孟 健

(杭州水文水資源監(jiān)測總站，杭州310016)

杭州市位于浙江省西北部，地處浙西丘陵與浙北平原之間的過渡區(qū)，東北部屬浙北平原區(qū)，涵蓋了杭嘉湖平原、蕭紹平原的相當(dāng)部分。區(qū)內(nèi)河湖縱橫，水面率較高，中小型水閘隨處可見，分布數(shù)量相當(dāng)可觀。與此同時，多數(shù)在用水閘修建年代較早，缺少科學(xué)合理的過閘流量推求方案，調(diào)度方式簡單粗放。在已開展的平原區(qū)水文巡測工作中，通過對過閘流量的實(shí)測資料進(jìn)行分析，結(jié)合水閘自身特性，利用水力學(xué)理論，制定出符合水閘實(shí)際使用情況的過閘流量推求方案，為水閘科學(xué)調(diào)度提供依據(jù)。

1 原理

閘孔出流是指閘門建在寬頂堰或?qū)嵱醚呱系某隽鲉栴}[1]。平原區(qū)河道內(nèi)閘門大多建在寬頂堰式的底坎上。影響水閘過閘流量的因素包括閘上、下游水位、底坎和閘門的形式與尺寸、閘門開度等，出流的計(jì)算方法復(fù)雜而多變。

1.1 寬頂堰的流量公式

寬頂堰出流綜合計(jì)算公式為:

式中:Q為寬頂堰的流量，m3/s;C為綜合流量系數(shù);B為堰寬，m;H為堰上水頭，m。

寬頂堰出流分為自由出流與淹沒出流，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，寬頂堰的淹沒條件為:

式中:hs為下游水位到堰頂?shù)母叨取?/p>

1.2 閘孔出流

閘孔出流有自由出流與淹沒出流兩種方式，相對應(yīng)的出流公式分別為:

式中:M為自由孔流綜合流量系數(shù);H－h(huán)t為上、下游水頭差，m;μ為淹沒出流系數(shù)。

2 方案編制步驟

2.1 資料收集

收集閘門相關(guān)的資料，包括閘門的位置、類型、尺寸、底坎的高程等。了解閘門所控制河段的相關(guān)情況，對可能出現(xiàn)的閘門調(diào)度方式做概括。

在做好上述工作之后，組織對閘門不同調(diào)度方式下的過閘流量進(jìn)行實(shí)測。所取得的實(shí)測資料應(yīng)盡可能涵蓋閘門所有的出流方式，為后期分析計(jì)算做準(zhǔn)備。在進(jìn)行流量測驗(yàn)的同時，對閘門開度、上下游水位等要素進(jìn)行觀測并做好記錄。測驗(yàn)結(jié)束后，對實(shí)測資料進(jìn)行整理。

2.2 分析計(jì)算

依據(jù)上文所述水力學(xué)公式，對所得資料進(jìn)行初步分析，判別閘門的各種出流方式。在此基礎(chǔ)上，對不同出流方式進(jìn)行歸納，分別計(jì)算出推流所用的各項(xiàng)系數(shù)。

2.3 編制推流方案

依據(jù)所求各項(xiàng)系數(shù)，參照閘門的調(diào)度方式，提供出閘門出流方式的判別方法，計(jì)算出各種出流方式下具有代表性的過閘流量。根據(jù)計(jì)算所得，編制出相應(yīng)的流量查驗(yàn)工作曲線，必要時制作與之對應(yīng)的查詢表格，方便基層工作者使用。

2.4 成果評價

通過以上步驟，便已基本完成了過閘流量推求方案的編制，接下來需要對成果的可靠性與精度進(jìn)行分析與評定。依據(jù)規(guī)范，流量系數(shù)關(guān)系線應(yīng)進(jìn)行符號、適線、偏離數(shù)值與t檢驗(yàn)，編制方案時t檢驗(yàn)可省略[2]。測次較少時，可參照上述方法直接對流量成果做3項(xiàng)檢驗(yàn)。通過檢驗(yàn)后，進(jìn)行隨機(jī)不確定度的計(jì)算，依據(jù)計(jì)算成果做精度評定，分析影響過閘流量推求精度的因素，以便在實(shí)際操作中注意與改善。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 設(shè)計(jì)資料收集與流量測驗(yàn)

東風(fēng)閘位于上塘河杭州與嘉興交界處的河道斷面上，屬小(2)型水閘。閘門由南北兩孔與中孔組成，邊孔閘門尺寸均為3.20 m×1.00 m，底坎高程2.33 m;中孔閘門尺寸為5.80 m×2.95 m，底坎高程0.38 m;閘頂高程均為3.33 m。

由于所處平原區(qū)河道水位變幅有限，閘上、下游水位分別穩(wěn)定在3.0～3.5 m與2.2～3.0 m。通過對閘門不同啟閉狀態(tài)下的過閘流量進(jìn)行實(shí)測，共獲取14份可用于分析的流量資料，具體可參見表1。實(shí)測流量在3.69～12.5 m3/s，測流期間上、下游水位變幅分別為0.28 m與0.15 m。

3.2 分類率定流量系數(shù)

依據(jù)閘門出流類型的判別方法進(jìn)行分析可知:此閘門在一般情況下，邊孔閘門出流方式有自由孔流、淹沒孔流與自由堰流3種，中孔閘門有淹沒孔流與淹沒堰流兩種。其中，邊孔淹沒孔流出現(xiàn)幾率較少，未有實(shí)測數(shù)據(jù)，淹沒出流系數(shù)可按0.65計(jì)算。其他出流方式均有實(shí)測數(shù)據(jù)。具體實(shí)測數(shù)據(jù)及相應(yīng)出流類型見表1。依據(jù)水力學(xué)公式進(jìn)行反算，對各種不同出流方式所對應(yīng)的流量系數(shù)成果進(jìn)行歸納，分別取其均值作為最終流量系數(shù)成果，率定成果見表1。

對于邊、中孔同開的情況，可探求邊孔對中孔出流的影響因素系數(shù)ε，根據(jù)實(shí)測資料對影響系數(shù)ε做合理率定，合成流量計(jì)算式為:

3.3 編制使用說明

為方便基層工作者，需編制操作性強(qiáng)的使用說明。就此閘而言，需分別交代邊、中孔閘門出流類型的判別方法，以及各出流類型不同情況下的過閘流量查詢方法。

以中孔閘門淹沒堰流為例，首先計(jì)算閘門相對開度e中/(Z下－0.38)。當(dāng)計(jì)算值＞0.65時出流方式為堰流，過閘流量可查詢圖1得出，圖中關(guān)系線從上到下對應(yīng)的閘下水位依次為 Z下2.4 m、Z下=2.6 m、Z下=2.8 m、Z下=3.0 m。其他水位情況下的過閘流量下可插補(bǔ)得出。

圖1 中孔淹沒堰流出流流量查詢圖

3.4 成果評價

依據(jù)使用說明，查圖表得出各實(shí)測流量Qi所對應(yīng)的查讀流量Qci，可參見表1。計(jì)算各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)與誤差值如下:

符號檢驗(yàn):統(tǒng)計(jì)量μ=0.27＜1.15，合理;

適線檢驗(yàn):統(tǒng)計(jì)量μ=－1.66＜1.64，合理;

偏離數(shù)值檢驗(yàn):統(tǒng)計(jì)量t=0.002＜1.75，合理。

依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》，推流成果可通過3項(xiàng)檢驗(yàn)，隨機(jī)不確定度X'Q=14.4% ，系統(tǒng)誤差0.06%，基本滿足二類精度水文站推流定線要求[3]。在實(shí)際操作中，需特別注意水位與閘門開度的觀測，以便更好的判斷流態(tài)，提高過閘流量推求精度。

表1 東風(fēng)閘過閘流量率定成果匯總表

4 結(jié)語

通過對水閘過閘流量實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合水力學(xué)相關(guān)理論，我們可編制出可操作性較強(qiáng)的流量推求方案。該方案能較好的為平原區(qū)閘門調(diào)度提供參考，流量推求精度可滿足平原區(qū)水文巡測資料的要求。值得指出是，在實(shí)測資料充足的情況下，方案中流量系數(shù)的確定可做進(jìn)一步探討，以便更好的提高方案精度。

[1]李家星，趙振興.水力學(xué)[M].南京:河海大學(xué)出版社，2001:20－37.

[2]水利部水文局.SL247－1999水文資料整編規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社，1999.

[3]周忠遠(yuǎn)，舒大興.水文信息采集與處理[M].南京:河海大學(xué)出版社，2005:176－182.