運(yùn)用Matlab擬合方法分析閘門(mén)的水位流量關(guān)系

劉述伊

( 黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

0 引 言

在水文學(xué)的防汛、防洪中，對(duì)于下游的來(lái)說(shuō)，上游所監(jiān)測(cè)的水位和流量數(shù)據(jù)通常是下游地區(qū)進(jìn)行泄洪、除險(xiǎn)、調(diào)度、分流等決策的重要依據(jù)。因此對(duì)于水資源的流量測(cè)量有著重大的意義。常見(jiàn)的流量測(cè)量有流量計(jì)測(cè)流法、流速面積法等。

1 過(guò)閘水流的流態(tài)分類(lèi)

過(guò)閘水流的流態(tài)有堰流和孔流兩種，視泄流時(shí)閘門(mén)底緣是否與水流表面接觸而判定。當(dāng)閘門(mén)底緣在水面以下，對(duì)泄水起控制作用時(shí)，稱(chēng)為孔流; 當(dāng)閘門(mén)底緣脫離水流，對(duì)泄水不起控制作用時(shí)，稱(chēng)為堰流。判定堰流與孔流的分界點(diǎn)至關(guān)重要，它與堰頂形式、閘門(mén)類(lèi)型、上下游水位條件以及閘門(mén)相對(duì)開(kāi)度等因素有關(guān)。

以閘門(mén)常用的低坎寬頂堰為例: 當(dāng)e/H ＞0.65時(shí)，為閘孔出流;當(dāng)e/H ＞0.65，為堰流( e 為閘門(mén)開(kāi)度; H 為閘前水位) 。

2 閘孔出流的流量計(jì)算

實(shí)際工程中的閘門(mén)大多為寬頂堰或曲線型實(shí)用堰，閘門(mén)型式則主要有平板閘門(mén)及弧形閘門(mén)。當(dāng)閘門(mén)部分開(kāi)啟，出閘水流受到閘門(mén)的控制為閘孔出流。以平板閘門(mén)寬頂堰型閘孔自由出 流為例，流過(guò)閘孔的流量計(jì)算公式為:

式中: m 為閘孔出流的流量系數(shù); b 為閘門(mén)寬度; e 為閘門(mén)開(kāi)度; H0為閘孔全水頭。

2.1 流量系數(shù)的擬合

寬頂堰的進(jìn)口主要有圓角和平角進(jìn)口。本文中以孔流圓角進(jìn)口寬頂堰閘門(mén)為例( 當(dāng)，r/H ≥0.2，r為進(jìn)口圓弧半徑) 。由上式可知，影響流量的主要因素是流量系數(shù)，根據(jù)別列津斯基經(jīng)驗(yàn)公式，圓角進(jìn)口寬頂堰的流量系數(shù)m 為:

式中: p 為堰高; H 為閘前水位。

我們每隔0.1 的間距取p/H 計(jì)算得到流量系數(shù)m 的值，見(jiàn)表1。做出散點(diǎn)圖見(jiàn)圖1，由散點(diǎn)圖得出擬合曲線為:

表1 流量系數(shù)m 的計(jì)算值

圖1 散點(diǎn)圖

2.2 淹沒(méi)系數(shù)的擬合

當(dāng)堰流下游水位較高，水流由急流變?yōu)榫徚?。下游干擾波向上游傳播，稱(chēng)為淹沒(méi)式溢流:

式中: σ 為淹沒(méi)系數(shù); b 為閘門(mén)寬度; e 為閘門(mén)開(kāi)度;H 為閘前水深。

淹沒(méi)系數(shù)與閘門(mén)兩側(cè)水位差值以及堰前水位的高度比有關(guān)，見(jiàn)表2。表格所列出的是根據(jù)試驗(yàn)所得的離散的流量淹沒(méi)系數(shù):

表2 離散的流量淹沒(méi)系數(shù)

2.3 流量的計(jì)算

至此，由閘門(mén)的上下游水位( H，h) 、閘門(mén)開(kāi)度( e) 、堰頂高程( p) 和堰寬( b) ，通過(guò)公式編寫(xiě)程序，可實(shí)時(shí)求得流過(guò)閘門(mén)的瞬時(shí)流量大小。實(shí)測(cè)流量與計(jì)算流量對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 過(guò)閘實(shí)測(cè)流量與計(jì)算流量對(duì)比表

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)水位流量參數(shù)的擬合，可實(shí)時(shí)監(jiān)控閘門(mén)的流量，實(shí)時(shí)快速地計(jì)算出流量瞬時(shí)值，從而可以針對(duì)不同的情況有效地控制閘門(mén)的開(kāi)度。但是計(jì)算流量的過(guò)程中也存在一定的誤差: ①閘前水位特別是洪水、大水時(shí)候的變化頻率非?？欤绻荒軐?shí)時(shí)高精度地測(cè)量水位，那么流量測(cè)量就會(huì)有很大的誤差，因此必須保證閘前水位測(cè)量的高精度和實(shí)時(shí)性; ②數(shù)學(xué)模型與實(shí)際的流量變化模型還不能完全吻合，擬合的與實(shí)際的也有一定差值，但是相對(duì)于手繪和人工做圖，已經(jīng)精確了很多。

［1］江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.SL265—2001 水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京:中國(guó)水利水電出版社，2001.