)驗(yàn)，采用無(wú)人測(cè)艇ADCP測(cè)流系統(tǒng)，可精確地獲取龍口流速分布。

3.2無(wú)人測(cè)艇測(cè)量技術(shù)。該方法是通過龍口上游150m左右的錨錠船，用鋼絲繩牽引無(wú)人測(cè)艇（艇上安裝ADCP等儀器）深入龍口進(jìn)行水文測(cè)驗(yàn)。無(wú)人測(cè)艇采用全密封雙體船結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)性好、阻力小、安全可靠等特點(diǎn)。錨錠船安裝有以計(jì)算機(jī)為主的控制中心及機(jī)電設(shè)備，控制無(wú)人測(cè)艇測(cè)驗(yàn)。

3.3GPS水道測(cè)繪系統(tǒng)。利用GPS接收機(jī)，配備數(shù)字測(cè)深儀或多波束測(cè)深儀、繪圖儀、計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)鏈、通訊等設(shè)備組成的GPS水道測(cè)繪系統(tǒng)，可高效地施測(cè)水下地形和沖淤斷面，具有全天候、多功能、精度高、成圖快等特點(diǎn)。

3.4無(wú)人立尺測(cè)量技術(shù)。對(duì)戧堤頭水位觀測(cè)，傳統(tǒng)的方法難以達(dá)到安全、高效的要求，選用成熟的無(wú)人立尺測(cè)量技術(shù)，并配以高精度的激光全站儀，可測(cè)量未知點(diǎn)的三維坐標(biāo)，用于龍口戧堤頭水位和口門寬度的測(cè)量。

3.5計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)水文信息遠(yuǎn)傳、處理、計(jì)算機(jī)化，具有快速、準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

3.6監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在明渠截流中的運(yùn)用實(shí)踐

三峽明渠截流從2002年9月15日導(dǎo)流底孔閘門調(diào)試開始，至11月6日龍口合龍結(jié)束，明渠截流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了明渠截流水文情勢(shì)變化，收集到全過程多要素完整的水文成果，并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新截流水文網(wǎng)頁(yè)，為指導(dǎo)截流施工、調(diào)度、水文預(yù)報(bào)、提供了大量科學(xué)的水文信息。

4結(jié)語(yǔ)

三峽工程明渠截流是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，水文監(jiān)測(cè)成為重要組成部分，是截流不可缺少的技術(shù)保障服務(wù)系統(tǒng)。

三峽工程明渠截流水文監(jiān)測(cè)采用高新的監(jiān)測(cè)技術(shù)、選進(jìn)的儀器設(shè)備、高素質(zhì)的監(jiān)測(cè)人員以及合理可靠的組織措施保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行，充分發(fā)揮水文監(jiān)測(cè)在三峽工程截流中的耳目和參謀作用，體現(xiàn)一流工程和一流的水文服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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