芒稻閘在潮汐影響下水位流量定線方法探討

王駿秋 李江艷 王成

【摘要】芒稻閘下游受潮汐影響，一般都是用流量系數法。但是，該方法基于水力學的能量方程式，主要考慮水流的位置高度，壓強和流速這三個水力因素，未考慮潮汐引力的影響，用這種方法定線推流誤差較大。受潮汐影響的堰閘用堰閘過水平均流速法定線比較合理。

【關鍵詞】潮汐；堰閘；定線；能量方程式；流量系數法；平均流速法

一、工程及水文設施簡介

芒稻閘位于揚州市江都區引江橋西的芒稻河上，既是江都水利樞紐配套工程，也是淮河入江水道的控制工程之一，于1964年9月開工建設，1965年7月竣工。該閘共7孔，每孔凈寬10.0m，總寬70.0m，閘底高程-1.00m，設計流量830m3/s，工程主要作用是：排洪、蓄水和調節水位。

芒稻閘水文站1966年1月設立，觀測項目有水位、流量，現有基礎設施設備：水位觀測為上、下游島式水位自記臺各一座，均配備自記水位計和遙測水位計。流量測驗使用轉子式流速儀或聲學多普勒剖面儀。閘下游為潮位站，常年受潮汐影響。

二、定線分析

在以往的實踐中，芒稻閘一般都是用流量系數法，當受潮汐影響的堰閘流量時，我們認為，這不盡合理。

潮汐是由于太陽和月亮引力的作用使海水呈周期漲落的自然現象。受潮汐影響河道的水位、流速、流量等都隨時間變化，而漲落轉變時期的流向改變和流速分布的變化更加復雜，再加上高低潮的交替出現，朔望潮的周期變化，可以說，受潮汐影響河道的水文要素每時每刻都在變化。

芒稻閘為平底節制閘，關閘時，閘下受潮汐影響，閘上不受潮汐影響；開閘時閘上、閘下受洪水和潮汐的共同影響，這時，如果用堰閘流量系數法率定流量曲線，有以下問題：

1、雖然是堰閘，但是，用堰閘流量系數法定線的條件不完全具備。堰閘流量系數法是基于水力學的能量方程式，即伯努利方程式，它反映了恒定流中沿流各點的位置高度，壓強和流速這三個水力要素之間的變化規律。無論是孔流流量系數 、還是堰流流量系數 都要求堰閘的上下游不受變動回水的影響，水流的流向是單一不變的。而我們現在討論的情況不是這樣，開閘期間，閘上下游要受洪水和潮水的共同影響，即除要考慮水流的位置高度，壓強和流速這三個水力因素外，還要考慮引力的影響，而堰閘流量系數法沒有考慮這一因數。（M2-流量系數，Q-實測流，B-開，e-開高，△Z-水位差，σ-淹沒系數，C1、C2-流量系數，σ-淹沒系數，hu-閘上水頭，hl-閘下水頭）

2、相關因數的代表性不強。堰閘站流量定線的相關因數一般都選用e、ΔZ、hl、hu等的不同組合，在一定的工況（某一開啟高度e）下，相關因數（ΔZ、hl、hu等）跟排水量的多少密切相關，相關系數越大代表性越強。而在我們的問題中，除了e是人為控制外，其它因子（ΔZ、hl、hu等）都受排水量和潮汐的共同影響。

受潮汐影響的堰閘流量用堰閘過水平均流速法比較合理。

可能有人說，不管用什么方法定線，都要受潮汐影響，這改變不了，這話是對的，但是，方法不同影響的性質不同。

用堰閘過水平均流速法定線V=Q/Be，即過閘平均流速等于過閘流量與閘孔過水面積的比值。盡管不同潮期、不同潮型、不同潮流對排水流量的影響不同，即同一個相關因數（ΔZ、hl、ΔZ/hu等）的流量不同，但那只是誤差，而計算公式V=Q/Be在這些情況下都是成立的，也就是說，該公式的適用條件一直存在。在我們實際工作中，可以用不同潮期、不同潮型、不同潮流的測點合并定線推流，把潮汐的影響綜合考慮，以減少誤差。（V-過閘平均流速B-閘門寬度）

收集了芒稻閘加固改造后淹沒孔流測點，用堰閘流量系數法定線點據非常散亂，也未形成明顯的點帶，有很大的任意性（圖1），而用堰閘過水平均流速法定線，點據比較集中，有明顯的點帶，定線效果較好（圖2）；

將堰閘過水平均流速發關系線做符號檢驗、適線檢驗和偏離值檢驗，統計量均符合最大臨界值，可見芒稻閘淹沒孔流所定曲線合理通過。

綜上所述，芒稻閘在開啟淹沒孔流泄洪時，受潮汐影響較大，從相關因數的代表性、定線的合理性和推流的正確性來考慮，適合用堰閘過水平均流速法來定線推流；堰流時，由于流量較大，潮汐的影響相對較弱，堰閘過水平均流速法也是首選的方法之一。用堰閘流量系數法定線，必需嚴格界定流態，因為，不同流態流量系數的計算公式不一樣。一般水力學書上是用閘門相對開度e/hu判別流態的，其實，各閘的情況不一樣，即使同一座堰閘，由于水力因數的變化造成流態的變化，其相對開度也不是固定不變的，所以，準確地界定孔、堰流是件很復雜的工作。用堰閘過水平均流速法定線，省卻了這項工作，因為，不同流態過閘平均流速的計算公式都是一樣的。

受潮汐影響的堰閘流量定線方法很多，不過，無論用什么方法定線，首先，要考慮該方法是否符合本站特性；同時，要注意定線測點的分布是否合理，用于定線的測點是否有代表性；再者，要分析用該曲線推出的流量是否符合實際情況，以及該曲線與不同流態的曲線的銜接是否正確，一定要杜絕定線與推流脫節、缺乏一致性的現象發生。

三、結語

芒稻閘為大型排洪節制閘，在排泄淮河洪水入江、配合江都抽水站排里下河澇水入江以及蓄水保水調節大運河通航水位等方面發揮了巨大的工程效益，精確可靠的流量數據是芒稻閘工程調度的依據，因此必須選擇合理的水位流量關系線來推求準確的過閘流量，通過多次的測驗和分析，認為在潮汐影響下，堰閘過水平均流速法適合率定本閘的水位流量關系線。

參考文獻：

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[2]水利部水文司，水文資料整編規范（M），水利水電出版社，1999

[3]清華大學水力學教研組，水力學〔M〕，人民教育出版社，1981

[4]姚建棟，二河閘豐水期淹沒式堰流水位流量關系初探（J）水文，水利水電出版，2012

[5]江都水利工程管理處編委會，江都水利工程樞紐志（M），河海大學出版社，2013

作者簡介：王駿秋，男，（1978.09—），江蘇揚州人，畢業于河海大學，本科，工程師，研究方向：水文水資源。