臨渙閘水文站水位流量關系單值化分析

徐根寶

（安徽省水文局宿州水文水資源局,安徽 宿州 234000）

由水力學原理中水工建筑物推流法可知,在淹沒孔流流態(tài)下閘孔平均流速與上下游水位差之間存在著密切關系[1]。水文資料分析中用實測流量資料率定它們之間的關系,用于推算過閘流量,從而減輕后續(xù)測驗工作強度,進而提高流量計算精準度[2]。本文以臨渙閘水文站2015年～2021年實測流量資料為分析依據(jù),采用CAD、Excel 和整編軟件進行定線,在淹沒孔流流態(tài)下率定出閘孔平均流速與上下游水位差之間的關系,并依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2020）,對關系線進行符號檢驗、適線檢驗和偏離數(shù)值檢驗。

1 基本概況

臨渙閘為澮河主干上的大型節(jié)制閘,位于安徽省濉溪縣韓村鎮(zhèn)河涯村,集水面積2795 km2。臨渙集水文站于1954年7 月設站,2011年1月由臨渙集水文站下遷10 km遷至臨渙閘,改為臨渙閘水文站,為國家重要水文站、二類精度站。臨渙閘位于測流斷面上游280 m 處,結構型式：平底閘、平板閘門,共8 孔,每孔寬10.0 m,孔高11 m,閘底板高程18.50 m（85 黃海高程系）,見表1。受下游南坪閘蓄水影響,該閘一直為淹沒出流。測驗河段順直,測驗斷面較穩(wěn)定,測站控制較好。

表1 測站特性及水文特征值

2 單值化分析目的與意義

臨渙閘水文站自設站以來,一直按連實測流量過程線進行流量測驗與整編工作,年平均流量測次近一百二十次,任務較為艱巨,已不適應中國水文現(xiàn)代化建設的發(fā)展,為解放生產(chǎn)力,進一步提升水文監(jiān)測能力,提高水文測驗質量,對臨渙閘水文站水位流量關系進行單值化分析十分必要。此前已分析2012年～2015年資料[3],點繪出關系線圖,因人工點繪誤差較大,線上流量與實測流量誤差不符合水文資料整編規(guī)范,現(xiàn)對臨渙閘水文站水位流量關系通過CAD 和整編軟件重新定線。

3 水位流量關系分析

3.1 資料系列

臨渙閘站本次水位流量關系分析采用的資料系列為：2015年～2021年實測流量資料共579 測次。2016年～2018年采用當年率定線推流,2019年、2020年、2021年采用歷年率定線推流。本站遷站以來歷年最高水位：閘上25.52 m（2018年8 月19 日）,閘下25.26 m（2018年8 月19 日）；最低水位：閘上21.45 m（2012年3 月18 日）,閘下20.81 m（2012年7 月26 日）；最大流量515 m3/s（2018年8 月19 日）,最小流量0 m3/s。

3.2 分析方法

水位流量關系的確定應以實測流量測次為依據(jù),并參考水位過程線、斷面變化等有關影響。分析逐時水位過程線、汛期洪峰水位過程線,可克服直接定線的盲目性。洪水期間變化復雜的水位流量關系線的確定,應結合測站特性、歷史洪水等因素綜合分析。臨渙閘站水位流量關系采用的分析方法為：使用該站2015年～2021年實測流量成果資料,采用CAD 作圖工具或Excel 和整編軟件,配置相關關系線或關系表達式[4],檢驗相關關系是否符合有關規(guī)范要求。

3.3 閘孔平均流速率定

由水力學原理水工建筑物推流法可知,閘孔流速主要受閘門型式、出流方式、閘底板型式、上下游水位差或上游水頭、閘門開啟孔數(shù)和高度的影響。對平板閘門來說,淹沒式出流上下游水位差直接影響著閘孔平均流速。根據(jù)臨渙閘水文站實測流量成果,計算每一測次的水位差ΔZ（i=1,2……）,并反推相應水位差的閘孔平均流速 Vcpi（i=1,2……）可用關系式（1）計算：

式中：Vcp為閘孔平均流速,m/s；Q 為實測流量,m3/s；B 為閘門開啟總寬,m；e 為閘門開啟垂直高度,m。

3.4 定線

可采用CAD 或 Excel 數(shù)據(jù)處理生成閘孔流速與水位差之間關系的散點圖,進行曲線繪制,推薦使用簡單易操作的Excel 插入散點圖法繪制[5],根據(jù)散點趨勢生成關系曲線,檢查曲線是否合理,對曲線進行適當修正,通過函數(shù)和VBA 宏程序編寫擬合出冪函數(shù)表達公式。

3.5 關系式及三項檢驗

3.5.1 水位流量關系

經(jīng)分析配置出臨渙閘站孔流狀態(tài)閘孔流速與上下游水位差的關系表達式為：

式中：Vcp為閘孔流速,m/s；ΔZ 為上下游水位差,m。

臨渙閘（閘下游）站閘孔平均流速Vcp與上下游水位差ΔZ 關系圖見圖1,從圖中可看出,歷年關系曲線點群集中,各水位差實測點分布均勻,綜合關系曲線較好。

圖1 臨渙閘（閘下游）站閘孔平均流速Vcp 與上下游水位差ΔZ 關系圖

3.5.2 三項檢驗

水位流量關系曲線檢驗內(nèi)容包括符號檢驗、適線檢驗和偏離數(shù)值檢驗三項。三項檢驗具體公式見《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2020）,在此不過多解釋。關系曲線為單一曲線,使用時間較長的臨時曲線及經(jīng)單值化處理的單一線,且測點在10 個以上,應作關系曲線檢驗。

當三種檢驗結果全部接受原假設,則定線正確；若三種檢驗或任意一、二種檢驗結果拒絕原假設,應當分析拒絕原因,并對原線進行適度修改重做檢驗[6]。檢驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 臨渙閘（閘下游）水位流量關系曲線檢驗表

本次檢驗標本共558 次,其中K+284 次,K-274 次,符號變換260 次。符號變換次數(shù)小于0.5（n-1）,需做適線檢驗。

臨渙閘站推流關系線精度檢驗結果見表3。從表3 可以看出,臨渙閘站孔流狀態(tài)推流關系線通過《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2020）要求的有關檢驗。

表3 臨渙閘（閘下游）推流關系線檢驗結果表

（3）其它情況說明

在率定上述臨渙閘閘孔出流關系線時,其中2015年4 次、2016年1 次、2017年3 次、2018年、2019年 各1 次,因 測驗和閘門開啟高度觀測誤差,實測點據(jù)與關系線偏離較大,舍去。2020年舍棄的8 次為ΔZ＜0.1 m,2021年舍棄的2 次為ΔZ＜0.1 m。

臨渙閘閘孔出流關系線使用范圍為：4.89 m＞ΔZ≥0.12 m。

4 結論與建議

4.1 建議

（1）因本次分析驗證標本中最大流量為515 m3/s,水位差范圍在0.12 m～4.89 m 之間,故建議在流量小于515 m3/s 或4.89 m＞ΔZ ≥0.12 m 時,實行校測。同時每年應對關系曲線進行檢驗,對偏離誤差較大的測點和出現(xiàn)系統(tǒng)偏離的時段做出及時仔細地分析,并加密測次,確保水位流量關系曲線精度。

（2）進行閘門開高校正。對于閘壩站流量測驗時,閘門開啟高度直接影響閘門過水面積進而影響到流量系數(shù),導致流量系數(shù)產(chǎn)生誤差,為保證單值化分析的準確性,必須要確保閘門開高的準確度。

4.2 結論

（1）經(jīng)分析和驗證臨渙閘水位流量關系的單值化,確定臨渙閘站孔流狀態(tài)閘孔流速與上下游水位差的關系表達式為：Vcp=3.27ΔZ0.49。經(jīng)檢驗分析,臨渙閘水文站淹沒孔流狀態(tài)水位流量關系表達式滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2020）的檢驗要求,各項指標誤差較小,符合規(guī)范的誤差標準,可以使用其推流。

（2）臨渙閘水文站單值化的成功分析,實現(xiàn)流量“軟在線”,為水文站的流量巡測、間測打下堅實的基礎,為水文全要素自動監(jiān)測的實現(xiàn)邁出重要一步。

（3）單值化分析的成功應用,使得流量測次適當降低,減輕了測驗、報汛、整編任務。從而解放了人力,讓有限的人才集中起來進行巡測,擴大水文業(yè)務范圍,可為經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供優(yōu)質的水文服務。