嘉峪關水文站堰閘推流探討

張文春，蔣 憬，吳錦奎

(1.甘肅省酒泉水文水資源勘測局，甘肅嘉峪關735100；2.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所流域水文及應用生態實驗室，甘肅蘭州730000)

嘉峪關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局，甘肅嘉峪關735100；2.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所流域水文及應用生態實驗室，甘肅蘭州730000)

針對討賴河嘉峪關水文站堰閘推流方法做了詳細的分析論證。根據實測資料，繪制出堰閘前水頭hu—流量系數C1、溢洪壩上游水頭hu—流量系數C1及閘門開啟高度與閘前水頭之比e/hu—孔流流量系數M等關系曲線圖，找出堰閘出流規律，確定出流流量計算公式，推求自由式堰流和孔流流量系數及溢洪壩流量系數，并率定得出經驗公式。在Excel電子表格中編制出孔流流量計算模塊，完成推流計算，解決了復雜的測驗和整編過程。

自由式堰流；孔流；溢洪壩；流量系數；推流；嘉峪關水文站

0 引 言

堰閘流量的水力學推算與堰閘上游水頭hu、閘門開度e、閘下水頭、閘上下游河床穩定性、閘門和堰壩及閘墩等結構形式有關[1]。在過閘流量計算中，自由堰流流量Q因是hu的單值函數，hu—Q或hu—C1(自由式堰流流量系數)關系線一般都較穩定且便于單站綜合；而自由孔流流量不僅與hu有關，還與e有關，直接建立e/hu—M相關(e/hu為相對開啟高度，M為自由孔流流量系數)，有些堰閘其相關性往往不夠理想。當測次較少且分布不均勻時，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，測點常位于曲線下端，因變率較大，又沒有明顯的控制界限，不宜作曲線延長，流量計算精度往往得不到保證[2]。

討賴河是內陸河流域黑河水系黑河一級支流，嘉峪關水文站是唯一監測討賴河水情變化的國家一級流量控制站，集水面積為7 095 km2。本站肩負著討賴河水文測驗、原始資料收集的任務，承擔著向中央防汛辦、甘肅省防汛辦以及嘉峪關、酒泉市肅州區和金塔縣抗旱防汛提供可靠水文信息的重任，并對三地工農業水資源量分配和評價都具有重要意義。本站有6個測驗斷面，其中堰閘測驗是重點。河道3個堰閘測流斷面根據閘門提起高度分為堰流和孔流。堰流時，當水位超過堰閘中間導流墻時，用流速儀測流無法進行，用浮標測流因受流向不順直的影響而無法正常施測，用堰流公式推流是最有效的選擇，因此水位超過導流墻時的堰流、堰閘自由孔流和溢流壩推流計算是本研究的主要內容。

1 基本原理

1.1 堰閘類型

河道閘室和導流槽(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，故為實用堰閘。

1.2 出流狀態

由于河道堰閘下端消力池比閘室高程低0.5 m，消力池跌水斷面高于下游河道1.8 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，故為自由式實用堰閘。

1.3 出流公式

根據本站測驗情況確定自由式堰流和自由式實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值的推求是計算堰流流量的關鍵。C1值的確定分為有無實測資料和有實測資料兩種情況。

2.1 無實測資料情況下推求C1

本站建站初期沒有實測資料，因此需根據無實測資料情況下進行C1的推求。一般堰閘流量Q與上游水頭hu(或上游水位Z)具有穩定的單值關系，但由于Z—Q資料在實際中難以實測，往往需要經驗公式[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；φ為流速系數；ε為收縮系數。

(1)收縮系數ε、流速系數φ的確定。ε值，由于三個堰閘的流向、流速分布的不同，所取值也不同。根據本站測站控制特點，再結合《水文測驗手冊》[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C1值計算。利用式(3)計算可得，一閘C1值為2.80，二閘C1值為2.58，三閘C1值為2.28。

2.2 有實測資料情況下推求C1

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

(1)選取實測流量Q及相應的Z和B資料，建立Z—Q關系曲線(圖略)。

(2)用Qc、hu和B資料計算C1，即

(4)

(3)點繪相關因素Z-C1關系曲線圖。

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

圖1 討賴河嘉峪關(一閘)站C1 ～ hu高水關系曲線

2.3 結果分析

(1)在測站控制特性和堰流狀態下，當遇到超過導流墻的大洪水時，只開一個或二個閘門、或全開時，此情形均屬于自由堰流，是本文討論的主要堰流狀態。

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

(3)根據一閘Z—C1關系分析，當遇各閘部分開啟時，水位超過導流墻時，在各閘的擾動水流作用下和閘門關閉產生壅水情況下，致使Z—C1關系曲線圖與自由式堰流一般線形不一致。

(4)流量系數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，并隨Z或hu的升高而減小(圖2)；三閘C1值與Z或hu無關，其值為常數2.27，這與無實測資料情況下采用的C1值2.28基本相同，進一步說明了C1值的準確性。

(5)二閘無實測資料，流量系數C1可根據無實測資料情況下推求，進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，經生產中應用驗證是合理正確的，為了資料的準確性和可靠性，應繼續收集較高水位下的資料進一步驗證分析，得出較精確的C1值或變化規律。

圖2 討賴河 嘉峪關(一閘)站 Z — C1 高水關系曲線

測次施測時間月日起止時分時分閘上水位H/mhu/me/mB/m實測流量/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數據均可實測得到，是推求M值的關鍵。

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、浮標法和堰閘孔流公式法進行比測的42份原始資料分析探討，部分比測試驗資料見表1。需要指出的是，研究中是將3個閘孔的資料放在一起分析的。因為在自由孔流狀態下，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個閘孔的流量系數M推理也具有一致性、相近性[7]。

3.2 自由式孔流流量系數M的推求步驟

(1)根據本站成果表中的資料，計算出hu、e/hu。

(2)依據實測的流量Q，用式(2)反求M值，即

(5)

(3)點繪e/hu～M關系圖(圖略)，手工定線，并反點繪出M～e/hu標準曲線圖(見圖3)，率定出M～e/hu計算式。

圖3 討賴河 嘉峪關站 孔流相關因素M ～ e/hu 標準關系曲線

3.3 流量系數(M)結果討論

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

(2)按常規本應建立e/hu—M關系曲線圖，繪出e/hu—M曲線，以查e/hu對應的M值。考慮到實際工作中手工查讀計算不便，故將曲線率定為M—e/hu公式，在電子表格中應用方便。

(3)經分析M=f(e/hu)函數的六次多項式[6]，能準確描述M—e/hu曲線的曲度變化情況。當e/hu<0.5時，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e/hu≥0.5時，M=2.29。此成果現已在生產中開始使用，經對比分析、合理性檢查，資料正確連續可靠。

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

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

(6)根據本測站特性，三個閘孔M—e/hu率定公式可通用。

3.4 自由式孔流流量推求

(1)根據已測得的Z、e算出hu、e/hu值。

(2)依據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，計算出M值。

4 溢流壩自由式堰流流量推求

4.1 溢流壩流量系數C1公式推求

由于此溢流壩前水面寬闊(180 m)，各溢流孔過水斷面均為矩形斷面。當溢流壩溢流時，假定各閘孔同一水位上，各條垂線平均流速處處相等，由實測水位流速資料推求流量，并應用單寬流量的概念反求C1值。

其計算式為

(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C1推流方法

(1)用實測流速V及相應的hu資料，按式(8)計算C1值。

(2)點繪hu—C1關系測點，建立hu—C1關系曲線圖(見圖4)。

圖4 討賴河 嘉峪關(溢)站hu — C1關系曲線

圖5 討賴河 嘉峪關(溢)站 C1— hu關系曲線

4.3 結果分析

(1)從hu—V關系圖上看(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系曲線的一般規律特性。

(2) 從hu—C1關系圖(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的一般性規律。

(4)根據《水文測驗手冊》，對堰流無實測資料流量系數的分析，本站C1值曾選用2.06(C1=0.95×2.17)，與實測值hu≥0.35 m時，C1=2.05情況完全一致，正確合理。

(5)從《水文資料整編規范》[5]中實用堰平底閘C1值一般在2.0左右，本站中、高水位(hu≥0.35 m)實測值C1值等于2.05與《規范》要求相一致，完全可以在生產中應用。

(7) 從hu—C1關系線誤差分析看，最大的相對誤差為-7.8%，累積相對誤差為1.4%，平均相對誤差為0.1%，符號檢驗“+”號6個，“-”號6個，完全能達到《水文資料整編規范》[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 語

從以上分析研究看，本站河道堰流在多種復雜情況下實測資料偏少，有待繼續收集資料進一步分析研究，以使流量系數更加接近真值或變化規律；從溢流壩出流系數C1值分析看，成果可靠準確；從實測資料數量看，孔流e/hu～M關系完全可以滿足定線要求，推求流量可以達到《水文資料整編規范》[5]要求的測驗精度。

[1]潘飛， 王耀武. 堰閘自由孔流流量計算的一種間接方法[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. 水文測驗手冊(第一冊)[M]. 北京： 水利電力出版社， 1975．

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

[5]水利部長江水利委員會水文局. 水文資料整編規范[M]. 北京： 水利電力出版社， 2000.

[6]林傳真， 周忠遠. 水文測驗與查勘[M]. 南京： 河海大學出版社， 1987.

[7]陜西省水利學校. 水力學[M]. 北京： 水利出版社， 1978．

(責任編輯 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

國家重大科學研究計劃項目(2013CBA01806)；國家科技支撐計劃(2013BA05B03)

張文春(1966—)，男，甘肅酒泉人，高級工程師，從事水文水資源監測、資料整編、水資源調查論證和水情預報工作．

TV132；P336(242)

A

0559- 9342(2015)11- 0029- 05