堰閘站淹沒孔流新理論推流方法

伍 勇，李 紅，陳朝輝

（湖北省荊州市水文水資源勘測局,湖北 荊州 434000）

1 引言

利用水工建筑物推流，常有堰閘流量系數法、堰閘過水平均流速法、關系方程式或經驗公式法等方法，采用流量系數法是水文站常用方式，應用方便而實用。流量系數法根據實測流量率定流量系數，分析獲得不同出流情況下的水力因素與流量系數的關系曲線或方程式。流態處于淹沒孔流時，一般采用相關關系為閘門開啟高度（e）與水位差△Z 比值或閘門開啟高度（e）與下游水頭（hL）比值與流量系數建立關系線或關系式[1-2]，適用于一般堰閘，具有一定的局限性。應用部分堰閘時，關系線比較散亂，無法成為理想的關系式，計算流量誤差比較大。為研究堰閘出流狀態為淹沒孔流相關關系的實用性，本文提出以水位差（△Z）與上游水頭（hu）比值作為新的水力因素，理論公式中相應的參數作調整，不改變結構形式，利用37 次實測成果資料作應用分析，并經過14 次現場成果檢驗進行綜合評價。

2 研究區概況

福田寺進湖閘建于1975 年，2005 年完成除險加固工程。閘門孔共6 孔，孔寬為8.5 m、高為4.9 m，閘門型式為直升閘，平底閘，閘底為矩形，閘墩頭為半圓形，翼墻為扇形，閘門密封良好，不漏水。它是修建洪湖分蓄洪區主隔堤的產物，目的是要保持總干渠與洪湖的連通，讓四湖地區排澇體系保持完整。

福田寺閘由福田寺防洪閘、福田寺船閘、福田寺節制閘構成，是荊州市防洪排澇安全體系中重要水工建筑物，上接總干渠，下接洪湖。防洪閘上游左側有節制閘通洪排河，上游右側有船閘可通航，節制閘河船閘運行時對斷面水位流量影響不大。四湖中區的內澇大部分水量經此流出，同時也是內河船運的主要通道。

3 應用研究及論證

3.1 研究分析

堰閘站判別淹沒孔流出流狀態為閘門未提出水面，同時下游水位影響閘門出水有影響，可根據水文資料整編規范給出相應公式，計算出閘門過水流量，其計算式為：

式中：Q 為流量（m3·s-1）；M2為淹沒孔流流量系數；B 為閘孔總寬或開啟凈寬（m）；e 為閘門開啟高度（m）；△Z 為上下游水位差。

式（1）中相關關系為e/△Z—M2建立相關關系線。依據現場觀測閘門運作情況，計算相應的水力因素，推算流量系數，帶入公式推出流量。

選擇福田寺水文站多年實測資料進行分析，建立式（1）中相關關系并不理想，點與點之間關系散亂，沒有存在一一對應關系，不具有統計特征分析。因關系線中e/△Z 比值容易產生同開高，水位差不一樣情況，那么e/△Z 比值與流量系數關系M2沒有較理想的關系，式（1）中△Z 因子，受到閘門控制和關系線影響，流量變化較大，一般不采用。為更好反映水力因素與流量系數具有統計特征，反應出具有一定規律性，調整部分參數因子，其相應調整后計算公式為：

式中：hu 為上游水頭。

式（2）中相關關系為△Z/hu—M2，建立相關關系線。依據實測資料的計算值，對兩者相關關系進行分析。兩者點與點之間比較緊密，下部變化緩慢，上部逐漸變陡，中部逐漸向右，呈帶狀。本文采取最小二乘法原理對關系線進行擬合，根據誤差平方和最小，找出數據最佳函數匹配。為避免一次性擬合使得下部或中上部點誤差偏大，流量結果不符合實際要求，采取分下部、中上部兩段進行處理，通過中上部與下部的結合線，擬定出關系線如圖1。

圖1 △Z/hu—M2 關系曲線圖

從圖1 可得知，利用最小二乘法原理對下部、中上部進行擬合，實測值和模擬值偏離較小，整體趨勢控制較好，沒有突出點偏離，計算殘余平方和分別為0.001 和0.03，具有擬合較高吻合程度。通過關系線的標準差、隨機不確定度和系統誤差三項指標確定指標精度。

實測點標準差按式（3）計算：

式中：Se 為標準差，（%）；xi為實測點數據；xci為模擬點數據；n為實測點總數。

隨機不確定度按式（4）計算：

式中：XX'為置信水平95%的隨機不確定度。

系統誤差采用實測點對關系線相對誤差的平均值。

根據擬定出關系線計算標準差為2.4%，隨機不確定度為4.8%，系統誤差為-0.2，均符合相關規范要求，說明關系線定線精度符合要求。通過前者對關系線精度檢驗，現對關系曲線檢驗，分別做符號檢驗、適線檢驗和偏離檢驗，符號檢驗是檢驗曲線兩側點分布是否均衡；適線檢驗是檢驗曲線兩側點分布是否有系統偏離；偏離檢驗是檢查測點偏離關系線的平均偏離值，以論證關系線定得是否合理；最后計算分別為0.82,0,-0.01，其結果符合規范要求。通過水力因素與流量系數關系線的率定，根據其37 份資料分析，利用公式（2）計算出流量值，結合現場實測流量值對比分析如圖2。

表1 淹沒孔流現場測驗基本情況

表2 兩者結果誤差分析

從圖2 分析出兩則對比分析值的最大相對誤差為-6.4%，最小相對誤差為0.078%，相對誤差在5%以內有35個，占整個測點數的95%，相對誤差超過5%為2 個，其測點數相對誤差沒有超過8%，結果得知推算值與實測值總體相對誤差偏小。

3.2 實際應用

為了進一步檢核率定△Z/hu 與流量系數M2關系式和新理論公式在堰閘站的實際應用，在不同時間段，根據現場其水位變化、閘門運作情況，收集相關資料，計算相應成果。由表1和表2 得知，現場測得△Z/hu 比值范圍在0.067～0.441 之間，基本覆蓋率定線△Z/hu 下部和中上部的比值，具有較好的代表性。實測流量采用流速儀測流法，它是水文流量測流的一種基本測驗方法。在福田寺水文站觀測閘上水位，利用已有測量流速儀測流大斷面資料，確定水面寬、測深測速垂線，用流速儀分別測出若干部分面積的垂直于過水斷面的部分平均流速，然后乘以部分過水面積，求得部分流量，計算其代數和得出斷面流量。通過14 次現場資料收集，推算流量與實測流量最小絕對誤差相差1m3·s-1，最大絕對誤差相差11m3·s-1，最小相對誤差為0.71%，最大相對誤差為-6.17%，分析對比整體誤差小，滿足閘門淹沒孔流出流狀態。通過關系線率定情況下，可觀測閘上、閘下水位、閘門開高、孔數，推算出淹沒孔流狀態下的流量。

堰站中推流過程中，相關水力因素數值大小由水位變化引起，而流量大小主要有閘孔過水面積控制，掌握閘門運行情況非常重要，閘門變化是引起流量變化重要因素。從資料分析出水位差大，相關水力因素就大，閘孔過水面積大，引起流量偏大。

4 結論

江漢平原河湖密布，水系比較發達，湖泊廣布，多處修建水工建筑物堰閘工程來調節水量變化，因此了解堰閘工程類型、流態變化比較關鍵。在水文資料整編規范給出的出流狀態為淹沒孔流計算方法比較少，且適用范圍為一般堰閘類型，適用范圍并不廣泛，為滿足在淹沒孔流狀態，推流方法更加多變化，為此本文提出新理論推流方法。

（1）通過新理論公式，△Z/hu 與流量系數M2關系式具有一定的相關聯系，符合線性變化規律；根據現場試驗結果分析，推算流量與實測流量相差比較小，可以應用其結果，其方法比較新穎。

（2）福田寺站具有代表性，它是控制入洪湖水量重要控制站，據多年資料分析，福田寺閘出流狀態為淹沒孔流狀態較多，滿足精度要求情況下，可進一步提高計算方式的范圍。

（3）隨著水文新技術不斷應用，水位、閘門變化實現遙測自動化，無需人工時刻記載，對堰閘站的出流狀態率定，十分重要。