南四湖二級壩樞紐泄流分析

張 健，劉繼軍，張 濤

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098;2.濟(jì)寧市水文局，山東濟(jì)寧 272019)

隨著南四湖二級壩水利樞紐工程改造及湖區(qū)清障工程治理的逐步實(shí)施，湖區(qū)行洪逐漸暢通，二級壩閘出流條件得到改善，泄洪能力明顯增強(qiáng)，現(xiàn)有泄流曲線是否適合現(xiàn)狀出流條件，已成為二級壩樞紐工程洪水調(diào)度的突出問題。南水北調(diào)東線工程的實(shí)施，南四湖上下級湖將成為南水北調(diào)調(diào)水調(diào)蓄的重要湖泊，二級壩樞紐工程成為南水北調(diào)東線第10級泵站。對此研究二級壩泄流量的變化，確立現(xiàn)狀出流條件的流量推求模型，滿足防汛和洪水資源利用等方面的需要，是目前亟待解決的問題。

1 基本情況

1.1 流域概況

南四湖位于山東省南部，是一個南北狹長的湖泊，為我國第六大淡水湖，由南陽、獨(dú)山、昭陽、微山四個湖泊相連而成。1958年，在湖腰最窄處的昭陽湖，修建了二級壩水利樞紐工程(簡稱二級壩)，壩長7.36 km。二級壩將南四湖分為上下兩級湖。南四湖總庫容53.72億m3，其中上級湖22.27億m3，下級湖31.45億m3，具有調(diào)節(jié)洪水、蓄水灌溉、發(fā)展水產(chǎn)、航運(yùn)交通、改善生態(tài)環(huán)境等多重功能。

南四湖流域承接蘇、魯、豫、皖四省三十二個縣(市、區(qū))的來水，入湖河流53條。主要入湖河流有梁濟(jì)運(yùn)河、洙趙新河、萬福河、東魚河、復(fù)興河、洸府河、泗河、白馬河、城郭河、新薛河、薛城沙河等。流域面積為31680 km2，其中上級湖流域面積為27500 km2，下級湖流域面積為4180 km2。湖東為山丘區(qū)，湖西為黃泛平原，南部為流域出口，洪水通過韓莊運(yùn)河、伊家河、老運(yùn)河及不牢河下泄。

南四湖是淺水型湖泊，湖內(nèi)水生植物繁茂，生長大量的蘆葦?shù)人参铮?nèi)還縱橫交錯、不規(guī)則地分布著許多航道、船溝及用于捕魚撈蝦的埝埂。部分入湖河道因引水和排水而向湖內(nèi)挖槽堆土形成的堤埂影響行洪。嚴(yán)重阻礙湖內(nèi)洪水下泄。

1.2 工程情況

南四湖二級壩位于昭陽湖的最窄處，自東向西建設(shè)溢流壩、第一節(jié)制閘、南水北調(diào)提水泵站、船閘、第二、三節(jié)制閘、第四節(jié)制閘(未啟用)，中間由土壩連接。正常年份泄洪均由第一、二、三節(jié)制閘，三座閘均為直升式矩形平板門、平底閘，閘底高程各閘不等為30.5 m～31.5 m。三座閘主要工程技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 二級壩水利樞紐主要工程指標(biāo)一覽表Table 1 List of indicators of the two dam water control works

為解決南四湖區(qū)行洪不暢問題，1998至2006年沂沭泗河?xùn)|調(diào)南下續(xù)建工程進(jìn)行了二級壩三座節(jié)制閘的除險加固改造，堰閘形式、開啟方式、閘門尺寸等發(fā)生了改變，全面實(shí)現(xiàn)了堰閘工程控制運(yùn)用的現(xiàn)代化。進(jìn)行了湖內(nèi)淺槽工程開挖，上游實(shí)施南陽島東西兩側(cè)卡口段，下游進(jìn)行了二級壩下游東股引河至微山湖段淺槽清障疏通，提升了湖區(qū)洪水的宣泄能力。

1.3 水文

南四湖自上而下設(shè)有辛店、南陽、馬口、微山、韓莊(微)5處水位站，二級壩、韓莊閘2處水文站。上游主要入湖河道布設(shè)8處水文站控制入湖水量。二級壩三座節(jié)制閘，總設(shè)計下泄流量為12420 m3/s，由于上、下游行洪不暢等諸多原因，二級壩下泄洪水一直未達(dá)到設(shè)計能力。三座閘正常調(diào)節(jié)水量時一般以淹沒孔流為主，大量泄洪期間一般以淹沒堰流為主;下游水位較高時，運(yùn)行期間常出現(xiàn)水頭差小于0.05m情況，失去堰閘控制作用，近似于河道行洪。

二級壩水文站于1986年以前，各閘流量均為實(shí)測，測驗(yàn)方法主要采用流速儀法和浮標(biāo)法，使用測船、水文絞車等施測。由于二級壩各閘過水?dāng)嗝鎸?，閘上下游輸水河段短，水流出閘后極不穩(wěn)定，加之當(dāng)時測驗(yàn)設(shè)備落后，測驗(yàn)條件差，流量測驗(yàn)精度低，經(jīng)上級批準(zhǔn)于1987年二級壩流量改為水力學(xué)法推求。

水力學(xué)法確定的流量推求公式及流速系數(shù)，主要依據(jù)工程設(shè)計資料和有關(guān)水力學(xué)教科書，流速系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，此方法在1993年南四湖流域發(fā)生較大洪水時，暴露了水力學(xué)推流方法中存在一定問題。大水過后，組織專門人員，參考1986年前實(shí)測水文資料，按照部頒《水工建筑物測流規(guī)范》，對推流方法和系數(shù)曲線進(jìn)行了分析修正，重新確定了一套適用于不同節(jié)制閘各種流態(tài)下的推流曲線，經(jīng)淮委沂沭泗局組織有關(guān)專家評審批準(zhǔn)使用至今。

2 泄流量勘測分析

2.1 測驗(yàn)設(shè)施及方法

為準(zhǔn)確掌握二級壩樞紐各閘泄洪情況，收集流量資料，分析驗(yàn)證目前使用的泄流曲線精度，利用先進(jìn)的無線聲學(xué)多普勒流速剖面儀(簡稱ADCP)進(jìn)行了二級壩各閘行洪流量校測。聲學(xué)多普勒流速剖面儀是當(dāng)今世界先進(jìn)測流儀器，儀器性能穩(wěn)定，是一種快速、有效的測流設(shè)備。當(dāng)裝備有ADCP的測量船沿河流某一斷面航行至對岸，即測出該斷面流量，與傳統(tǒng)的流速儀法相比，速度快，精度高，符合水文測驗(yàn)規(guī)范要求。

測驗(yàn)斷面布設(shè)。經(jīng)過對工情和水情的實(shí)際查勘，各閘閘上下游水頭差小、測流斷面較寬、水流平穩(wěn)、閘上下游水面開闊、測驗(yàn)河段較短，流量測驗(yàn)斷面布設(shè)在消力池末端閘下80 m左右，斷面形狀為梯形，兩岸石砌護(hù)坡，水位較高時受回流影響，斷面下游水流有分叉，分別向兩側(cè)擴(kuò)散。

2.2 湖區(qū)洪水情況

洪水流量測驗(yàn)主要選擇近年來主要工程完成后，二級壩有較大泄洪過程的2005、2010年資料。受降雨影響，2005年9月南四湖上下級湖水位迅速大幅上漲，最大漲幅達(dá)0.70 m，上級湖最大蓄水量達(dá)16.17億m3，為近三十年來的最高值;為有效緩解南四湖防汛壓力，9月20日13時、19時30分二級壩水利樞紐三閘80孔、一閘35孔泄水閘全部提出水面，9月21日18時二閘55孔全部提出水面泄洪，二級壩樞紐最大泄洪流量9月20日19時30分達(dá)2180 m3/s。

2010年7月18日7時18分南四湖二級壩二閘開閘泄洪，泄洪流量520m3/s，18日11時加大到1000 m3/s，18日11時一閘開閘泄洪，二級壩閘總下泄流量1560 m3/s，上級湖累計下泄水量2.27億m3。

2.3 流量校測

2005年9月20日及2010年7月21日二級壩泄洪期間，根據(jù)三座閘運(yùn)行情況，流量測驗(yàn)在各閘測驗(yàn)斷面利用ADCP分別進(jìn)行，按照上下游水位及流量變化情況合理布設(shè)流量測次，各閘流量測次基本能控制流量變化過程。

二級壩一閘測流6次，二閘測流8次，三閘測流7次，控制最大水位變幅1.04 m，實(shí)測最大流速1.55m/s，實(shí)測最大過閘流量2600m3/s單次往返流量測驗(yàn)誤差在3%以內(nèi)。

由于二級壩開閘泄洪期間水流比較平穩(wěn)，同時，閘下測流斷面布置合理，ADCP測流有效避開了不利因素影響，各次流量測驗(yàn)精度均較高，基本不存在測驗(yàn)盲區(qū)。

2.4 校測成果分析

2.4.1 泄流曲線的誤差分析 根據(jù)二級壩樞紐ADCP實(shí)測流量資料，按照堰閘控制運(yùn)用情況，利用推流曲線推求相應(yīng)流量，計算泄流曲線推流誤差，分析泄流曲線精度。分析成果見表2.4-1。

表2.4-1 二級壩水利樞紐泄流量分析成果表Table 2.4-1 Dam hydro project two vent traffic analysis results of Table

通過實(shí)測流量與查線流量的誤差分析，收集的21次資料中僅有3次流量誤差不大于10%，僅占實(shí)測點(diǎn)據(jù)的14.3%，8次流量誤差不大于15%，僅占實(shí)測點(diǎn)據(jù)的38%。有62%的測點(diǎn)誤差偏大，最大偏離誤差達(dá)-169%，二級壩為二類精度水文站，查線流量遠(yuǎn)不滿足規(guī)范要求。

從三座閘各自的查線推求誤差看，一閘誤差系統(tǒng)較小，二閘次之，三閘誤差最大。這與工程改造前下游行洪條件有關(guān)，當(dāng)時三閘下游無泄洪通道，阻水嚴(yán)重，三座閘行洪主要靠一、二閘下游的東股引河，工程治理后，二、三閘下游阻水的土埂、土堆全部清除，并開挖淺槽，洪水出閘后直接下泄，使得三閘泄水條件明顯改善。

從不同流態(tài)分析，孔流小開高時誤差偏小，孔流大開高、堰流和大部分閘門運(yùn)行泄水時，實(shí)測流量明顯偏大，最大偏離達(dá)58.5%。

現(xiàn)用曲線分析時采用的資料是三座閘洪水主要通過一、二閘下游的東股引河下泄，行洪能力差，受泄洪能力制約，三座閘泄流量大小相互影響。工程改造清障治理后這種受泄流能力制約的相互影響得到了明顯改善。

2.4.2 t檢驗(yàn)分析

t檢驗(yàn)是國際標(biāo)準(zhǔn)ISO1100/2中流量相關(guān)關(guān)系檢驗(yàn)的一種，它依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計原理，用于判別單值化相關(guān)關(guān)系是否發(fā)生變化，分別將泄流曲線關(guān)系點(diǎn)據(jù)和流量校測點(diǎn)據(jù)為兩組樣本，根據(jù)給定的顯著性水平α值(取0.05)按照自由度k的臨界值t1-α/2，與計算的統(tǒng)計量t值比較，若│t│＜t1-α/2，則接受假設(shè)，即認(rèn)為泄流曲線無明顯變化。

根據(jù)表2.4-1資料數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)，計算兩組測點(diǎn)綜合標(biāo)準(zhǔn)差及統(tǒng)計量t，分析臨界值t1-α/2=2.04與其進(jìn)行比較，其統(tǒng)計量t遠(yuǎn)大于臨界值2.04。即│t│＞t1-α/2，認(rèn)為校測點(diǎn)據(jù)與查線點(diǎn)據(jù)兩總體的均值有明顯差異，表明目前使用的流量查算曲線已發(fā)生明顯變化。

3 泄流曲線流量系數(shù)率定

3.1 泄流量公式的確定

根據(jù)二級壩堰閘型式和閘門運(yùn)轉(zhuǎn)情況以及各閘水流特點(diǎn)，按照收集的ADCP實(shí)測流量資料，依據(jù)《水工建筑物測流規(guī)范》、《水文年鑒編印規(guī)范》、《水文資料整編規(guī)范》分析確定各閘水力學(xué)推流公式，由于二級壩各閘以淹沒孔流和淹沒堰流為主，依據(jù)實(shí)測資料，初步率定分析淹沒孔流和淹沒堰流的流量系數(shù)，確定相關(guān)因素流量系數(shù)曲線。

式中Q—泄流量(m3/s); M2—淹沒孔流流量系數(shù);C2—淹沒堰流流量系數(shù);

B—過水?dāng)嗝鎸挾?m);e—閘門開啟高度(m);hu—閘上游水頭(m);

hc—收縮斷面水深(m);ΔZ—水頭差(m)。

3.2 流量系數(shù)率定分析

3.2.1 淹沒孔流流量系數(shù) 淹沒式孔流流量選用水力學(xué)公式

推求，進(jìn)行流量系數(shù)率定，根據(jù)流量系數(shù)率定資料分析，經(jīng)過關(guān)系曲線的優(yōu)選，相關(guān)因素△Z/hu～M2的相關(guān)關(guān)系較好，關(guān)系線中下部點(diǎn)據(jù)較為集中，關(guān)系曲線標(biāo)準(zhǔn)差為8.17%，△Z/hu～M2關(guān)系線型，隨△Z/hu增大，M2值逐漸增大，當(dāng)△Z/hu大于0.32時，M2值趨于穩(wěn)定，系數(shù)線以M2=2.53為漸近線，該系數(shù)曲線能反映二級湖閘出流特性，基本符合淹沒式孔流流量系數(shù)變化規(guī)律。二級壩淹沒式孔流△Z/hu～M2系數(shù)曲線見圖3.2-1。

圖1 二級壩閘淹沒式孔流△z/hu～M2流量系數(shù)曲線圖Fig.1 Two dam gates submerged orifice flow △z/hu～M2 flow coefficient curve

3.2.2 淹沒堰流流量系數(shù)

1.一閘、二閘淹沒堰流系數(shù)C2

二級壩一閘、二閘主要工程技術(shù)指標(biāo)基本一致，淹沒堰流出流狀況相近，選用水力學(xué)公式Q=C2Bhl推求流量。兩座閘實(shí)測流量資料合并率定流量系數(shù)。根據(jù)率定資料分析，流量系數(shù)與相關(guān)因素△Z/hu關(guān)系較好，△Z/hu～C2關(guān)系線型，隨△Z/hu值增大，C2值逐漸增大，C2穩(wěn)定值為4.73，符合堰閘規(guī)律。關(guān)系線中下部點(diǎn)據(jù)集中，上部點(diǎn)據(jù)偏少，曲線標(biāo)準(zhǔn)差為17.06%。一閘與二閘淹沒堰流△Z/hu～C2系數(shù)曲線見圖3.2-2。

圖2 二級壩一閘、二閘淹沒式堰流△z/hu～C2流量系數(shù)曲線圖Fig.2 Two dam gates，gate submerged weir flow △ z/hu ～C2 flow coefficient curve

2.三閘淹沒式堰流系數(shù)C2

圖3 二級壩三閘淹沒式堰流△z/hu～C2流量系數(shù)曲線圖Fig.3.2-1 Two dam gates submerged weir flow △z-/hu～～C2 flow coefficient curve

3.3 流量系數(shù)關(guān)系定線誤差評定

為正確繪制流量系數(shù)關(guān)系曲線，按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO1100/2的要求，根據(jù)《水工建筑物測流規(guī)范》第3.5.1條和第3.5.2條，《水文年鑒編印規(guī)范》第2.5.2條和2.5.4條規(guī)定，利用統(tǒng)計學(xué)理論，所定各種關(guān)系線進(jìn)行了符號檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)，計算各條曲線的標(biāo)準(zhǔn)差。根據(jù)《水工建筑物測流規(guī)范》表3.1.3規(guī)定，取三類精度的站精度指標(biāo)進(jìn)行定線，各關(guān)系曲線精度指標(biāo)基本滿足要求，各條關(guān)系曲線均接受檢驗(yàn)，測點(diǎn)偏離標(biāo)準(zhǔn)差均小于定線偏離差。各關(guān)系曲線定線精度指標(biāo)見表3.3。

表3.3 二級壩流量系數(shù)曲線精度指標(biāo)統(tǒng)計表Table 3.3 Statistics of Two dam flow coefficient curve precision index

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

通過南四湖二級壩樞紐行洪流量勘測分析，由于工程改造治理的實(shí)施，改變了出流條件，湖區(qū)行洪能力增強(qiáng)，二級壩水利樞紐現(xiàn)有泄流曲線已不符合工程改造后的出流條件，不能滿足流量推求需要，泄流曲線需要重新分析確定。根據(jù)校測流量資料初步分析的淹沒孔流和淹沒堰流流量系數(shù)曲線基本符合堰閘出流規(guī)律，可用于泄流量推求。

4.2 建議

南四湖湖區(qū)以及二級壩泄流情況復(fù)雜，僅僅依靠一兩次洪水測驗(yàn)的資料進(jìn)行分析或作為南四湖治理工程設(shè)計的依據(jù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，為準(zhǔn)確分析南四湖行洪情況，建議制定切實(shí)可行的南四湖測流方案，有計劃地進(jìn)行不同水情、工情及不同流態(tài)條件下的二級壩流量測驗(yàn)工作，積累不同運(yùn)用情況、不同流態(tài)下的實(shí)測流量資料，分析率定符合現(xiàn)狀工程條件、觀測設(shè)施條件的泄流曲線，并按照《水工建筑物測流規(guī)范》規(guī)定，建立一套長效的、系統(tǒng)的泄流曲線檢驗(yàn)、間測、校核機(jī)制，確保二級壩泄流曲線的準(zhǔn)確性和權(quán)威性，更好的為湖區(qū)防洪調(diào)度、南水北調(diào)洪水資源利用、水資源管理及湖區(qū)規(guī)劃設(shè)計提供可靠的技術(shù)支撐。

［1］ 寧 遠(yuǎn)，錢敏，王玉太.淮河流域水利手冊.北京:科學(xué)出版社，2003

［2］ 沂沭泗水利管理局.沂沭泗防汛手冊［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

［3］ 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水文資料整編規(guī)范(SL247-1999)［S］.北京:中國水利水電出版社，2000

［4］ 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水工建筑物測流規(guī)范(SL20-92)［S］.北京:中國水利水電出版社，1992