邢家渡引黃閘閘孔出流推算方法探討

張剛，李秉哲

（濟南黃河河務局供水局，山東濟南 250000）

邢家渡引黃閘閘孔出流推算方法探討

張剛，李秉哲

（濟南黃河河務局供水局，山東濟南 250000）

以歷史放水資料為基礎，根據(jù)實測數(shù)據(jù)，推求了適用于邢家渡水閘的流量系數(shù)，建立流量推算公式，并進行了驗證，驗證結果較好。建立流量～開度～水位關系曲線，根據(jù)流量推算公式，在已知流量指標的前提下，還可以反推閘門開度，為調(diào)整閘門開度提供了一種簡便、高效的方法。本文建立的閘孔出流流量公式計算過程簡便，精度較高，對水閘科學管理具有一定的指導意義。

邢家渡引黃閘；閘孔出流；流量公式；關系曲線

邢家渡引黃閘位于黃河左岸山東省濟陽縣境內(nèi)，最早建于1974年，后又在2000年進行改建。閘體為2聯(lián)4孔，鋼筋混凝土箱式涵洞，直升式平面閘門，孔口尺寸高、寬均為3 m，涵洞全長90 m。引黃閘設計流量為50 m3/s，設計灌溉面積6.2萬hm2，主要供給濟陽、商河2縣的群眾生活用水、農(nóng)業(yè)用水和地下水補給。在水閘管理工作中，通過閘門啟閉來控制水位，調(diào)節(jié)過閘流量是一項基本內(nèi)容。灌區(qū)中利用水工建筑物量水是一種簡便而經(jīng)濟的方法，如何由實測的水位、閘門開度信息計算出流量是利用建筑物進行量水的關鍵問題。本文基于歷史放水資料，建立閘孔出流流量推算公式，對精確計量引水量、水閘科學管理具有重要意義。

1 閘孔流量推算

水閘的過閘水流一般可分為堰流和閘孔出流2種形式，堰流因不受閘門控制，水面線為光滑的降落曲線。引黃閘在閘門操作過程中一般不會將閘門提出水面，因此，閘門上下水面不是連續(xù)的自由水面，水流會受到建筑物的約束，稱之為孔流。由于堰流和閘孔出流邊界條件的不同，導致他們各自的水流特征和過水能力不同。閘孔出流根據(jù)出流流態(tài)是否受下游水位的影響，可以分為自由式、淹沒式孔流。由于出流流態(tài)存在的差異，對過閘流量也會產(chǎn)生較大影響，所以在推算流量時就應該采用與之相對應的計算公式。

1.1 流量計算公式

根據(jù)閘前后水位對閘孔出流的影響，對閘孔出流流態(tài)進行分析，邢家渡水閘閘后水位對閘孔出流流量影響較大，因此可以認為閘孔出流形式以淹沒式孔流為主，本文也是基于淹沒式孔流對過閘流量進行推算。

選取淹沒式孔流計算公式如下：

式中：μ為淹沒孔流流量系數(shù)；n為閘門孔數(shù)；b為閘門寬度；e為閘門開度；g為重力常數(shù)；ΔH為閘門前后水位差。

1.2 推求流量系數(shù)

孔流流量系數(shù)推求方法有模型試驗法、經(jīng)驗流量系數(shù)法、關系曲線法等，關系曲線法就是根據(jù)歷史放水資料，建立閘門相對開度e/ΔH和流量系數(shù)μ的關系曲線，此方法計算簡便，精度較高，因此，本文采用關系曲線法推求流量系數(shù)。

選取10組放水期間具有代表性的實測數(shù)據(jù)，利用公式（1）計算流量系數(shù)μ，數(shù)據(jù)見表1。建立流量系數(shù)～相對開度關系曲線，見圖1。從圖1中可以看出，流量系數(shù)隨著相對開度的增加而增加，關系式為：

表1 水閘放水實測數(shù)據(jù)及流量系數(shù)計算值

圖1 流量系數(shù)～相對開度關系曲線

根據(jù)擬合結果，相關系數(shù)R2=0.9686，說明流量系數(shù)和閘門相對開度相關性較大。在實際的水閘運行過程中，相對開度不會無限增大，而流量系數(shù)也是在一定范圍內(nèi)變化，且流量系數(shù)最大不超過1。在公式（1）中，已知閘門開度、水位差，再通過公式（2）計算得流量系數(shù)，便可以推算過閘流量。

1.3 流量公式的驗證

隨機選取10組實測數(shù)據(jù)，利用公式（1）和（2）分別計算流量系數(shù)和過閘流量，將流量實測值與計算值進行對比，得到兩者的相對誤差絕對值，對流量推算公式進行驗證，見表2，表中，Q為實測流量值，Q1為計算值，λ為兩者相對誤差。

從表2中可以看出，選取的10組數(shù)據(jù)中，閘門開度變化由0.5 m到1.75 m，流量分布由3.5 m3/s到21.2 m3/s，數(shù)據(jù)分布范圍較大，具有一定的代表性。相對誤差的絕對值大部分在10%以內(nèi)，平均值為6.7%，說明本文得到的流量推算公式具有一定的計算精度。

表2 相對誤差計算結果

2 結語

推算過閘流量是水閘管理工作中的一項重要內(nèi)容，對精確計量引水量和水閘科學管理具有重要意義。本文通過歷史資料推求適用于邢家渡引黃閘的流量系數(shù)，建立淹沒式孔流流量推算公式，并通過實測數(shù)據(jù)進行了驗證，驗證結果較好，可以直接應用于水閘管理工作中。另外，在已知流量指標的前提下，通過流量公式反推閘門開度，控制過閘流量，這種方法操作簡便，精度較高，為水量控制、水閘管理提供了較好的理論依據(jù)。

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（責任編輯 崔春梅）

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1009-6159（2016）-11-0033-02

張剛（1988—），男，助理工程師