潁上閘水文站水位流量關系曲線校測分析

陳浩浩

（阜陽水文水資源局，安徽 阜陽 236000）

0 引言

水位流量關系反映出了江河渠道中某斷面的流量和同時水位之間的對應關系，水位流量關系曲線用途非常廣泛，因此需要對水文站水位流量關系曲線校測予以高度重視。文中就結合實際情況，對水文站水位流量關系曲線校測進行探討。

1 概況

1.1 水文測站概況

潁上閘水文站位于安徽省潁上縣城關鎮詹崗村，于1981年5月設立，集水面積36606 km2，是省級重要水文站，屬國家Ⅱ類精度水文站，潁河出口控制站，建立穩定的水位流量關系十分重要。設站目的為潁河防汛、抗旱、水質、水資源管理、航運等服務。測驗項目有： 水位、流量、 降水量、地下水、水質等。潁上閘上、下游各設一組水尺斷面觀測水位 ， 并安裝有遙測水位計 ， 閘下游500 m 處建有水文測流纜道。

1.2 水文氣象特征

潁上閘水文站最大年降水量為1722.5 mm， 最小406.8 mm，多年平均降水量為946.4 mm， 年際分配不均。 潁上閘（閘上）站歷年最高水位27.48 m，最低水位19.13 m。潁上閘（閘下）站歷年最高水位27.38 m，最低水位河干；歷年最大流量3020 m3/s，最小流量為0，多年平均流量186 m3/s，歷年最大徑流量129×108m3，最小徑流量11.8×108m3，多年平均徑流量58.8×108m3（以上數據為潁上閘建成后有資料年份內統計）。

1.3 測驗河段控制及堰閘情況

本站上游約70 km處為阜陽閘，于下游45 km處匯入淮河，徑流過程，上游受阜陽閘控制，下游受淮河正陽關水位頂托影響。潁上閘為24 孔平底閘，兩邊有引橋，閘底高程19.00 m，單孔寬5.0 m，引橋孔底高程25.00 m。

本站測驗河段順直，系人工開挖河道，河槽形狀為梯形（見圖1）。中、高水水面寬分別為200 m、320 m，兩岸有堤防，高水無分流。纜道測流斷面位于潁上閘下游 500 m 處（見圖2）[1]，閘上游約 800 m 處有船閘引河入口。閘下水位在 24.50 m 以上開始漫灘，閘上水位 25.00 m 以上兩邊引橋孔開始過水，堰閘失去控制作用，形式如天然河道。淮河正陽關水位較高時，本站水位流量受其頂托影響，有時影響較嚴重，有短時期倒流現象。

圖1 潁上閘水文站測驗河段平面圖

圖2 潁上閘水文站測流斷面大斷面圖

2 水位流量關系曲線校測分析

2.1 資料分析

為了有效解決沙潁河潁上段一線船閘通航能力不足的問題，于2015年～2017年期間，新建Ⅳ級船閘一座閘室尺度200 m×23 m×4 m（長×寬×門檻水深），并同時對潁上節制閘進行除險加固，同步改建現有跨閘公路橋和節制閘引橋。為了研究以上情況對潁上閘水文站水位流量關系的影響，將2018 年～2021 年期間實測資料數據與原水位流量關系曲線數據對比分析，探討原關系曲線能否繼續使用，通過分析確定現階段潁上閘水文站常見流態下的水位流量關系特性。

根據水文規范對工程完工后的實測流量數據采用水工建筑物法進行分析，即用堰閘流量系數計算公式[2]分別計算出幾種常見流態的流量系數，并與原關系曲線對應流態下的流量系數對比分析，計算出兩者流量系數間的相對誤差。

2.2 水位流量關系分析

（1）流態為自由式孔流，根據堰閘公式Q=M1Be（hu-hc)1/2[3]計算得流量系數M1與原關系曲線流量系數的相對誤差（見表1），在e/hu一定的條件下，潁上復式船閘對本站水位流量關系有較大的影響，實測數據計算的流量系數與原關系曲線流量系數多數點偏差較大，并有普遍偏小的趨勢。建議后續可注重此流態下的流量校測，形成一長系列、數據較廣泛的分析資料，并結合船閘過閘流量數據，進一步探究水位流量特性關系，確定影響因素，根據整編規范要求確定穩定的水位流量關系曲線（其中，B為閘門開寬；e為閘門開高；hu為閘上游水頭；hc為收縮斷面水深）。

表1 自由式孔流流量系數關系曲線誤差統計表

（2）流態為淹沒式孔流，根據堰閘公式Q=M2BeZ1/2[3]計算得流量系數M2與原關系曲線流量系數的相對誤差（見表2），在Z/e一定的條件下，通過用于校測檢驗時為原用確定水位流量關系曲線的流量測點對關系曲線的相對偏離值與校測的流量測點對上述同一曲線的相對偏離值作比對分析，大多數流量系數相對誤差在5%范圍內，符合水文規范要求，水位流量關系良好，船閘對此流態下的水位流量關系影響較小。因此對校測數據與原關系曲線數據進行t（學生氏）檢驗（見表3），|t|＜t1-α/2接受檢驗[3]，原定水位流量關系曲線可繼續使用，無需另行定線，建議今后可根據不同水位級對關系曲線進行校測對比（其中，Z為上下游水位差；t為統計量；t1-α/2為臨界值）。

表2 淹沒式孔流流量系數關系曲線誤差統計表

表3 淹沒式孔流關系曲線誤差統計表

（3）流態為淹沒式堰流，根據原水位流量關系曲線得出淹沒式堰流，上游水位Zu＜25.00 m、相關因素Z/hu×100≥2.00和上游水位Zu＞25.00 m、相關因素Z/hu×100≥1.00部分的點據較為緊密，水位流量關系曲線呈穩定的單一線。因此本文主要研究滿足這兩種條件下的校測數據與原曲線數據之間的流量系數相對誤差分析（見表4、表5），校測數據流量系數與原曲線數據流量系數相對誤差較大，且呈普遍偏小的趨勢，并無明顯變化規律。因本站淹沒式堰流流態通常在主汛期上游來水較大條件下形成，可不考慮此期間船閘因素的影響，主要影響因素為上游來水及下游淮河水位的頂托作用。近2年主汛期淮河水位較高對本站水位頂托影響較為明顯，導致實測流量系數相對原關系曲線流量系數普遍偏小，水位流量關系相對紊亂，無法形成穩定的單一線。建議今后在大水（淹堰）期間，使用水力因素法即連實測流量過程線法或連時序法定線推流（其中，Zu為閘上游水位）。

表4 淹沒式堰流流量系數關系曲線誤差統計表

表5 淹沒式堰流過閘平均流速關系曲線誤差統計表

（4）流態為自由式堰流，潁上閘水文站近些年資料累積中很少出現此流態，缺乏相關的測驗資料，因此無法對原有水位流量關系曲線進行對比分析。建議今后積累有關資料，確定相關因素，再進行水位流量關系曲線的校測分析。

3 結論

通過上述分析，潁上復式船閘工程對潁上閘水文站原自由式孔流水位流量關系曲線有一定程度的影響，尤其是對較小流量影響更為明顯，今后應注重該流態下的流量校測，加密實測點據、延長資料系列[1]、確定船閘過閘流量，進一步對自由式孔流水位流量關系進行分析率定。

對淹沒式孔流出流，通過對校測資料流量系數與原定水位流量關系曲線流量系數的對比分析，得出在潁上船閘工程前后淹沒式孔流水位流量關系曲線沒有發生明顯變化，仍能夠滿足整編規范精度要求，該關系曲線可繼續使用，但定期仍需進行校測比對。

對淹沒式堰流的分析，包括Zu＜25.00 m、Z/hu×100≥2.00和Zu＞25.00 m、Z/hu×100≥1.00 兩條曲線的流量系數與校測數據流量系數的誤差比對，得出兩者的相對誤差較大且無規律性。受上游阜陽閘來水影響和下游淮河正陽關水位頂托作用，因此堰流流態下的水位流量關系受綜合因素影響，不能使用單一曲線法定線推流[2]，可作為河道站水位流量關系處理，使用水力因素法定線推流。