沿海河流水動力模型中堰閘孔流模擬技術分析

劉融融 查 紅 王 琪

（江蘇省水文水資源勘測局鹽城分局 鹽城 224051）

1 引言

江蘇海岸線全長954km（其中鹽城582km，占61%），入海河流眾多，沿海建閘118座。入海河流水動力模型中沿海涵閘以聯系要素（控制條件要素）來模擬，其出流模擬技術方法直接影響模型水位、流量等水文要素的模擬精度。目前用于構建河流水動力模型的應用軟件，堰閘堰流模擬多采用《水力學》課本上的理論計算公式。而孔流模擬亦采用堰流計算公式，用開啟度來模擬堰閘開啟孔數和開高兩要素帶來的綜合影響，孔流流量系數采用經驗值（取常數），此種模擬方法在應用上存在一定的局限性。本文根據多年水文監測分析經驗，提出應用水文部門堰閘流量多年綜合率定成果來模擬堰閘孔流，以提高堰閘出流的模擬精度。在具體應用上，包括公式形式及流量系數相關因素的選擇，綜合流量系數率定成果的應用。

2 鹽城市沿海涵閘運行簡介

鹽城市廢黃河接淤黃河以南均為里下河平原水網區，面積約14854km2，占全市總面積87.5%，該區域地勢低洼，上游來水通暢，引江水能自流輸送到沿海涵閘，因沿海港道容易發生淤積，在調度涵閘排水時閘門正常全部提出水面，出流形態為淹沒式堰流；但境內廢黃河、蘇北灌溉總渠及東臺堤東地區河道河床地勢較高，江水不能自流匯入，除遇區域暴雨閘門全部提出水面搶排洪澇水外，其他時間閘門多處于關閉狀態，蓄保水源；出于改善河流水質提升水環境的需要，亦會不定期開閘泄流，但一般都是節制性開閘，開部分閘孔，閘門不全提出水面，出流形態為淹沒式孔流。

3 典型涵閘孔流流量率定分析

鹽城沿海境內在高水河道上布設有4處水文站，分別為濱海新閘站、六垛南閘站、梁垛河閘站和梁垛河閘站，本文選取濱海新閘站和梁垛河閘站作代表性分析。

3.1 濱海新閘站孔流流量系數分析

濱海新閘孔流采用公式Q=M2·Be△Z0.5推算流量。歷年采用e/ΔZ～M2率定關系線推流，選取最近連續5年（2011～2015年）實測e/ΔZ～M2關系點據進行綜合定線分析。5年點據綜合定線公式為：

式中：M2為流量系數；ΔZ為閘上、閘下水位差，ΔZ=Z1-Z2。

對綜合線做符號檢驗、適線檢驗和偏離檢驗，三種檢驗均合格（見表1）。隨機不確定度9.0%，達到一類站精度。實測關系點據對綜合線相對誤差小于10%，達98.7%，相對誤差小于15%，達100%。各年關系線與綜合線高、中、低點據相對偏離誤差在0.3～9.0%之間，平均3.2%，滿足二類站精度要求。

綜上分析，濱海新閘孔流多年流量系數關系穩定，綜合關系較好，滿足定線精度要求。

3.2 梁垛河閘孔流流量系數分析

梁垛河閘孔流亦采用公式Q=M2·Be△Z0.5推算流量。歷年采用e/ΔZ～M2率定關系線推流，選取最近連續5年（2011～2015年）實測e/ΔZ～M2關系點據進行綜合定線分析。5年點據綜合定線公式為：

表1 濱海新閘站淹沒式孔流關系線三項檢驗成果表

表2 梁垛河閘站淹沒式孔流關系線三項檢驗成果表

對綜合線做符號檢驗、適線檢驗和偏離檢驗，三種檢驗均合格（見表2）。隨機不確定度11.6%，達到一類站精度。實測關系點據對綜合線相對誤差小于10%，達91.4%，相對誤差小于15%，達100%。各年關系線與綜合線高、中、低點據相對偏離誤差在0.4%～13.6%之間，平均0.6%，滿足二類站精度要求。

綜上分析，梁垛河閘孔流多年流量系數關系穩定，綜合關系較好，滿足定線精度要求。

4 誤差分析

模型軟件模擬涵閘孔流，其流量系數多根據經驗取常數，而濱海新閘和梁垛河閘站流量率定實踐表明，對某個涵閘而言其出流流量系數是個變量，需找準相關因子，建立相關關系，再用于推流才能提高推算流量的精度。根據率定測次的相關因素值分別選取大、中、小三個率定測次，對上述兩種方法流量誤差進行對比分析，見表3。

表3 模型經驗常數法與水文流量率定誤差對照表

從表3可以看出，模型經驗常數法2站3測次流量系數誤差均超過實測率定誤差，可見模型經驗常數法由于對流量系數進行了均值概化，推算得流量存在一定誤差，但2站誤差均在±15%之內，有應用的可行性。

5 涵閘孔流流量率定成果應用可行性分析

要實現水文率定成果應用，只需對軟件程序增加一層e/ΔZ～M2關系求解嵌套，如此瞬時流量的模擬精度將得到保證，且可避免因流量系數估值發生偏離帶來流量系統偏差。因此，涵閘孔流流量率定成果應用是可行的，也是必要的。

6 結語

目前河流水文水動力模型已廣泛應用于工程規劃設計、洪水調度、洪水預報和水資源管理，摸索高精度的模擬技術是模型構建永恒的追求，也是技術難點。本文以典型站為案例，分析涵閘孔流流量綜合率定成果應用于河流涵閘出流模擬的可行性和必要性，這對改進軟件涵閘孔流模擬的技術方法，提高構建模型的模擬精度具有重要意義