張文春，蔣 憬，吳錦奎

(1.甘肅省酒泉水文水資源勘測(cè)局，甘肅嘉峪關(guān)735100；2.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所流域水文及應(yīng)用生態(tài)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000)

嘉峪關(guān)水文站堰閘推流探討

張文春1，蔣 憬1，吳錦奎2

(1.甘肅省酒泉水文水資源勘測(cè)局，甘肅嘉峪關(guān)735100；2.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所流域水文及應(yīng)用生態(tài)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000)

針對(duì)討賴河嘉峪關(guān)水文站堰閘推流方法做了詳細(xì)的分析論證。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，繪制出堰閘前水頭hu—流量系數(shù)C1、溢洪壩上游水頭hu—流量系數(shù)C1及閘門開啟高度與閘前水頭之比e/hu—孔流流量系數(shù)M等關(guān)系曲線圖，找出堰閘出流規(guī)律，確定出流流量計(jì)算公式，推求自由式堰流和孔流流量系數(shù)及溢洪壩流量系數(shù)，并率定得出經(jīng)驗(yàn)公式。在Excel電子表格中編制出孔流流量計(jì)算模塊，完成推流計(jì)算，解決了復(fù)雜的測(cè)驗(yàn)和整編過程。

自由式堰流；孔流；溢洪壩；流量系數(shù)；推流；嘉峪關(guān)水文站

0 引 言

堰閘流量的水力學(xué)推算與堰閘上游水頭hu、閘門開度e、閘下水頭、閘上下游河床穩(wěn)定性、閘門和堰壩及閘墩等結(jié)構(gòu)形式有關(guān)[1]。在過閘流量計(jì)算中，自由堰流流量Q因是hu的單值函數(shù)，hu—Q或hu—C1(自由式堰流流量系數(shù))關(guān)系線一般都較穩(wěn)定且便于單站綜合；而自由孔流流量不僅與hu有關(guān)，還與e有關(guān)，直接建立e/hu—M相關(guān)(e/hu為相對(duì)開啟高度，M為自由孔流流量系數(shù))，有些堰閘其相關(guān)性往往不夠理想。當(dāng)測(cè)次較少且分布不均勻時(shí)，定線任意性較大，甚至無法定線，給推流帶來困難。特別是小開啟高度情況下，測(cè)點(diǎn)常位于曲線下端，因變率較大，又沒有明顯的控制界限，不宜作曲線延長(zhǎng)，流量計(jì)算精度往往得不到保證[2]。

討賴河是內(nèi)陸河流域黑河水系黑河一級(jí)支流，嘉峪關(guān)水文站是唯一監(jiān)測(cè)討賴河水情變化的國(guó)家一級(jí)流量控制站，集水面積為7 095 km2。本站肩負(fù)著討賴河水文測(cè)驗(yàn)、原始資料收集的任務(wù)，承擔(dān)著向中央防汛辦、甘肅省防汛辦以及嘉峪關(guān)、酒泉市肅州區(qū)和金塔縣抗旱防汛提供可靠水文信息的重任，并對(duì)三地工農(nóng)業(yè)水資源量分配和評(píng)價(jià)都具有重要意義。本站有6個(gè)測(cè)驗(yàn)斷面，其中堰閘測(cè)驗(yàn)是重點(diǎn)。河道3個(gè)堰閘測(cè)流斷面根據(jù)閘門提起高度分為堰流和孔流。堰流時(shí)，當(dāng)水位超過堰閘中間導(dǎo)流墻時(shí)，用流速儀測(cè)流無法進(jìn)行，用浮標(biāo)測(cè)流因受流向不順直的影響而無法正常施測(cè)，用堰流公式推流是最有效的選擇，因此水位超過導(dǎo)流墻時(shí)的堰流、堰閘自由孔流和溢流壩推流計(jì)算是本研究的主要內(nèi)容。

1 基本原理

1.1 堰閘類型

河道閘室和導(dǎo)流槽(渠)底成一水平面，沒有堰壩建筑物，本站一、二、三閘即為平底閘。溢流壩閘舌為流線型的堰閘建筑物，故為實(shí)用堰閘。

1.2 出流狀態(tài)

由于河道堰閘下端消力池比閘室高程低0.5 m，消力池跌水?dāng)嗝娓哂谙掠魏拥?.8 m，跌水處水位低于閘前水位，不影響堰閘出流大小，故為自由式堰閘。根據(jù)閘門提起水面高度的情況，又分為自由式堰流和自由式孔流二種；溢流壩堰頂高程遠(yuǎn)高于壩下高程，其高差為5.0 m，閘舌為流線型的堰閘建筑物，故為自由式實(shí)用堰閘。

1.3 出流公式

根據(jù)本站測(cè)驗(yàn)情況確定自由式堰流和自由式實(shí)用堰閘的推流公式為[3]

(1)

自由式孔流的推流公式為[3]

(2)

式中，B為閘門總寬度，m。

2 河道堰閘自由式堰流流量推求

對(duì)于堰閘來說，自由式堰流流量推求從式(1)可知，B是已知的，hu可從上游水位資料中獲得，只有C1是未知量，因此C1值的推求是計(jì)算堰流流量的關(guān)鍵。C1值的確定分為有無實(shí)測(cè)資料和有實(shí)測(cè)資料兩種情況。

2.1 無實(shí)測(cè)資料情況下推求C1

本站建站初期沒有實(shí)測(cè)資料，因此需根據(jù)無實(shí)測(cè)資料情況下進(jìn)行C1的推求。一般堰閘流量Q與上游水頭hu(或上游水位Z)具有穩(wěn)定的單值關(guān)系，但由于Z—Q資料在實(shí)際中難以實(shí)測(cè)，往往需要經(jīng)驗(yàn)公式[3]來推求

C1=(2/3)×(2g)1/2μ即C1=2.95μ

(3)

式中，μ=φε，μ為堰閘綜合系數(shù)；φ為流速系數(shù)；ε為收縮系數(shù)。

(1)收縮系數(shù)ε、流速系數(shù)φ的確定。ε值，由于三個(gè)堰閘的流向、流速分布的不同，所取值也不同。根據(jù)本站測(cè)站控制特點(diǎn)，再結(jié)合《水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)》[4]，一閘取0.95，二閘取0.92，三閘取0.88。φ值，一閘取1.00，二閘取0.95，三閘取0.88。

(2)流量系數(shù)C1值計(jì)算。利用式(3)計(jì)算可得，一閘C1值為2.80，二閘C1值為2.58，三閘C1值為2.28。

2.2 有實(shí)測(cè)資料情況下推求C1

選取2003年和2007年一閘和三閘水位大于4.00 m(水位超過導(dǎo)流墻)以上的資料進(jìn)行分析。因一閘、三閘在堰流狀態(tài)下出流所受因素不同，分別進(jìn)行研究。其步驟為：

(1)選取實(shí)測(cè)流量Q及相應(yīng)的Z和B資料，建立Z—Q關(guān)系曲線(圖略)。

(2)用Qc、hu和B資料計(jì)算C1，即

(4)

(3)點(diǎn)繪相關(guān)因素Z-C1關(guān)系曲線圖。

(4)在Z(hu) —C1上查出各級(jí)上游水位下的C1值直接代入(1)式計(jì)算出流量。

圖1 討賴河嘉峪關(guān)(一閘)站C1 ～ hu高水關(guān)系曲線

2.3 結(jié)果分析

(1)在測(cè)站控制特性和堰流狀態(tài)下，當(dāng)遇到超過導(dǎo)流墻的大洪水時(shí)，只開一個(gè)或二個(gè)閘門、或全開時(shí)，此情形均屬于自由堰流，是本文討論的主要堰流狀態(tài)。

(2)三個(gè)堰閘閘門同時(shí)開啟時(shí)，水位一般情況下從三閘到一閘依次降低；三閘水流擾動(dòng)較小，二閘水流擾動(dòng)較大，一閘水流擾動(dòng)最大。

(3)根據(jù)一閘Z—C1關(guān)系分析，當(dāng)遇各閘部分開啟時(shí)，水位超過導(dǎo)流墻時(shí)，在各閘的擾動(dòng)水流作用下和閘門關(guān)閉產(chǎn)生壅水情況下，致使Z—C1關(guān)系曲線圖與自由式堰流一般線形不一致。

(4)流量系數(shù)C1由于各閘水流情況的不同而不同。一閘C1值與閘上水位(Z或hu)有關(guān)，并隨Z或hu的升高而減小(圖2)；三閘C1值與Z或hu無關(guān)，其值為常數(shù)2.27，這與無實(shí)測(cè)資料情況下采用的C1值2.28基本相同，進(jìn)一步說明了C1值的準(zhǔn)確性。

(5)二閘無實(shí)測(cè)資料，流量系數(shù)C1可根據(jù)無實(shí)測(cè)資料情況下推求，進(jìn)行合理性檢查是否正確，最后確定C1值。

(6)一閘和三閘的C1值，經(jīng)生產(chǎn)中應(yīng)用驗(yàn)證是合理正確的，為了資料的準(zhǔn)確性和可靠性，應(yīng)繼續(xù)收集較高水位下的資料進(jìn)一步驗(yàn)證分析，得出較精確的C1值或變化規(guī)律。

圖2 討賴河 嘉峪關(guān)(一閘)站 Z — C1 高水關(guān)系曲線

測(cè)次施測(cè)時(shí)間月日起止時(shí)分時(shí)分閘上水位H/mhu/me/mB/m實(shí)測(cè)流量/m3·s-1Me/huQ/(Beh1/2u)17148∶249∶306.363.760.286.07.620.0742.34271516∶0017∶006.303.700.466.012.40.1242.34371717∶1818∶126.483.880.386.010.80.0982.4048111∶0011∶485.903.300.356.09.160.1062.4058816∶1816∶546.433.830.256.07.000.0652.38682610∶3611∶006.583.980.086.02.330.0202.43782611∶3012∶006.543.940.136.03.720.0332.40882710∶3011∶006.523.920.286.08.180.0712.46982716∶0016∶246.423.820.176.04.890.0452.45108289∶009∶246.563.960.056.01.620.0132.711183110∶3011∶006.403.800.266.07.180.0682.36

2.4 河道堰閘自由式堰流流量推求

根據(jù)已確定的C1值或C1值公式，代入式(1)就可算出堰閘流量Q，或利用Z(hu) —Q工作曲線，直接用Z(hu)在圖上查得流量。

3 河道自由式孔流流量推求

從式(2)可知，推算流量Q的水文要素是hu、e、B和M。hu、e、B數(shù)據(jù)均可實(shí)測(cè)得到，是推求M值的關(guān)鍵。

3.1 自由孔流資料選取和一致性分析

選取2003年～2004年流速儀法、浮標(biāo)法和堰閘孔流公式法進(jìn)行比測(cè)的42份原始資料分析探討，部分比測(cè)試驗(yàn)資料見表1。需要指出的是，研究中是將3個(gè)閘孔的資料放在一起分析的。因?yàn)樵谧杂煽琢鳡顟B(tài)下，往往都是南北干渠引水期，水位被抬高，水流緩慢，沒有橫比降，各閘孔的出流約束條件一致，影響因素相近，故3個(gè)閘孔的流量系數(shù)M推理也具有一致性、相近性[7]。

3.2 自由式孔流流量系數(shù)M的推求步驟

(1)根據(jù)本站成果表中的資料，計(jì)算出hu、e/hu。

(2)依據(jù)實(shí)測(cè)的流量Q，用式(2)反求M值，即

(5)

(3)點(diǎn)繪e/hu～M關(guān)系圖(圖略)，手工定線，并反點(diǎn)繪出M～e/hu標(biāo)準(zhǔn)曲線圖(見圖3)，率定出M～e/hu計(jì)算式。

圖3 討賴河 嘉峪關(guān)站 孔流相關(guān)因素M ～ e/hu 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系曲線

3.3 流量系數(shù)(M)結(jié)果討論

(1)從圖4可看出，e/hu—M關(guān)系點(diǎn)群分布走向符合自由式孔流關(guān)系線形的一般規(guī)律，即隨e/hu值的增大，M值逐漸減小，且當(dāng)e/hu值大于0.5時(shí)，M值穩(wěn)定等于2.29，這完全符合《水文資料整編規(guī)范》[5]的要求。

(2)按常規(guī)本應(yīng)建立e/hu—M關(guān)系曲線圖，繪出e/hu—M曲線，以查e/hu對(duì)應(yīng)的M值?？紤]到實(shí)際工作中手工查讀計(jì)算不便，故將曲線率定為M—e/hu公式，在電子表格中應(yīng)用方便。

(3)經(jīng)分析M=f(e/hu)函數(shù)的六次多項(xiàng)式[6]，能準(zhǔn)確描述M—e/hu曲線的曲度變化情況。當(dāng)e/hu<0.5時(shí)，M=98.746(e/hu)6-319.83(e/hu)5+357.67(e/hu)4-190.41(e/hu)3+52.773(e/hu)2-7.528 6(e/hu)+2.768 3。當(dāng)e/hu≥0.5時(shí)，M=2.29。此成果現(xiàn)已在生產(chǎn)中開始使用，經(jīng)對(duì)比分析、合理性檢查，資料正確連續(xù)可靠。

(4)從e/hu—M關(guān)系線誤差分析看，最大相對(duì)誤差為+7.8%，累積相對(duì)誤差為10.5%，平均相對(duì)誤差為0.3%，符號(hào)檢驗(yàn)“+”號(hào)19個(gè)，“-”號(hào)21個(gè)，線上2個(gè)，完全能達(dá)到《水文資料整編規(guī)范》[5]定線允許誤差的要求。

(5)曾根據(jù)2006年討賴河渠首水管所堰閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)測(cè)得的自由孔流流量分析反推M值，各級(jí)M值與我站的分析成果基本一致，符合孔流堰閘系數(shù)的基本規(guī)律。

(6)根據(jù)本測(cè)站特性，三個(gè)閘孔M—e/hu率定公式可通用。

3.4 自由式孔流流量推求

(1)根據(jù)已測(cè)得的Z、e算出hu、e/hu值。

(2)依據(jù)e/hu值的大小，判定是否大于等于0.5，再選用率定的M—e/hu公式或常數(shù)，計(jì)算出M值。

4 溢流壩自由式堰流流量推求

4.1 溢流壩流量系數(shù)C1公式推求

由于此溢流壩前水面寬闊(180 m)，各溢流孔過水?dāng)嗝婢鶠榫匦螖嗝?。?dāng)溢流壩溢流時(shí)，假定各閘孔同一水位上，各條垂線平均流速處處相等，由實(shí)測(cè)水位流速資料推求流量，并應(yīng)用單寬流量的概念反求C1值。

其計(jì)算式為

(7)

(8)

其中，A為總過水面積；V為垂線平均流速。

4.2 溢流壩用流量系數(shù)C1推流方法

(1)用實(shí)測(cè)流速V及相應(yīng)的hu資料，按式(8)計(jì)算C1值。

(2)點(diǎn)繪hu—C1關(guān)系測(cè)點(diǎn)，建立hu—C1關(guān)系曲線圖(見圖4)。

圖4 討賴河 嘉峪關(guān)(溢)站hu — C1關(guān)系曲線

圖5 討賴河 嘉峪關(guān)(溢)站 C1— hu關(guān)系曲線

4.3 結(jié)果分析

(1)從hu—V關(guān)系圖上看(圖略)，hu隨垂線平均流速V增大而增大，完全符合水位流速關(guān)系曲線的一般規(guī)律特性。

(2) 從hu—C1關(guān)系圖(見圖4)上看，C1隨hu增大而增大，曲線下端稍彎曲，完全符合堰流出流系數(shù)的一般性規(guī)律。

(4)根據(jù)《水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)》，對(duì)堰流無實(shí)測(cè)資料流量系數(shù)的分析，本站C1值曾選用2.06(C1=0.95×2.17)，與實(shí)測(cè)值hu≥0.35 m時(shí)，C1=2.05情況完全一致，正確合理。

(5)從《水文資料整編規(guī)范》[5]中實(shí)用堰平底閘C1值一般在2.0左右，本站中、高水位(hu≥0.35 m)實(shí)測(cè)值C1值等于2.05與《規(guī)范》要求相一致，完全可以在生產(chǎn)中應(yīng)用。

(7) 從hu—C1關(guān)系線誤差分析看，最大的相對(duì)誤差為-7.8%，累積相對(duì)誤差為1.4%，平均相對(duì)誤差為0.1%，符號(hào)檢驗(yàn)“+”號(hào)6個(gè)，“-”號(hào)6個(gè)，完全能達(dá)到《水文資料整編規(guī)范》[5]定線允許誤差的要求。

4.4 溢流壩自由式堰流流量推求

5 結(jié) 語

從以上分析研究看，本站河道堰流在多種復(fù)雜情況下實(shí)測(cè)資料偏少，有待繼續(xù)收集資料進(jìn)一步分析研究，以使流量系數(shù)更加接近真值或變化規(guī)律；從溢流壩出流系數(shù)C1值分析看，成果可靠準(zhǔn)確；從實(shí)測(cè)資料數(shù)量看，孔流e/hu～M關(guān)系完全可以滿足定線要求，推求流量可以達(dá)到《水文資料整編規(guī)范》[5]要求的測(cè)驗(yàn)精度。

[1]潘飛， 王耀武. 堰閘自由孔流流量計(jì)算的一種間接方法[J]. 水文， 2000， 20(3)： 51- 52．

[2]陳光， 陸海萍， 凌燕. 德清大閘洪水期堰閘推流研究[J]. 浙江水利科技， 2011(6)： 28- 29．

[3]水利水電部水文司. 水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)(第一冊(cè))[M]. 北京： 水利電力出版社， 1975．

[4]水利水電部水文司. 水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)(第三冊(cè))[M]. 北京： 水利電力出版社， 1975.

[5]水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局. 水文資料整編規(guī)范[M]. 北京： 水利電力出版社， 2000.

[6]林傳真， 周忠遠(yuǎn). 水文測(cè)驗(yàn)與查勘[M]. 南京： 河海大學(xué)出版社， 1987.

[7]陜西省水利學(xué)校. 水力學(xué)[M]. 北京： 水利出版社， 1978．

(責(zé)任編輯 陳 萍)

Weir Gate Plug Flow Analysis at Jiayuguan Hydrologic Station

ZHANG Wenchun1, JIANG Jing1, WU Jinkui2

(1. Jiuquan Hydrology and Water Resources Bureau of Gansu Province, Jiayuguan 735100, Gansu, China;2. Laboratory of Watershed Hydrology and Ecology, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Gansu; China)

The approaches for analyzing weir gate plug flow at Jiayuguang Hydrologic Station on Taolai River are analyzed and argumented. Based on actual measurement data, the dependence graphs for water headhu-flow coefficientC1in front of gate, water headhu-flow coefficientC1in the upstream of overflow dam, as well as the ratio between the height of gate opening and water head in front of the gatee/hu-hole flow coefficientMare protracted. The law of outflow at the gates is found out, the computation formula for outflow is determined, and the values of freestyle weir flow coefficient, overflow dam flow coefficient and freestyle hole flow coefficient are derived. The empirical formula is finally calibrated. The flow calculation module is compiled in an Excel spreadsheet to complete the calculation of plug flow. The complicated testing and reorganization of measurement data for the Station is solved．

freestyle weir flow; orifice flow; overflow dam; flow coefficient; plug flow; Jiayuguan Hydrologic Station

2014- 10- 20

國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013CBA01806)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2013BA05B03)

張文春(1966—)，男，甘肅酒泉人，高級(jí)工程師，從事水文水資源監(jiān)測(cè)、資料整編、水資源調(diào)查論證和水情預(yù)報(bào)工作．

TV132；P336(242)

A

0559- 9342(2015)11- 0029- 05