邢家渡引黃閘閘孔出流推算方法探討

張剛，李秉哲

（濟(jì)南黃河河務(wù)局供水局，山東濟(jì)南 250000）

邢家渡引黃閘閘孔出流推算方法探討

張剛，李秉哲

（濟(jì)南黃河河務(wù)局供水局，山東濟(jì)南 250000）

以歷史放水資料為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，推求了適用于邢家渡水閘的流量系數(shù)，建立流量推算公式，并進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果較好。建立流量～開度～水位關(guān)系曲線，根據(jù)流量推算公式，在已知流量指標(biāo)的前提下，還可以反推閘門開度，為調(diào)整閘門開度提供了一種簡(jiǎn)便、高效的方法。本文建立的閘孔出流流量公式計(jì)算過程簡(jiǎn)便，精度較高，對(duì)水閘科學(xué)管理具有一定的指導(dǎo)意義。

邢家渡引黃閘；閘孔出流；流量公式；關(guān)系曲線

邢家渡引黃閘位于黃河左岸山東省濟(jì)陽縣境內(nèi)，最早建于1974年，后又在2000年進(jìn)行改建。閘體為2聯(lián)4孔，鋼筋混凝土箱式涵洞，直升式平面閘門，孔口尺寸高、寬均為3 m，涵洞全長(zhǎng)90 m。引黃閘設(shè)計(jì)流量為50 m3/s，設(shè)計(jì)灌溉面積6.2萬hm2，主要供給濟(jì)陽、商河2縣的群眾生活用水、農(nóng)業(yè)用水和地下水補(bǔ)給。在水閘管理工作中，通過閘門啟閉來控制水位，調(diào)節(jié)過閘流量是一項(xiàng)基本內(nèi)容。灌區(qū)中利用水工建筑物量水是一種簡(jiǎn)便而經(jīng)濟(jì)的方法，如何由實(shí)測(cè)的水位、閘門開度信息計(jì)算出流量是利用建筑物進(jìn)行量水的關(guān)鍵問題。本文基于歷史放水資料，建立閘孔出流流量推算公式，對(duì)精確計(jì)量引水量、水閘科學(xué)管理具有重要意義。

1 閘孔流量推算

水閘的過閘水流一般可分為堰流和閘孔出流2種形式，堰流因不受閘門控制，水面線為光滑的降落曲線。引黃閘在閘門操作過程中一般不會(huì)將閘門提出水面，因此，閘門上下水面不是連續(xù)的自由水面，水流會(huì)受到建筑物的約束，稱之為孔流。由于堰流和閘孔出流邊界條件的不同，導(dǎo)致他們各自的水流特征和過水能力不同。閘孔出流根據(jù)出流流態(tài)是否受下游水位的影響，可以分為自由式、淹沒式孔流。由于出流流態(tài)存在的差異，對(duì)過閘流量也會(huì)產(chǎn)生較大影響，所以在推算流量時(shí)就應(yīng)該采用與之相對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式。

1.1 流量計(jì)算公式

根據(jù)閘前后水位對(duì)閘孔出流的影響，對(duì)閘孔出流流態(tài)進(jìn)行分析，邢家渡水閘閘后水位對(duì)閘孔出流流量影響較大，因此可以認(rèn)為閘孔出流形式以淹沒式孔流為主，本文也是基于淹沒式孔流對(duì)過閘流量進(jìn)行推算。

選取淹沒式孔流計(jì)算公式如下：

式中：μ為淹沒孔流流量系數(shù)；n為閘門孔數(shù)；b為閘門寬度；e為閘門開度；g為重力常數(shù)；ΔH為閘門前后水位差。

1.2 推求流量系數(shù)

孔流流量系數(shù)推求方法有模型試驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)流量系數(shù)法、關(guān)系曲線法等，關(guān)系曲線法就是根據(jù)歷史放水資料，建立閘門相對(duì)開度e/ΔH和流量系數(shù)μ的關(guān)系曲線，此方法計(jì)算簡(jiǎn)便，精度較高，因此，本文采用關(guān)系曲線法推求流量系數(shù)。

選取10組放水期間具有代表性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用公式（1）計(jì)算流量系數(shù)μ，數(shù)據(jù)見表1。建立流量系數(shù)～相對(duì)開度關(guān)系曲線，見圖1。從圖1中可以看出，流量系數(shù)隨著相對(duì)開度的增加而增加，關(guān)系式為：

表1 水閘放水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及流量系數(shù)計(jì)算值

圖1 流量系數(shù)～相對(duì)開度關(guān)系曲線

根據(jù)擬合結(jié)果，相關(guān)系數(shù)R2=0.9686，說明流量系數(shù)和閘門相對(duì)開度相關(guān)性較大。在實(shí)際的水閘運(yùn)行過程中，相對(duì)開度不會(huì)無限增大，而流量系數(shù)也是在一定范圍內(nèi)變化，且流量系數(shù)最大不超過1。在公式（1）中，已知閘門開度、水位差，再通過公式（2）計(jì)算得流量系數(shù)，便可以推算過閘流量。

1.3 流量公式的驗(yàn)證

隨機(jī)選取10組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用公式（1）和（2）分別計(jì)算流量系數(shù)和過閘流量，將流量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，得到兩者的相對(duì)誤差絕對(duì)值，對(duì)流量推算公式進(jìn)行驗(yàn)證，見表2，表中，Q為實(shí)測(cè)流量值，Q1為計(jì)算值，λ為兩者相對(duì)誤差。

從表2中可以看出，選取的10組數(shù)據(jù)中，閘門開度變化由0.5 m到1.75 m，流量分布由3.5 m3/s到21.2 m3/s，數(shù)據(jù)分布范圍較大，具有一定的代表性。相對(duì)誤差的絕對(duì)值大部分在10%以內(nèi)，平均值為6.7%，說明本文得到的流量推算公式具有一定的計(jì)算精度。

表2 相對(duì)誤差計(jì)算結(jié)果

2 結(jié)語

推算過閘流量是水閘管理工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，對(duì)精確計(jì)量引水量和水閘科學(xué)管理具有重要意義。本文通過歷史資料推求適用于邢家渡引黃閘的流量系數(shù)，建立淹沒式孔流流量推算公式，并通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果較好，可以直接應(yīng)用于水閘管理工作中。另外，在已知流量指標(biāo)的前提下，通過流量公式反推閘門開度，控制過閘流量，這種方法操作簡(jiǎn)便，精度較高，為水量控制、水閘管理提供了較好的理論依據(jù)。

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（責(zé)任編輯 崔春梅）

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1009-6159（2016）-11-0033-02

張剛（1988—），男，助理工程師