水工建筑物測流技術(shù)在水資源配置工程中的應(yīng)用

趙德友

水工建筑物測流技術(shù)在水資源配置工程中的應(yīng)用

趙德友

一、前言

水工建筑物測流是利用大、中、小各級(jí)河、渠、湖、庫上已建的堰閘、涵管（隧洞）、水電站、抽水站等水工建筑物，通過實(shí)測建筑物上下游水頭、水位差等水力因素及閘門開啟高度或電功率，經(jīng)分析確定流量系數(shù)，用以計(jì)算流量的一種方法。

江蘇省位于長江與淮河的下游，總面積10.26萬km2，其中平原水網(wǎng)區(qū)約占85%。全省水網(wǎng)密布，河湖眾多，水系復(fù)雜。為滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展而建設(shè)的各類水工程星羅棋布、錯(cuò)綜復(fù)雜。若按傳統(tǒng)思維模式及生產(chǎn)方式進(jìn)行水量監(jiān)測與控制，每處需建設(shè)完備的水文測驗(yàn)設(shè)施，其建設(shè)經(jīng)費(fèi)及運(yùn)行管理經(jīng)費(fèi)將難以承受。因此，必須創(chuàng)新思維，改變傳統(tǒng)測驗(yàn)方式，研究出一種符合水工建筑物出流特點(diǎn)的流量監(jiān)測技術(shù)。

本文立足于蘇北地區(qū)水資源配置監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)工程站點(diǎn)，分析研究其出流規(guī)律，旨在為類似工程或類似地區(qū)利用水工建筑物測流提供技術(shù)支持。

二、率定方法分析

根據(jù)堰閘形式、閘門開啟情況、出流流態(tài)等因素，依據(jù)水力學(xué)基本公式和實(shí)測資料，主要采用堰閘流量系數(shù)法、水電站效率系數(shù)法、圖解分析法，分析獲得不同出流情況下的水力因素與流量系數(shù)、效率系數(shù)的相關(guān)關(guān)系曲線或相關(guān)方程式，以推求堰閘、涵洞、水電站、電力抽水站等工程的出水流量。

1.流態(tài)判別方法

水工建筑物出流的流態(tài)有堰流和孔流之分，包括自由堰流、淹沒堰流、自由孔流和淹沒孔流。流態(tài)的判別按照下面的方法區(qū)分和控制。

（1）堰流和孔流的判別

根據(jù)堰閘類型和實(shí)測的閘門相對(duì)開度（e/H）值來判別，e/H≤（e/H）C時(shí)，為孔流；e/H≥（e/H）C時(shí)，為堰流。式中（e/H）C為孔、堰流分界的臨界值。

（2）自由堰流與淹沒堰流的判別

寬頂堰（平底閘）自由式堰流：（hL/H）<0.8；淹沒式堰流：（hL/H）>0.8。上述（hL/H）為下游水頭與上游總水頭之比。

實(shí)用堰閘在直接觀測判別有困難時(shí)，取用自由流的經(jīng)驗(yàn)流量系數(shù)和觀測的（hL/H）值來判別臨界淹沒點(diǎn)，（hL/H）小于臨界淹沒點(diǎn)即為自由流，（hL/H）大于臨界淹沒點(diǎn)為淹沒流。

（3）自由孔流與淹沒孔流的判別

寬頂堰閘（平底閘）閘下水頭小于閘門開高（hLe）時(shí)為淹沒孔流。

實(shí)用堰閘，水流過閘后水躍產(chǎn)生在堰以下，且堰下水位低于堰頂時(shí)為自由孔流；閘下水位高于閘門底邊，閘下出現(xiàn)淹沒水躍，水躍前端接觸閘門底邊時(shí)為淹沒孔流。

2.堰閘流量系數(shù)法

（1）自由式孔流

對(duì)于平底閘、寬頂堰閘平板及弧形閘門，其自由式孔流流量計(jì)算公式為：

其相關(guān)關(guān)系為e/hu～M1。

對(duì)于實(shí)用堰閘、平底閘，其自由式孔流流量計(jì)算公式為：

其相關(guān)關(guān)系為e/hu～M1。

（2）淹沒式孔流

對(duì)于一般堰閘、涵洞，其淹沒式孔流的流量計(jì)算公式采用公式為：

相關(guān)關(guān)系為 e/△Z～M2，e△Z～M2或e～M2。

（3）淹沒式堰流

對(duì)于一般堰閘（如平底閘、寬頂堰閘、實(shí)用堰閘），其淹沒式堰流的流量計(jì)算公式為：

相關(guān)關(guān)系為△Zhu～σC1，△Z～σC1或△Z/hu～σC1。

上述各式中：

M1、M2——自由、淹沒孔流流量系數(shù)；

C1——自由堰流流量系數(shù)；

Q——流量（m3/s）；

hu——上游水頭（m）；

hc——收縮斷面水深，hc=εe（ε為側(cè)收縮系數(shù)，可根據(jù)e/hu～ε關(guān)系表查得）；

△Z——閘上、下游水頭差（m）；

e——閘門開啟高度（m）；

B——閘門開啟總寬或開啟凈寬（m）；

σ——淹沒系數(shù)。

3.水電站與電力抽水站效率系數(shù)法

水電站流量計(jì)算采用公式：

電力抽水站流量計(jì)算采用公式：

相關(guān)因素為N～η或Ns/N'～η。

式中：

N——單機(jī)功率（kW）；

Ns——發(fā)電機(jī)組總功率（kW）；

N'——額定功率（kW）；

η、η'——綜合效率系數(shù)；

h——實(shí)測水頭（反擊式水輪機(jī)為站上、下游水頭差；沖擊式水輪機(jī)為站上水位與噴嘴中心高之差；m）。

4.圖解分析法

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)自變量，分別采用一元圖解與多元圖解方法，求得流量系數(shù)和指數(shù)，其計(jì)算公式如下：

式中：α、β——待定指數(shù)；

n——閘門開啟孔數(shù)或電站開機(jī)臺(tái)數(shù)。

三、關(guān)系曲線的確定

建筑物的實(shí)測流量資料進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)不同水工建筑物的情況選定相關(guān)因素，率定相關(guān)關(guān)系曲線或擬合相關(guān)方程式。部分站點(diǎn)水工建筑物測流分析成果詳見表1。

四、關(guān)系曲線的檢驗(yàn)

為了明確關(guān)系曲線的合理性和精確度，對(duì)率定或擬合成果進(jìn)行3種檢驗(yàn)，即符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)，并計(jì)算各相關(guān)關(guān)系曲線或關(guān)系式的精度，從而為率定成果的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1.3 種檢驗(yàn)

（1）符號(hào)檢驗(yàn)

符號(hào)檢驗(yàn)的目的主要是檢驗(yàn)相關(guān)曲線兩邊的測點(diǎn)數(shù)目分配是否均衡合理，借以檢查關(guān)系曲線是否正確。

（2）適線檢驗(yàn)

按水力因素遞增的順序，檢驗(yàn)實(shí)測點(diǎn)偏離曲線正負(fù)號(hào)的排列情況，借以檢查定線有無明顯系統(tǒng)偏離。

（3）偏離數(shù)值檢驗(yàn)

檢驗(yàn)測點(diǎn)偏離關(guān)系曲線的平均偏離值（即平均相對(duì)誤差）是否在合理范圍內(nèi)，借以用數(shù)據(jù)論證曲線定得是否合理。

2.精度評(píng)定

流量定線精度指標(biāo)是指關(guān)系點(diǎn)分布成帶狀，無明顯系統(tǒng)偏離，75%以上的測點(diǎn)與關(guān)系線的偏離相對(duì)誤差限度通常用隨機(jī)不確定度和系統(tǒng)誤差的大小來衡量。

表1 水工建筑物測流分析成果表

表2 水工建筑物測流關(guān)系曲線綜合評(píng)定成果表

（1）隨機(jī)不確定度

隨機(jī)不確定度XQ'=2Se，其中：

式中：Se——實(shí)測點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差；

n——測點(diǎn)數(shù)；

XQ'——置信水平95%的隨機(jī)不確定度；

Qi、Mi——實(shí)測流量（m3/s）、實(shí)測流量系數(shù)；

Qci、Mci——與Qi、Mi相應(yīng)的曲線（式）上的流量（m3/s）、流量系數(shù)。

（2）系統(tǒng)誤差

關(guān)系線的系統(tǒng)誤差計(jì)算公式為：

式中，e為系統(tǒng)誤差。

選取部分測站流量關(guān)系曲線（式）的3種檢驗(yàn)結(jié)果及率定精度做綜合評(píng)定，水工建筑物測流關(guān)系曲線綜合評(píng)定成果見表2。

表2中符號(hào)檢驗(yàn)給定顯著性水平α=0.25，查表可得臨界值 u1-α/2，計(jì)算統(tǒng)計(jì)量小于臨界值時(shí)認(rèn)為定線合理；適線檢驗(yàn)給定顯著性水平α=0.05，查表得臨界值u1-α，計(jì)算統(tǒng)計(jì)量小于臨界值時(shí)認(rèn)為定線合理；偏離數(shù)值檢驗(yàn)給定顯著性水平 α=0.10,查表得臨界值 t1-α/2，計(jì)算統(tǒng)計(jì)量絕對(duì)值小于臨界值時(shí)認(rèn)為定線合理，適線檢驗(yàn)當(dāng)k>0.5（n-1）時(shí)免檢。3種檢驗(yàn)結(jié)果均合理時(shí)認(rèn)定定線正確，本文選用的42處測站中，36處定線合理，其余認(rèn)為可以定線。

在已率定的42處站點(diǎn)中，根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》對(duì)堰閘站進(jìn)行不同站類的劃分標(biāo)準(zhǔn)，滿足一類精度站標(biāo)準(zhǔn)的31處，二類精度站8處，三類精度站3處，分別占已率定站數(shù)的73.8%、19.1%、7.1%。由此可見，本文的流量率定成果具有較高的精度，同時(shí)也說明水工建筑物是一種良好的量水建筑物。通過采集水工建筑物上、下游實(shí)時(shí)水位和閘位，而非實(shí)測流量，即可實(shí)時(shí)在線完成流量測驗(yàn)工作。

五、結(jié)語

（1）本次率定的成果，對(duì)于國家基本站，其實(shí)測相關(guān)因素變幅基本控制了本站實(shí)際發(fā)生值的95%以上，代表性好；對(duì)于新設(shè)專用站，大部分專用站實(shí)測相關(guān)因素的變幅控制了實(shí)際發(fā)生值的75%以上，具有較好的代表性。

（2）確定了穩(wěn)定的關(guān)系曲線和關(guān)系式，今后可以利用水工建筑物泄流過程的水位和開啟度資料來推出流量過程，為供用水計(jì)量以及水文測驗(yàn)工作提供依據(jù)。

（3）各站點(diǎn)率定的流量關(guān)系曲線依據(jù)的是實(shí)時(shí)水情、工情條件，有一定的流態(tài)、水力邊界和水力因素限制，當(dāng)超出上述流態(tài)、相關(guān)因素變幅時(shí)，必須進(jìn)行實(shí)測，進(jìn)一步分析水工情變化對(duì)出流量的影響，以期校正、完善各站流量關(guān)系曲線、關(guān)系式。

（4）從供水計(jì)量角度分析，水工建筑物測流精度能滿足供用水計(jì)量要求，且方法簡單，成本低，便于管理，減輕了水量量測工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)高效收集各項(xiàng)水文信息、優(yōu)化水資源配置、防汛抗旱以及工程管理等具有重要意義，同時(shí)也在蘇北地區(qū)水資源配置監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)工程的順利實(shí)施中發(fā)揮了重要作用

江蘇省水文水資源勘測局 210029）