固鎮閘站淹沒孔流水位流量關系分析

劉 玉

(蚌埠水文水資源局,安徽 蚌埠 233000)

從水力學原理角度出發，在處于淹沒孔流流態狀態時閘孔內部的平均水流速度與上下游的水位差之間存在密切關聯。從水文學角度而言，實測水位流量相關資料是確定上述關系的主要依據，在對閘流量進行推算后，可以有效減輕在后續進行測驗工作的工作強度，進而在此基礎上有效提升高流量計算精密度。本次研究中所使用的水位流量資料為澮河固鎮閘水文站在2000—2019年的有關實測數據，在此基礎上借助CAD作圖工具與數據整編、匯總軟件對參與此次實證研究所涉及數據的內在邏輯關系行單一線定線性分析，并于淹沒孔流流態情境下對該水文站周邊區域上下游間水位差與閘孔平均流速間所存在的規律性邏輯關聯進行分析，在此基礎上依據SL247《水文資料整編規范》[1]，對水文數據本身的關系線進行假設性驗證檢驗以及精度檢驗，檢驗結果表明該成果符合標準規范要求。

1 概述

1.1 測站概況

固鎮閘水文站位于安徽省固鎮縣固鎮閘。該站位于澮河下游段，控制流域面積4541km2，二類精度站，本站距下游河口距離為20km。固鎮閘水文站建于1935年5月。建站以來至2014年12月采用凍結基面，凍結基面與黃海基面較差值為-0.106m；2015年至今采用凍結基面，凍結基面與85基準基面較差值為-0.238m。此次測量過程中，降水量、蒸發量、水位實測情況以及水流流量、懸移質泥沙、水質、墑情等均為測量內容。主要任務是防汛抗旱、水資源管理和水質監測，及時為地方各級領導及水行政主管部門提供水文情報和分析資料。收集的水文資料是水利、城建、防洪規劃的基本依據，為水資源評價、水環境監測、水土保持等提供技術服務，為防洪、抗旱、生態安全擔負著可靠的技術支撐。

1.2 水利工程情況

固鎮閘同時兼具航運、灌溉以及防洪等功能，是典型的綜合利用式水利樞紐工程。建于1958年10月，閘門9孔，孔寬為4m，閘底高程為12.82m。1994年6月擴建固鎮閘12孔，孔寬5m，閘底高程為11.39m。閘上正常蓄水位16.50m，設計水位17.50m，設計泄洪量1015m3/s，校核流量1537m3/s。臨渙集水文站建設在距該工程上游95kn，建筑周圍設施直接受到蘄縣、南坪兩座節制閘影響。

1.3 測驗河段及測驗斷面情況

測驗河段系天然河道，順直長度為800m，距固鎮閘閘上游2km處有澮澥引河，設有薛莊水文站控制澮澥兩河串流水量。2007年8月澮澥引河入澮河口1km處新建節制閘1座，其閘為1孔，孔寬為4m。

測驗斷面左岸多灘地，右岸較陡直。在測驗斷面上游30m處有新建濱河公園，當閘下游水位大于14.60m會直接造成阻水影響。

測驗斷面下游50m處建有固鎮澮河公路大橋，大橋共有16孔，橋墩上游2～5m范圍內水流較平穩、無急劇的壅浪、漩渦、無分流、岔流、回流等現象。

固鎮閘水文站大斷面見圖1所示。

圖1 固鎮閘水文站大斷面圖

1.4 水文特性及水位流量關系影響因素

固鎮閘水文站洪水來源主要為澮河上游暴雨洪水，多為復式洪峰，洪量大、峰型平緩，水位流量關系呈繩套曲線。該站流量主要受上游暴雨洪水漲落和固鎮閘門開啟的共同影響，水位～流量關系比較復雜。本站歷年水文特征值統計見表1。

表1 測站水文特征表

2 水位-流量單值化分析

2.1 分析依據

(1)GB 50179—93《河流流量測驗規范》；

(2)SL 195—97《水文巡測規范》；

2)船舶速度分布標準差是描述船舶速度差異的一項參數，而船舶速度的差異性是船舶發生減速的前提條件，船舶間的速度差異性越大，船舶發生減速的可能性越高。

(3)SL 247—2012《水文資料整編規范》。

2.2 基本公式的確定

由于固鎮閘站水位-流量關系主要受洪水漲落影響和閘門開啟影響，鑒于這一測站特性，通過優選分析孔流采用水力因素-堰閘流量系數比較合適[2]。具體為：用固鎮閘上游站水位與閘下游水位差，下游水頭、閘門開高、開寬作為影響因素；該站淹沒孔流采用自編公式，相關計算公式如下：

淹沒孔流

Q=CBehl

式中，Q—流量；C—淹沒孔流流量系數；hl—下游水頭；B—閘門開啟總寬；e—閘門開啟高度。

相關因素為ΔZ，流量系數為C。分析所用資料中，閘門開啟孔數不等，開啟高度為平均值[3]。

2.3 單值化分析資料及結果

2.3.1CAD定線

本次研究借助CAD軟件面向閘孔平均流速同樞紐站上下游水位差間的內在關系線進行繪制，其具體流程為：①通過Excel數據表格內部所擁有的數據統計與批量處理等功能，將實測區域上下游水位差同閘孔平均流速坐標點的承接關系通過CAD軟件進行坐標比例的等價換算，并通過可視化功能中的展點功能繪制并展現閘孔的平均流速測點，以使其清晰展現，易于可視化[4]。②借助樣條曲線對關系線進行精準繪制。③通過多段線對關系線節點進行實時查詢與讀取，借助Excel將目前為止已經查詢到的關系線節點進行反算操作，同時，要明確檢查關系線是否存在反曲現象，在關系線存在較為嚴重的反曲情景時，需要對關系線進行適當調整。④由于圖紙內容存在部分展現殘缺，因此通過CAD軟件內部的繪圖功能優化圖紙內容，在對其進行完善與修改后輸出并保存[5]。要根據固鎮閘站的新閘單開同老閘混合開啟有關的實測水文資料，通過CAD繪圖工具并聯合數據整編軟件對預期需要進行的定性分析進行展現。

2.3.2新閘單開

采用本站2000—2019年單開新閘淹沒孔流共222次實測流量資料，進行單值化分析，單開新閘淹沒孔流系數計算成果見表2。在淹沒孔處相關實測因素Δz的整體變幅為0.02～2.45，由此可知，周圍測點的分布情況較為均勻，整體代表性較好，固鎮閘站單開新閘淹沒孔流單淹沒孔流關系綜合曲線如圖2所示。

表2 固鎮閘(閘下游)站孔流關系線分析(單開新閘)

2.3.3新老閘混合開啟

淹沒孔流單值化水位流量關系分析，收集本站2000—2019年淹沒孔流共23次實測流量資料，進行單值化分析，新老閘混合同時開啟淹沒孔流系數計算及關系線檢驗成果見表3。淹沒孔流實測相關因素Δz變幅為0.02～0.88，測點分布均勻，具有很強的代表性[6]，固鎮閘站新老閘同時開啟淹沒孔流關系綜合曲線如圖3所示。

表3 固鎮閘(閘下游)站孔流關系線檢驗(新老閘同開)

圖3 新老閘混合開啟淹沒孔流關系曲線

2.4 單值化分析成果精度

2.4.1定線精度檢驗

從實現原理角度而言，定線性精度檢驗具體是指在詳細計算實測點同關系線的標準誤差、隨機不確定度以及系統誤差數據的基礎上，對研究中所檢驗出的關系線進行詳細分析，并驗證其是否符合標準的規范要求[7]，其中，固鎮閘定線精度檢驗見表4。

表4 固鎮閘定線精度檢驗表 單位：%

2.4.2淹沒孔流關系曲線精度檢驗

根據單值化分析計算，點繪單值化流量綜合關系曲線圖，可得出固鎮閘水文站，單開新閘淹沒孔流關系曲線的標準差、隨機誤差和系統誤差均達到規范規定的精度要求見表5；新老閘混合開啟淹沒孔流關系曲線的標準差、隨機誤差和系統誤差均達到規范規定的精度要求(見表6)。

表5 單開新閘淹沒孔流關系曲線精度分析成果表

表6 新老閘混合開啟淹沒孔流關系曲線精度分析成果表

3 結語

水位流量關系曲線的計算是水文測驗學中的一個經典問題，它對水文資料整編，尤其是實時水位流量換算的準確性起到了關鍵性的作用，本文提出一種基于CAD作圖工具、匯總軟件，結合大斷面測量資料，淹沒孔流流態情境下該水文站周邊區域上下游間水位差與閘孔平均流速間存在邏輯關聯，通過分析實現流量在線，為固鎮閘防汛抗旱、水資源管理、河湖整治、水生態水環境、水工程監管提供技術支撐，并進一步對上下游水位差-閘孔平均流速間的線性關系進行深入修正；采用計算水位流量關系曲線的方法指導中小河流預警預報和山洪災害預警工作具有現實意義。