硯臺船閘推流率定分析

李 毅

(江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001)

自1990年以來，淮安市水利局逐步構(gòu)建了防汛水情管理平臺，水庫洪峰預(yù)警調(diào)度系統(tǒng)，GIS地理訊息平臺等多項(xiàng)自動化監(jiān)管系統(tǒng)。2000年后，淮安市水利局根據(jù)中央、省市地方政府頒布的水利改革發(fā)展文件的相關(guān)要求，進(jìn)一步完善并構(gòu)建了現(xiàn)代化防洪抗旱工程體系、水資源保障體系，省生態(tài)管理、水利發(fā)展保障等數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)[1]。2020年以來，水利科技支撐作用顯著提高，淮安市水利局針對所管理的27個生態(tài)活水口門水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行率定分析，硯臺船閘作為淮安市城市防洪減災(zāi)的重要口門之一，又具有通航的功能，硯臺船閘的水位流量關(guān)系曲線推流率定的監(jiān)測及分析具有很好的代表作用，在此文章僅針對淮安市水利局管理下的硯臺船閘進(jìn)行討論。

1 概述

硯臺船閘工程位于洪澤縣高良澗鎮(zhèn)北郊，蘇北灌溉總渠右堤2K+300處，其主要功能是溝通洪澤縣內(nèi)地與洪澤湖、總渠、運(yùn)河之間的航運(yùn)，通過一閘三首合用一閘室[2]，來溝通總渠、硯臨河及高澗排澇河的通航(表1)。硯臺船閘工程于2009年5月拆除重建，2010年11月竣工。硯臺船閘通航設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為IV級航道，過閘船舶以500t級駁船為主。拆建后的上下閘首凈寬12.0m，中閘首凈寬8m，閘室寬12.0m，閘室長120m。輸水方式為短廊道輸水，采用對沖消能。硯臺船閘共2孔，設(shè)計(jì)流量為7.20m3/s，單孔開寬1.70m，高2.12m，其底板高程為5.00m。

表1 硯臺船閘特征水位表

2 水位流量關(guān)系曲線定線推流率定分析

2.1 定線概況

根據(jù)SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》[3]中有關(guān)堰閘、涵管、隧洞流量系數(shù)計(jì)算公式選用表，結(jié)合本站下游出流淹沒底板高程的水力特性，采用一般堰閘的淹沒孔流計(jì)算公式，來率定其淹沒式孔流流態(tài)下的水位流量關(guān)系曲線[4]。

2.2 水位流量關(guān)系曲線定線推流率定

根據(jù)硯臺船閘實(shí)際流量測驗(yàn)，進(jìn)行總計(jì)10個有效流量測次，涵蓋涵洞開高0.40～1.90m的多個工況。

根據(jù)多次實(shí)測流量測驗(yàn)成果，采用一般堰閘流量推求方法，選出關(guān)系穩(wěn)定的單孔閘門開高與上下游水位差的比值e/ΔZ與淹沒孔流流量系數(shù)M2進(jìn)行率定。

以硯臺船閘的淹沒孔流流量系數(shù)M2為橫坐標(biāo)，單孔閘門開高與上下游水位差的比值e/ΔZ為縱坐標(biāo)(表2)，點(diǎn)繪相關(guān)散點(diǎn)圖，并以此散點(diǎn)圖中的擬合節(jié)點(diǎn)為散點(diǎn)，描繪出率定符合實(shí)測資料正負(fù)偏大值均等的水位流量擬合線，即符合硯臺船閘水力特性的水位流量關(guān)系曲線，如圖1所示。

表2 水位流量關(guān)系曲線推流節(jié)點(diǎn)

圖1 硯臺船閘水位流量關(guān)系曲線圖

根據(jù)率定的水位流量關(guān)系曲線，對最終節(jié)點(diǎn)進(jìn)行解析評判，本涵洞水位流量關(guān)系曲線為單一平滑曲線。

根據(jù)本次硯臺船閘水位流量關(guān)系曲線定線成果，該閘在淹沒式孔流流態(tài)下的流量推求公式為：

(1)

式中，Q—流量，m3/s；K—開孔數(shù)，個；e—單孔開高，m；M2—淹沒孔流流量系數(shù)，可根據(jù)圖1中e/ΔZ由擬合線節(jié)點(diǎn)直線插補(bǔ)求得。

2.3 水位流量關(guān)系曲線最終檢驗(yàn)

本站測點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差為：

(2)

其隨機(jī)不確定度為8.9%×2=17.8%。

式中，Vi—每個測次的流速，m/s；Vci—平均流速，m/s；n—測點(diǎn)個數(shù)，個。

根據(jù)SL/T 247—2020中關(guān)于堰閘水位流量關(guān)系曲線的定線精度表，硯臺船閘本次率定的Se為8.9%，其隨機(jī)不確定度為17.8%<18%，經(jīng)判定，本次率定的關(guān)系線精度符合三類精度水文站的精度標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.1符號檢驗(yàn)

本次定線有效測點(diǎn)共計(jì)10測次(點(diǎn))，統(tǒng)計(jì)測點(diǎn)偏離曲線的正、負(fù)號個數(shù)分別為4、6次[5]，計(jì)算符號為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量u。

(3)

式中，k為異號個數(shù)，個，其余變量含義同上。

根據(jù)符號檢驗(yàn)定理，其顯著性水平為0.25，查表可知統(tǒng)計(jì)量u1-α/2為1.15，判定統(tǒng)計(jì)量u=0.316<1.15，認(rèn)為本次定線合理，通過符號檢驗(yàn)。

2.3.2適線檢驗(yàn)

對硯臺船閘10個實(shí)測流量測次中的下游水位進(jìn)行遞升次序排序，通過檢驗(yàn)其實(shí)測點(diǎn)偏離曲線的正負(fù)號的排列情況進(jìn)行比對解析[6]。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該水位流量關(guān)系曲線排序后符號變換次數(shù)為3，k<0.5(n-1)=4.5，所以需要對本次定線做適線檢驗(yàn)，計(jì)算適線檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量U。

(4)

根據(jù)適線檢驗(yàn)定理，其顯著性水平α取值為0.10，查表得到統(tǒng)計(jì)量U1-α為1.28，判定統(tǒng)計(jì)量U=0.667<1.28，認(rèn)為本次定線合理，通過適線檢驗(yàn)。

2.3.3偏離數(shù)值檢驗(yàn)

根據(jù)偏離數(shù)值計(jì)算，測點(diǎn)平均相對偏離值為

(5)

式中，Pi—測點(diǎn)值，其余變量含義同上。

(6)

計(jì)算統(tǒng)計(jì)量t為

(7)

取顯著性水平α為0.10，即置信水平達(dá)90%的臨界值，經(jīng)查臨界值表格插補(bǔ)t1-α/2=1.81。

根據(jù)偏離數(shù)值檢驗(yàn)原理，當(dāng)|t|

3 結(jié)語

本次硯臺船閘水位流量關(guān)系曲線的定線率定已通過堰閘水位流量關(guān)系的三種檢驗(yàn)，證明其定線合理，其定線精度為三類精度水文站，其測點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差為8.9%，滿足硯臺船閘推流需求。

本次觀測采用聲學(xué)多普勒設(shè)備，它有效地展現(xiàn)出快捷、實(shí)時、準(zhǔn)確的設(shè)備優(yōu)點(diǎn)[7]，并大大減輕本次測驗(yàn)的工作量，顯著提高整編質(zhì)量和工作效率。與此同時，通過本次硯臺船閘水位流量關(guān)系曲線推流率定工作，也發(fā)現(xiàn)了聲學(xué)多普勒流速儀在使用中受左右兩岸水草以及船閘來往船只影響，在比測低水部分?jǐn)?shù)據(jù)時以及走航ADCP施測中存在一些難以應(yīng)對的問題[8]；另外因高水漲水過程較少較短，高水部分資料獲取時間周期長，獲取困難度高，針對這些問題需要在后續(xù)的推流率定及資料整理工作中進(jìn)一步探討。