Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2024, 9(3), 320-328 Published Online June 2024 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/jwrr https://doi.org/10.12677/jwrr.2024.93033
Calculation of Rating Curve at Cross Section in Complex Natural River with Few Hydrology Data
Fahong Zhang, Qinghua Yue, Jing Guo
Power China Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou Zhejiang
th
th
nd
Received: Apr. 13, 2024; accepted: May 19, 2024; published: Jun. 2, 2024
Abstract
In designing and planning of hydropower project, the rating curve at dam site, powerhouse place etc. have an important effect on determining the project key parameters, such as the scale and designing of spillway and energy dissipation works, the installation elevation of powerhouse and turbine, as well as installed capacity and annual power generation amount of the project. However, in the early phase of the most hydropower projects, it often lacks gauged water level and discharge data, only the data of cross section, water level of gauged time, and few investigating historical water level data are available. The rating curve at these project feature cross sections is generally developed by hydraulic methods with these available data; what’s more, the river situation in these places is generally complex. How to get a rational result becomes more difficult and important. Combing the practical engineering design, taking K hydropower project in U country in Africa whose river channel is characterized by a complex flow re-gime as case study, the rating curve at project feature cross sections such as dam site is developed by the tools of the Manning formula, weir-flow formula, Bernoulli equation on the premise of lacking gauged water level and discharge data. The approach and method may provide references for a similar situation for the determination of the rating curve in the river lacking hydrology data.
Keywords
Lack of Hydrology Data, Complex Natural River, Rating Curve, Manning Formula, Weir Flow Formula
缺乏水文资料的复杂天然河道断面水位流量关系曲线计算
张发鸿，岳青华，郭 靖
中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州
作者简介：张发鸿(1985-)，男，四川成都人，高级工程师，硕士，注册土木工程师，从事水文及水利规划研究工作。
文章引用: 张发鸿, 岳青华, 郭靖. 缺乏水文资料的复杂天然河道断面水位流量关系曲线计算[J]. 水资源研究, 2024, 9(3): 320-328. DOI: 10.12677/jwrr.2024.93033
缺乏水文资料的复杂天然河道断面水位流量关系曲线计算
收稿日期：2024年4月13日；录用日期：2024年5月19日；发布日期：2024年6月2日
摘 要
在水电工程规划设计中，坝厂址等位置的水位流量关系曲线对于确定泄洪建筑物和消能建筑物的规模、厂房及水轮机组的安装高程、电站装机容量及发电量效益等指标的确定都具有重要的影响。但在多数水电项目的前期阶段，往往缺乏实测的水位、流量资料，只有河道的大断面资料、测时水面线及少数历史洪痕调查资料，各工程断面水位流量关系曲线往往利用上述资料根据水力学方法来推求；加之上述点位河道情况往往较为复杂，如何算出合理的成果显得比较困难和重要。本文结合工程设计实践，以工程河段河流流态较为复杂的非洲U国K水电站项目为案例，用曼宁公式、堰流公式、伯努利方程为工具，在缺乏实测水位、流量资料的前提下，推求工程坝址等特征断面水位流量关系曲线。文中的思路和方法，对于类似缺乏水文资料情况下确定水位流量关系曲线有较好的参考和借鉴作用。
关键词
缺乏水文资料，复杂天然河道，水位流量关系曲线，曼宁公式，堰流公式
Copyright ? 2024 by author(s) and Wuhan University.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Open Access 1. 引言
在水电工程规划设计中，往往需要推求坝址、厂址等断面处天然河道的水位流量关系曲线。这些位置的水位流量关系对于确定正常蓄水位、泄洪和消能建筑物的规模、厂房及水轮机组的安装高程、围堰高程、电站发电量等工程效益指标的确定都具有重要的影响。而一些中小河流由于处在交通不便的偏僻山区，距离水文站较远，往往缺乏实测水位、流量资料；即使临时设立水文观测站点，短期内也很难观测到高水和低水部分的实测点据，这些都给推求坝、厂址的水位流量关系曲线带来较大困难。
一般来讲，河道断面水位~流量关系曲线的推求常采用以下几种方法：
1) 利用上下游已有特征断面水位~流量关系成果。当水电站设计断面附近有已知水位流量关系曲线的参证河床断面(一般为水文站)时，在水电站与该断面之间增测若干河床横断面，利用伯努利能量方程推求设计断面的水位流量关系[1]。
2) 水力学方法。用曼宁公式对位于顺畅河道中的断面进行计算；对于河道有纵向明显跌落(如跌砍、瀑布等)或横向明显缩放(如卡口、断面突变段)等，可将此处断面概化为无底坎宽顶堰，利用水力学堰流公式进行计算[2]。当设计断面有实测水位资料，上下游断面有可供移用的流量资料时，可根据实测水位及移用流量资料拟定水位流量关系；也可根据水位相关移用上下游断面水位流量关系，特别注意区间流量的改正[3]。
3) 长期测流拟定。在工程特征断面位置布置水尺并进行水位、流量数据的长期观测，以期通过实测数据来建立水位~流量关系。并利用如AD法、史蒂文森法等方法进行高水外延[4]。
4) 明渠恒定均匀流推求。河床断面处水流按恒定均匀流考虑，利用明渠恒定均匀流公式推求工程点位处不
DOI: 10.12677/jwrr.2024.93033
321
水资源研究
缺乏水文资料的复杂天然河道断面水位流量关系曲线计算
同流量等级下的水位，并最终建立水位流量关系[5]。在国外工程设计中，有时要求根据HEC-RAS软件计算河道水面线后推求所需断面的水位流量关系曲线[6]。
工程区域实测水位、流量数据及历史洪调资料的数量、可靠性对水位流量关系的计算及成果质量有着直接影响[7]。在水电工程的实际规划设计中，多数工程位置偏远，区域河道附近上下游往往无水文站点，各工程点位处往往缺乏实测水位、流量资料，通常只有河道的大断面资料及测时水面线、极少数历史洪调资料。项目前期有限的设计周期也制约了设站长期观测水位、流量后再拟定水位~流量关系曲线工作的开展[8]。尤其在近30年的水电开发热潮中利用了大量宜开发点位后，后续待开发的水电项目将更多地面临在缺乏水文资料的复杂天然河道断面(坝厂址河段往往有瀑布、跌水、急滩，深潭、沙洲等影响水力学条件的地貌存在，尤其对于引水式电站)分析计算水位流量关系曲线的情形。
因此，如何结合工程实际，充分利用断面资料和极少数的水文资料，选择合适的水力学、水动力学方法和选用恰当的参数来推求复杂天然河道断面水位流量关系曲线就变得非常现实和重要。
2. 研究方法
可用于天然河道水位流量关系曲线计算的水力学、水动力学方法较多，在水电工程中应用较为广泛的一般有以下3种：
2.1. 曼宁公式
曼宁公式在计算天然河道的过流能力、水位流量关系曲线中，应用非常广泛和普遍。曼宁公式计算公式如下：
Q=A2312RI (1) n式中：Q为洪峰流量，m3/s；n为河道糙率；I为水面比降；A为有效过水断面面积，m2；R为水力半径，m。
曼宁公式在计算山区性河道，尤其是在计算工程点位上下游一定范围内较为顺直的山区性河道的水位流关系曲线中有较好的效果。
2.2. 堰流公式
当具有自由表面的水流，流经闸墩、桥墩、围堰、涵洞的进口等形成侧向收缩时或天然河道断面由于明显缩窄等形成收缩时，可按宽顶堰流来分析，称为无底坎宽顶堰。其计算公式如下：
32 (2) Q=σsσcmnb2gH0式中：σs为侧收缩系数；σc为淹没系数；m为自由溢流的流量系数；b为每孔净宽；n为闸门孔数；H0为包括
2H+v02g。 行进流速水头的堰上水头，即H=0堰流公式在计算工程断面有一定横向收缩或断面下游为跌水、瀑布等情况的山区性河道的水位流关系曲线中有较好的效果。
2.3. 一维恒定非均匀渐变流计算
从缓流河道中水面线的特性可知，无论下游有壅水建筑物还是有跌水急滩，其上游的壅水或落水水面线，都是以河道天然水面线作为渐近线。利用河道水面线这些特性，只要将起推断面设置在离计算河段足够远处，中间河段沿程水力摩阻可以基本上消除起始断面水位假设的误差，如图1所示。若起推水位为人为假定时，一般需经过若干次试算。若图中所示的起推断面足够远，起算误差调整段较长，试算次数会较少，甚至一、两次即可满足要求；若起算误差调整段较短，则试算次数需较多[9]。
DOI: 10.12677/jwrr.2024.93033
322
水资源研究
缺乏水文资料的复杂天然河道断面水位流量关系曲线计算
