陶曉明， 朱東明， 莊 楊， 曹 琦， 劉晨燁

(常州市城市防洪工程管理處， 江蘇 常州 213022)

常州市坐落于江蘇省南部，地屬太湖流域，地勢高低相間，變化幅度平緩，北靠長江，南銜太湖，腹部有洮鬲兩湖，河網密布[1]。目前，常州市城市防洪工程管理處統管16座防洪包圍圈水利樞紐以及34座市區(qū)小型泵閘站，包括：殷家橋泵站、花園后塘河泵站、后塘河西站、三井河西站、三井河東站、龍游河北站、龍游河南站等。

2017年7月，常州市政府政務會議審議通過《常州市運北片主城區(qū)“暢流活水”總體方案》，通過引調長江水，新建4座活動堰，致力于增強市區(qū)內部水流的調控能力，提高小河道水體流動性，并于2018年和2019年持續(xù)開展市區(qū)調換水工作，在水質整治工作上投入了大量人力、物力和財力。

但是大部分城區(qū)小型泵閘站建成已久，建設資料缺失，且未安裝流量檢測設備，日常管理人員又不具備自主選擇流量公式以及各項計算系數的專業(yè)知識，一直難以對實際過閘流量進行較為準確的估算?？紤]到河道的實際過流情況與河道水體改善效果直接相關，該項數據的缺失既不利于對市區(qū)換水效果進行有效評估，也不利于實現科學管理。本文擬探尋常州市老城區(qū)小型泵閘站適用的過閘流量估算方法，為推算河道過流能力，評估換水工作實際效果提供理論依據。

1 概況

1.1 國內外研究進展

1.2 工程概括

常州市區(qū)小型泵閘站水閘前、后水位落差小。目前，水利工程管理單位已經完成了水利信息自動化兩級管理平臺的基礎創(chuàng)建工作，平臺從2014年開始通過超聲波水位儀、攝像機、PLC控制柜等智能化設備，能自動檢測水位、監(jiān)管廠房、河道情況，確保了水情、雨情的實時監(jiān)控，為探尋小型泵閘站過閘流量的簡便計算方法積攢了長期的水位數據。

2 過閘流量的簡易算法

2.1 傳統水力學公式

常州市小型泵閘站大多屬于開敞式小型節(jié)制閘。影響閘孔過流能力的因素眾多，包括閘孔寬度、閘門類型、閘門相對開度、閘門底坎形式、上下游水深以及水位差等[3]。為了針對實際情況選取合適的計算公式，首先要對水閘的過流情況進行分類，通常閘上的水流形式分為堰流和閘孔出流，判別標準是閘門開度與堰上水頭的比值，當e/H>0.65時，水流為堰流，當判斷水流為堰流的情況時，流量方程[4]如下：

(1)

式中：Q為過閘流量，m3/s；ε為側收縮系數；m為堰流的流量系數；b為閘門寬度，m；g為重力加速度，m/s2；H0為堰頂水頭，m；a為墩形系數；P為上游堰高，m；H為堰上水頭，m；B為閘口總凈寬，m；φ為流速系數；k為反映堰頂水流垂直收縮系數；ξ為修正系數。

(2)

(3)

式中：σs為閘孔淹沒出流時的淹沒系數；μ0為流量系數，其值受閘門形式的影響，以上系數均可查表確定。在無側收縮的條件下，閘門的垂直收縮系數k與閘門的相對開度e/H存在相關性，φ為流速系數。

由上可見，用傳統水力公式計算過閘流量，除了區(qū)分水流形態(tài)，不同的出流狀態(tài)對應不同的流量計算公式以外，還要根據閘門情況和閘底坎形式以及閘門開度等實際情況，選取計算流量系數的不同經驗公式，或者查表選取各項系數，這種方法在一線實際應用中過于復雜，部分數據不易獲取，對專業(yè)知識的掌握程度也要求較高。

2.2 簡化傳統水力學公式

鑒于老市區(qū)小型泵閘站通常為開敞式單孔構造，閘門為平面鋼閘門，調度運行又多采取全開和關閉兩種狀態(tài)，可以將過閘水流簡單歸類于寬頂堰自由出流狀態(tài)。

在這樣的前提條件下，使用公式(1)計算過閘流量，根據《水閘設計規(guī)范》(SL265—2016)和《水力計算手冊》對公式中的各系數進行賦值，當堰下游水位升高到影響寬頂堰溢流能力時，及下游堰上水深與堰頂總水頭的比值大于0.8時，需查表確定淹沒系數，但考慮到實際應用過程中，工程現場不具備獲取下游堰上水深和堰頂總水頭的條件，故直接將σs設定為1；根據小型泵閘站實際情況，經查表將單孔堰的側收縮系數ε定為0.912；m在未考慮水流的行近流速的狀態(tài)下，受堰的進口形狀和相對高度的影響，取值范圍為0.32～0.385。過閘流量計算公式系數賦值表見表1。

表1 過閘流量計算公式系數賦值表

計算可得：

3 校核簡化公式的可行性

常州市城市防洪工程管理處2018年曾聘請江蘇省太湖水利規(guī)劃設計研究院有限公司繪制了運北片防洪包圍圈上15水利樞紐的節(jié)制閘流量與水位關系曲線圖(堰流)，以北塘河樞紐節(jié)制閘為例，過閘流量與上下游水位差存在如圖所示的曲線關系(圖1)。

圖1 北塘河樞紐節(jié)制閘水位與流量關系曲線圖(堰流)

常州地區(qū)的節(jié)制閘工程管理規(guī)范要求水閘控制最大水位差均小于0.4 m。本文擬根據15座樞紐2018年全年月平均水位統計數據，分別對水位差為0.1 m、0.2 m、0.3 m的3種情況從其水位與流量關系曲線圖上獲得相應的過閘流量，同時用簡化的寬頂堰自由出流流量公式代入上游側水尺讀數計算相應的過閘流量，分類繪圖，進行比較，以此驗證簡化公式的實用性。

其中，15座節(jié)制閘孔寬列表見表2，2018年15座水利樞紐月平均水位統計表見表3。不同水位差時計算所得各樞紐過閘流量見圖2～4。

圖2 水位差為0.1m時讀圖和公式計算所得各樞紐過閘流量

圖3 水位差為0.2m時讀圖和公式計算所得各樞紐過閘流量

剔除個別因統計失常造成的錯誤水位記錄后，得到不同水位差時計算所得各樞紐過閘流量見圖2～4。由圖2～4可知，按照太湖水利規(guī)水位流量曲線圖獲得的過閘流量與簡化后的傳統水力學公式計算結果走向大體一致。m為0.385時計算所得結果大體大于讀圖結果，m為0.32時計算流量則略小于讀圖所得過閘流量，符合正常規(guī)律，由此推斷通過改變相關系數的取值可以使得簡化公式的計算結果與水位流量曲線圖的過閘流量更加接近，以m為例進行2種過閘流量計算方法的相關性分析(圖5～10)。

表2 15座節(jié)制閘孔寬列表 (單位： m)

表3 2018年15座水利樞紐月平均水位統計結果 (單位： m)

(續(xù)表3)

樞紐水位1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月糜家塘樞紐內河平均水位3.003.293.643.723.583.693.843.953.893.783.723.23相應外河水位3.393.413.703.813.783.824.024.154.053.883.783.69童子河閘站內河平均水位3.553.553.543.423.653.733.753.713.903.703.673.68相應外河水位3.443.463.663.543.763.843.953.913.903.703.683.66西界河閘站內河平均水位3.553.373.543.423.553.633.743.713.903.703.683.67相應外河水位3.443.463.663.543.763.843.953.913.903.703.683.55永匯河樞紐內河平均水位3.483.483.693.583.693.743.883.953.873.733.653.50相應外河水位3.483.373.693.583.583.533.673.753.663.623.553.62澡港河南樞紐內河平均水位3.483.383.583.573.843.653.743.743.813.623.733.70相應外河水位3.403.493.693.473.733.763.943.953.923.523.743.72

圖4 水位差為0.3m時讀圖和公式計算所得各樞紐過閘流量

圖5 水位差為0.1m m=0.385時的相關性分析

圖6 水位差為0.1m m=0.32時的相關性分析

圖7 水位差為0.2m m=0.385時的相關性分析

圖8 水位差為0.2m m=0.32時的相關性分析

圖9 水位差為0.3m m=0.385時的相關性分析

圖10 水位差為0.3m m=0.32時的相關性分析