灌區(qū)分水閘門流量系數率定的試驗研究

牛曉宇，孫耀民，吳文勇，張超波，龔時宏，許 虎

(1.太原理工大學 水利科學與工程學院，山西 太原 030000；2.運城市尊村引黃灌溉服務中心，山西 運城 044000；3.中國水利水電科學研究院，北京 100048；4.石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000)

灌區(qū)進水閘引水量的計算和水資源的優(yōu)化配置需要對閘門的流量系數進行準確率定，國際上有很多學者都對此進行了研究。

Buyalsk[1]在美國墾務局多年觀測的實驗數據基礎上，通過分析流量系數、上、下游水位差、閘門開啟高度三者之間的相關性，繪制出關系曲線，采用查圖法直接獲得淹沒孔流的流量系數。黨九社[2]在研究桃曲坡水庫高洞平板閘門流量系數時，通過分析流量Q和綜合流量系數A得出閘門邊界條件對流量小的約束影響大，對流量大的影響約束小，在其以下流量部分，Q增大，A值變化量大；Q增大，A值變化量減小。Ferrod[3]基于π定理的量綱分析法，得出關于平板閘的閘孔出流流量計算公式。齊清蘭[4]由曲線擬合的方法得到了曲線型實用堰上弧形閘門的流量系數的計算公式，通過與現有公式比較其計算簡單且精度高，更適合在水力計算中使用。Shahrokhnia[5]基于π定理的量綱分析法和不完全自相似理論，得出關于弧形閘在自由出流和淹沒出流工況下的流量計算公式。

馮國一[6]認為平板閘門的流量系數公式形式應隨著閘前閘后的水流條件的不同而不同，對于不同的類別應采取相應的流量系數公式計算。黃曉川[7]通過研究瀏洋水庫認為平板閘門前有涵洞比沒有涵洞的平板閘門的流量系數要大。張月霞[8]建立了水力翻板閘門流量系數與閘門處相對過流面積及過流系數之間的關系式，提出了一種利用水力翻板閘門過流系數估算閘門流量的新公式。吳宇峰[9]在泄水涵洞中平板閘門流量系數的試驗研究中認為，涵洞中的閘門流量系數主要與涵洞前水庫水深和涵洞的高度有關，其值比堰頂的流量系數大，比管嘴出流的流量系數小。劉曉慶[10]以沙溪電航樞紐工程為例，認為液控和水力自控開啟方式下堰孔泄流時，采用流量系數與相對開度的多項式函數關系式確定水力翻板閘門的流量系數精度高。流量系數的影響因素取決于閘孔出流的水力條件，在不同的水流流態(tài)下應采用不同的流量計算模型[11]。通過分析大量的實測數據與模型應用情況得出結論：冪函數公式能夠更好地符合流量系數計算的實際情況[12]。王法猛[13]針對平面弧形雙開閘門這種新型閘門進行研究，認為閘門入口處斷面平均弗勞德數與流量系數呈線性關系，且此線性關系與閘門開度無關。高玉軍[14]通過對吉林省公主嶺市南崴子灌區(qū)渠首段進行水文測驗，經過統(tǒng)計計算分析了流量系數與閘門上下游水位差、流量系數與閘門相對開度以及流量系數與下游流量之間的關系。邱春[15]指出非恒定流流量系數隨閘門開啟速度的加快及堰頂水頭的降低而減小，并給出不同開啟速度和堰頂水頭情況下適于過渡式及平穩(wěn)式水流的流量系數經驗公式。李睿[16]提出了新的基于閘后水流收縮斷面特性來確定無坎寬頂堰閘孔自由出流流量系數的計算公式，并對該流量系數公式進行合理性驗證。田甜[17]按照弗勞德相似準則制作比例為1∶2的正態(tài)測控一體化閘門模型，通過流量系數率定試驗，確定了測控一體化閘門流量系數計算公式，認為自由出流時為薛朝陽經驗公式，淹沒出流時為擬合的線性函數。

從圖1可以看出，安邦河分水閘位于和平灌區(qū)的上游段，是所有支渠(除十六支、一支渠)水資源的進水口，擬利用在干渠渠道水文監(jiān)測獲得水位、流量、閘門開度等基礎數據，研究閘門系數與上下游水位差、閘門相對開度和下游流量之間的統(tǒng)計關系，分析對閘門流量系數影響的因素有哪些并準確確定安邦河進水閘門的流量系數，從而為灌區(qū)渠道引水量的計算和渠道優(yōu)化輸配水提供理論支撐。

圖1 和平灌區(qū)示意圖

1 材料與方法

1.1 灌區(qū)概況

慶安縣和平灌區(qū)位于黑龍江省中部的松嫩平原與小興安嶺余脈的交匯地帶，呼蘭河流域中上游，慶安縣境內。地理位置介于東經127°20′～128°49′，北緯46°41′～47°4′之間。灌區(qū)整體沿呼蘭河左岸呈長條形分布，東西長約11 km，南北寬約6 km；地勢東北高，西南低，地面坡度在1/1000～1/3000；海拔高程在169～184 m之間。灌區(qū)屬北溫帶半干旱半濕潤、大陸性季風氣候，春季風大干旱，夏季高溫多雨，秋季降溫快易早霜，冬季寒冷；多年平均降水量為608 mm，降水量年內分布不均，春季降水少，主要集中在6—9月，占全年70%以上；多年平均氣溫為1.6 ℃，年極端最高氣溫為36.2 ℃，年極端最低氣溫-39.0 ℃；多年平均水面蒸發(fā)量1285.6 mm。灌區(qū)內總土地面積1.53萬hm2，其中：耕地1.22萬hm2；實灌水田面積0.67萬hm2。

慶安縣和平灌區(qū)始建于20世紀五六十年代，骨干工程大部分建于20世紀七八十年代，渠首工程建于1962年。目前和平灌區(qū)共有3座渠首，第一渠首(李山屯渠首)位于鐵力市境內雙豐鎮(zhèn)李山屯北呼蘭河上;其他兩座渠首(安邦河渠首、鄭文舉渠首)分別位于呼蘭河一級支流安邦河、拉林清河上。和平灌區(qū)現有干渠1條，長45.0 km；灌區(qū)現有支渠16條、直屬斗渠11條與3處揚水站支渠，總長61.3 km；排水干渠15條，總長51.2 km；現有補水井132眼。引水條件優(yōu)越，灌區(qū)排水采取自流的方式運行。安邦河分水閘采用開敞式寬頂堰型式閘室，尺寸為3孔高為1.75 m、寬1.60 m的胸墻閘孔，高1.20 m、寬為1.60 m的鑄鐵閘門，10 t的手電兩用啟閉機。閘底板坐落在含細粒土砂層上，消力池型式為混凝土十字消力檻式，采用壅阻水流式消能。

1.2 研究方法

1.2.1 水位的監(jiān)測

為了準確的測量安邦河分水閘門上、下游的水位變化情況，依據《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》GB/T 21303—2017要求，測量水點和斷面設置應在水流平穩(wěn)且不受行進水流流速以及水躍影響的地方。試驗采用便攜式不銹鋼、刻度標記為1cm的國家標準水尺，閘前測水點確定在閘上游右側混凝土擋水墻旁邊，編號為F上；閘下游測水點確定在閘下游測橋的中點，測量點與消力池末端距離為閘門與消力池進口距離的五倍左右，編號為F下，見圖2。下游觀測點距離閘門相對較遠，該處水面較穩(wěn)定，作為閘下水位采用值較有代表性。

圖2 水位測量觀測點布設示意圖

1.2.2 閘門流量系數的率定公式

由實測的流量數據和閘門流量的計算公式來推求閘門流量系數。其計算公式為：

(1)

式中：Cd為閘門流量系數；Q實測為實測流量，m3/s；n為閘門個數；b為閘門的的計算寬度，m；e為閘門開度，m；ΔH為上下游水位差，m。

2 結果與分析

2.1 流量的測定

基于水情監(jiān)測主要用到的儀器為澳大利亞進口startflow6515多普勒超聲波測流儀，LS-10B旋槳測流儀，灌區(qū)高效用水測控系統(tǒng)平臺，鋼卷尺等。對儀器使用進行率定選擇，以和平灌區(qū)的六支為例，對旋槳測流儀與多普勒流量計進行流量對比如下圖3和圖4所示：

圖3 下游水位-流量關系曲線圖

圖4 下游水位-斷面平均流速關系曲線圖

根據上圖3～圖4可知：多普勒流量計與旋槳測流儀測量得到的流量，誤差在8%左右，水位與斷面平均流速呈對數函數對應關系，隨著水位的增大，斷面平均流速增大，但是增大的趨勢越來越小，水深越大，兩者斷面平均流速誤差越小，又多普勒流量計測出的流速直接是垂線平均流速，避免了旋槳測流儀多點法測量的煩瑣過程，因而在保證測量精度的情況下，故選擇多普勒流量計進行對安邦河進水閘的流速進行測量。

渠道過水斷面面積的測量采用測橋測量法進行測量，測深垂線間距為1.00 m，以控制斷面的變化的轉折點，同時為了滿足數據的代表性和分析要求，根據閘門開啟情況，上下游水位的不同組合均勻分布流量測次，按《河流流量測驗規(guī)范》(GB 50179—2015)，每個流量級要實測1～4次。

2.2 試驗結果

試驗時間選擇在和平灌區(qū)的七、八月份，整個測驗分為四個階段，第一階段：分蘗期，7月2—6日，測次為第1～2次，流量相對較大，瞬時流量在6.00 m3/s左右；第二階段：拔節(jié)孕穗期，7月12—29日，測次為第3～7次，因降雨因素，渠道瞬時流量在1.00 m3/s左右浮動；第三階段：抽穗開花期，7月30日—8月11日，測次為第8～20次，生長期稻田需水量減弱，渠道水流量較小，流量為0.13～6.58 m3/s；第四階段：乳熟期，8月14—26日，測次為第21～24次，成熟期稻田的需水量最小，流量在0.70 m3/s左右。實測流量結果見表1，其流量變化過程見圖5，閘門上下游水位觀測結果見圖6。

圖5 流量測驗結果

圖6 水位觀測結果

表1 上下游水位差—實測流量—閘門流量系數的關系

通過查詢水文數據得到和平灌區(qū)七、八月份的降水情況。分析灌區(qū)的七、八月降雨量與閘門開度的關系，由表1可知，在稻田需水量一定的前提下，降雨量越大，閘門的開度越小，閘門流量系數相應減小，其中最為明顯的是7月25日降水量為132.9 mm，因降水形成的產匯流需要一定的時間和閘門管理人員對閘門的操作，在7月27日閘門開度變小為0.107 m，閘門流量系數減小。

2.3 試驗分析

2.3.1 水位與流量的關系

渠道測量過水斷面的位置在閘門下游的順直渠段，流態(tài)可以大致接近于明渠均勻流，分析實測流量與下游水位之間的關系(圖7)，通過相關數據分析得到下游水位(H下)與實測流量(Q實測)的相關系數為0.89，水位流量關系呈現直線關系，其關系式為

圖7 實測流量與下游水位關系

H下=0.1101Q實測+0.6067

(2)

2.3.2 閘門流量系數與上下游水位差平方根的關系

安邦河進水閘門的流量系數與上、下游水位差平方根兩者之間的相關系數達到了0.80，統(tǒng)計關系見圖8和式(3)。此外由式(1)可知，閘門流量系數與上、下游水位差的平方根呈冪函數關系，所以上、下游的水位差越大，閘門流量系數越小，水能損失就越大，其關系式為

圖8 閘門流量系數與上下游水位差平方根的關系

(3)

2.3.3 閘門流量系數與閘門相對開度的關系

閘門實際工作當中，閘門開度越小，上下游的水位差越大，水頭損失量也會越大，導致閘門系數越小。閘門的實際開度與上、下游水位差之比稱為閘門的相對開度，通過分析閘門流量系數與閘門相對開度的數據，得到相關系數是0.87，即閘門流量系數與相對開度之間是呈正線性相關關系(圖9)，其關系式為

圖9 閘門流量系數與閘門相對開度的關系

Cd=1.0593e/ΔH+0.2495

(4)

2.3.4 閘門流量系數與流量的關系

進行閘門流量系數與實測流量數據的相關關系的分析，得到如下結果(圖10)和式(5)，兩者的線性相關系數達到了0.96。其關系式為：

圖10 閘門流量系數與實測流量的關系

Cd=0.1109Q實測+0.1858

(5)

3 討 論

該研究結果與前人研究結果相似，采用了相近的研究方法和分析手段，結果分析不同的是閘門流量系數與上下游水位差平方根呈現冪函數關系。文章針對測量閘門前后水位、流量進行了詳細的表述，并對兩種測量流量的儀器進行了試驗對比誤差分析，加大了試驗數據的可靠度。該次試驗在研究閘門流量系數的同時利用灌區(qū)降水水文資料對閘門開度變化也做出了對應的分析，使得閘門開度試驗的結果更加可靠，此外，對研究和平灌區(qū)在七、八月份水田灌溉利用水資源情況提供了信息，具有參考意義。該次試驗并沒有完全對整個灌區(qū)水資源優(yōu)化調度的相關試驗進行開展，只是針對安邦河進水閘進行了流量系數率定，所以要想實現全灌區(qū)水資源優(yōu)化調度，還需要對和平灌區(qū)各個支渠水文資料進行試驗監(jiān)測。

和平灌區(qū)是多水源聯合灌溉，干渠的首端李三屯渠首是從呼蘭河引水進入干渠，中間由安邦河與拉林清河兩條河流補給水源?？紤]安邦河渠首上游只有十六支渠和一支渠，且一支渠距離安邦河進水閘很近，90%的支渠在安邦河分水閘下游，所以對安邦河分水閘門流量系數的率定是非常有必要的。拉林清河位于和平灌區(qū)的中上游，下一步研究鄭文舉進水閘閘門流量系數率定也是必要的，從而為真正實現灌區(qū)多水源引水流量的計算和渠道優(yōu)化輸配水提供理論基礎。

4 結 論

(1)閘門流量系數與閘門相對開度和下游流量呈正線性相關關系，與閘門上下游水位差呈冪函數相關關系，而且相關系數均在0.80以上。

(2)和平灌區(qū)是多水源聯合灌溉，干渠的首端李三屯渠首是從呼蘭河引水進入干渠，中間由安邦河與拉林清河兩條河流補給水源?？紤]安邦河渠首上游只有十六支渠和一支渠，且一支渠距離安邦河進水閘很近，90%的支渠在安邦河進水閘下游，所以對安邦河進水閘門流量系數的率定是非常有必要的。拉林清河位于和平灌區(qū)的中上游，下一步研究鄭文舉進水閘閘門流量系數率定也是必要的，從而為真正實現灌區(qū)多水源引水流量的計算和渠道優(yōu)化輸配水提供理論基礎。