臨渙閘水文站水位流量關系單值化分析

徐根寶

（安徽省水文局宿州水文水資源局,安徽 宿州 234000）

由水力學原理中水工建筑物推流法可知,在淹沒孔流流態下閘孔平均流速與上下游水位差之間存在著密切關系[1]。水文資料分析中用實測流量資料率定它們之間的關系,用于推算過閘流量,從而減輕后續測驗工作強度,進而提高流量計算精準度[2]。本文以臨渙閘水文站2015年～2021年實測流量資料為分析依據,采用CAD、Excel 和整編軟件進行定線,在淹沒孔流流態下率定出閘孔平均流速與上下游水位差之間的關系,并依據《水文資料整編規范》（SL 247-2020）,對關系線進行符號檢驗、適線檢驗和偏離數值檢驗。

1 基本概況

臨渙閘為澮河主干上的大型節制閘,位于安徽省濉溪縣韓村鎮河涯村,集水面積2795 km2。臨渙集水文站于1954年7 月設站,2011年1月由臨渙集水文站下遷10 km遷至臨渙閘,改為臨渙閘水文站,為國家重要水文站、二類精度站。臨渙閘位于測流斷面上游280 m 處,結構型式：平底閘、平板閘門,共8 孔,每孔寬10.0 m,孔高11 m,閘底板高程18.50 m（85 黃海高程系）,見表1。受下游南坪閘蓄水影響,該閘一直為淹沒出流。測驗河段順直,測驗斷面較穩定,測站控制較好。

表1 測站特性及水文特征值

2 單值化分析目的與意義

臨渙閘水文站自設站以來,一直按連實測流量過程線進行流量測驗與整編工作,年平均流量測次近一百二十次,任務較為艱巨,已不適應中國水文現代化建設的發展,為解放生產力,進一步提升水文監測能力,提高水文測驗質量,對臨渙閘水文站水位流量關系進行單值化分析十分必要。此前已分析2012年～2015年資料[3],點繪出關系線圖,因人工點繪誤差較大,線上流量與實測流量誤差不符合水文資料整編規范,現對臨渙閘水文站水位流量關系通過CAD 和整編軟件重新定線。

3 水位流量關系分析

3.1 資料系列

臨渙閘站本次水位流量關系分析采用的資料系列為：2015年～2021年實測流量資料共579 測次。2016年～2018年采用當年率定線推流,2019年、2020年、2021年采用歷年率定線推流。本站遷站以來歷年最高水位：閘上25.52 m（2018年8 月19 日）,閘下25.26 m（2018年8 月19 日）；最低水位：閘上21.45 m（2012年3 月18 日）,閘下20.81 m（2012年7 月26 日）；最大流量515 m3/s（2018年8 月19 日）,最小流量0 m3/s。

3.2 分析方法

水位流量關系的確定應以實測流量測次為依據,并參考水位過程線、斷面變化等有關影響。分析逐時水位過程線、汛期洪峰水位過程線,可克服直接定線的盲目性。洪水期間變化復雜的水位流量關系線的確定,應結合測站特性、歷史洪水等因素綜合分析。臨渙閘站水位流量關系采用的分析方法為：使用該站2015年～2021年實測流量成果資料,采用CAD 作圖工具或Excel 和整編軟件,配置相關關系線或關系表達式[4],檢驗相關關系是否符合有關規范要求。

3.3 閘孔平均流速率定

由水力學原理水工建筑物推流法可知,閘孔流速主要受閘門型式、出流方式、閘底板型式、上下游水位差或上游水頭、閘門開啟孔數和高度的影響。對平板閘門來說,淹沒式出流上下游水位差直接影響著閘孔平均流速。根據臨渙閘水文站實測流量成果,計算每一測次的水位差ΔZ（i=1,2……）,并反推相應水位差的閘孔平均流速 Vcpi（i=1,2……）可用關系式（1）計算：

式中：Vcp為閘孔平均流速,m/s；Q 為實測流量,m3/s；B 為閘門開啟總寬,m；e 為閘門開啟垂直高度,m。

3.4 定線

可采用CAD 或 Excel 數據處理生成閘孔流速與水位差之間關系的散點圖,進行曲線繪制,推薦使用簡單易操作的Excel 插入散點圖法繪制[5],根據散點趨勢生成關系曲線,檢查曲線是否合理,對曲線進行適當修正,通過函數和VBA 宏程序編寫擬合出冪函數表達公式。

3.5 關系式及三項檢驗

3.5.1 水位流量關系

經分析配置出臨渙閘站孔流狀態閘孔流速與上下游水位差的關系表達式為：

式中：Vcp為閘孔流速,m/s；ΔZ 為上下游水位差,m。

臨渙閘（閘下游）站閘孔平均流速Vcp與上下游水位差ΔZ 關系圖見圖1,從圖中可看出,歷年關系曲線點群集中,各水位差實測點分布均勻,綜合關系曲線較好。

圖1 臨渙閘（閘下游）站閘孔平均流速Vcp 與上下游水位差ΔZ 關系圖

3.5.2 三項檢驗

水位流量關系曲線檢驗內容包括符號檢驗、適線檢驗和偏離數值檢驗三項。三項檢驗具體公式見《水文資料整編規范》（SL 247-2020）,在此不過多解釋。關系曲線為單一曲線,使用時間較長的臨時曲線及經單值化處理的單一線,且測點在10 個以上,應作關系曲線檢驗。

當三種檢驗結果全部接受原假設,則定線正確；若三種檢驗或任意一、二種檢驗結果拒絕原假設,應當分析拒絕原因,并對原線進行適度修改重做檢驗[6]。檢驗數據見表2。

表2 臨渙閘（閘下游）水位流量關系曲線檢驗表

本次檢驗標本共558 次,其中K+284 次,K-274 次,符號變換260 次。符號變換次數小于0.5（n-1）,需做適線檢驗。

臨渙閘站推流關系線精度檢驗結果見表3。從表3 可以看出,臨渙閘站孔流狀態推流關系線通過《水文資料整編規范》（SL 247-2020）要求的有關檢驗。

表3 臨渙閘（閘下游）推流關系線檢驗結果表

（3）其它情況說明

在率定上述臨渙閘閘孔出流關系線時,其中2015年4 次、2016年1 次、2017年3 次、2018年、2019年 各1 次,因 測驗和閘門開啟高度觀測誤差,實測點據與關系線偏離較大,舍去。2020年舍棄的8 次為ΔZ＜0.1 m,2021年舍棄的2 次為ΔZ＜0.1 m。

臨渙閘閘孔出流關系線使用范圍為：4.89 m＞ΔZ≥0.12 m。

4 結論與建議

4.1 建議

（1）因本次分析驗證標本中最大流量為515 m3/s,水位差范圍在0.12 m～4.89 m 之間,故建議在流量小于515 m3/s 或4.89 m＞ΔZ ≥0.12 m 時,實行校測。同時每年應對關系曲線進行檢驗,對偏離誤差較大的測點和出現系統偏離的時段做出及時仔細地分析,并加密測次,確保水位流量關系曲線精度。

（2）進行閘門開高校正。對于閘壩站流量測驗時,閘門開啟高度直接影響閘門過水面積進而影響到流量系數,導致流量系數產生誤差,為保證單值化分析的準確性,必須要確保閘門開高的準確度。

4.2 結論

（1）經分析和驗證臨渙閘水位流量關系的單值化,確定臨渙閘站孔流狀態閘孔流速與上下游水位差的關系表達式為：Vcp=3.27ΔZ0.49。經檢驗分析,臨渙閘水文站淹沒孔流狀態水位流量關系表達式滿足《水文資料整編規范》（SL 247-2020）的檢驗要求,各項指標誤差較小,符合規范的誤差標準,可以使用其推流。

（2）臨渙閘水文站單值化的成功分析,實現流量“軟在線”,為水文站的流量巡測、間測打下堅實的基礎,為水文全要素自動監測的實現邁出重要一步。

（3）單值化分析的成功應用,使得流量測次適當降低,減輕了測驗、報汛、整編任務。從而解放了人力,讓有限的人才集中起來進行巡測,擴大水文業務范圍,可為經濟社會可持續發展提供優質的水文服務。