固鎮(zhèn)閘站淹沒孔流水位流量關(guān)系分析

劉 玉

(蚌埠水文水資源局,安徽 蚌埠 233000)

從水力學(xué)原理角度出發(fā)，在處于淹沒孔流流態(tài)狀態(tài)時閘孔內(nèi)部的平均水流速度與上下游的水位差之間存在密切關(guān)聯(lián)。從水文學(xué)角度而言，實測水位流量相關(guān)資料是確定上述關(guān)系的主要依據(jù)，在對閘流量進(jìn)行推算后，可以有效減輕在后續(xù)進(jìn)行測驗工作的工作強度，進(jìn)而在此基礎(chǔ)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(zhèn)閘水文站在2000—2019年的有關(guān)實測數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上借助CAD作圖工具與數(shù)據(jù)整編、匯總軟件對參與此次實證研究所涉及數(shù)據(jù)的內(nèi)在邏輯關(guān)系行單一線定線性分析，并于淹沒孔流流態(tài)情境下對該水文站周邊區(qū)域上下游間水位差與閘孔平均流速間所存在的規(guī)律性邏輯關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上依據(jù)SL247《水文資料整編規(guī)范》[1]，對水文數(shù)據(jù)本身的關(guān)系線進(jìn)行假設(shè)性驗證檢驗以及精度檢驗，檢驗結(jié)果表明該成果符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

1 概述

1.1 測站概況

固鎮(zhèn)閘水文站位于安徽省固鎮(zhèn)縣固鎮(zhèn)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(zhèn)閘水文站建于1935年5月。建站以來至2014年12月采用凍結(jié)基面，凍結(jié)基面與黃?；孑^差值為-0.106m；2015年至今采用凍結(jié)基面，凍結(jié)基面與85基準(zhǔn)基面較差值為-0.238m。此次測量過程中，降水量、蒸發(fā)量、水位實測情況以及水流流量、懸移質(zhì)泥沙、水質(zhì)、墑情等均為測量內(nèi)容。主要任務(wù)是防汛抗旱、水資源管理和水質(zhì)監(jiān)測，及時為地方各級領(lǐng)導(dǎo)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(guī)劃的基本依據(jù)，為水資源評價、水環(huán)境監(jiān)測、水土保持等提供技術(shù)服務(wù)，為防洪、抗旱、生態(tài)安全擔(dān)負(fù)著可靠的技術(shù)支撐。

1.2 水利工程情況

固鎮(zhèn)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(zhèn)閘12孔，孔寬5m，閘底高程為11.39m。閘上正常蓄水位16.50m，設(shè)計水位17.50m，設(shè)計泄洪量1015m3/s，校核流量1537m3/s。臨渙集水文站建設(shè)在距該工程上游95kn，建筑周圍設(shè)施直接受到蘄縣、南坪兩座節(jié)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(zhèn)閘閘上游2km處有澮澥引河，設(shè)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(jié)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(dāng)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(zhèn)澮河公路大橋，大橋共有16孔，橋墩上游2～5m范圍內(nèi)水流較平穩(wěn)、無急劇的壅浪、漩渦、無分流、岔流、回流等現(xiàn)象。

固鎮(zhèn)閘水文站大斷面見圖1所示。

圖1 固鎮(zhèn)閘水文站大斷面圖

1.4 水文特性及水位流量關(guān)系影響因素

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

(1)GB 50179—93《河流流量測驗規(guī)范》；

(2)SL 195—97《水文巡測規(guī)范》；

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

(3)SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》。

2.2 基本公式的確定

由于固鎮(zhèn)閘站水位-流量關(guān)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(yōu)選分析孔流采用水力因素-堰閘流量系數(shù)比較合適[2]。具體為：用固鎮(zhèn)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(guān)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(shù)；hl—下游水頭；B—閘門開啟總寬；e—閘門開啟高度。

相關(guān)因素為ΔZ，流量系數(shù)為C。分析所用資料中，閘門開啟孔數(shù)不等，開啟高度為平均值[3]。

2.3 單值化分析資料及結(jié)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(nèi)在關(guān)系線進(jìn)行繪制，其具體流程為：①通過Excel數(shù)據(jù)表格內(nèi)部所擁有的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與批量處理等功能，將實測區(qū)域上下游水位差同閘孔平均流速坐標(biāo)點的承接關(guān)系通過CAD軟件進(jìn)行坐標(biāo)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(xiàn)閘孔的平均流速測點，以使其清晰展現(xiàn)，易于可視化[4]。②借助樣條曲線對關(guān)系線進(jìn)行精準(zhǔn)繪制。③通過多段線對關(guān)系線節(jié)點進(jìn)行實時查詢與讀取，借助Excel將目前為止已經(jīng)查詢到的關(guān)系線節(jié)點進(jìn)行反算操作，同時，要明確檢查關(guān)系線是否存在反曲現(xiàn)象，在關(guān)系線存在較為嚴(yán)重的反曲情景時，需要對關(guān)系線進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。④由于圖紙內(nèi)容存在部分展現(xiàn)殘缺，因此通過CAD軟件內(nèi)部的繪圖功能優(yōu)化圖紙內(nèi)容，在對其進(jìn)行完善與修改后輸出并保存[5]。要根據(jù)固鎮(zhèn)閘站的新閘單開同老閘混合開啟有關(guān)的實測水文資料，通過CAD繪圖工具并聯(lián)合數(shù)據(jù)整編軟件對預(yù)期需要進(jìn)行的定性分析進(jìn)行展現(xiàn)。

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(jìn)行單值化分析，單開新閘淹沒孔流系數(shù)計算成果見表2。在淹沒孔處相關(guān)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(zhèn)閘站單開新閘淹沒孔流單淹沒孔流關(guān)系綜合曲線如圖2所示。

表2 固鎮(zhèn)閘(閘下游)站孔流關(guān)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(guān)系分析，收集本站2000—2019年淹沒孔流共23次實測流量資料，進(jìn)行單值化分析，新老閘混合同時開啟淹沒孔流系數(shù)計算及關(guān)系線檢驗成果見表3。淹沒孔流實測相關(guān)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(zhèn)閘站新老閘同時開啟淹沒孔流關(guān)系綜合曲線如圖3所示。

表3 固鎮(zhèn)閘(閘下游)站孔流關(guān)系線檢驗(新老閘同開)

圖3 新老閘混合開啟淹沒孔流關(guān)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(xiàn)原理角度而言，定線性精度檢驗具體是指在詳細(xì)計算實測點同關(guān)系線的標(biāo)準(zhǔn)誤差、隨機不確定度以及系統(tǒng)誤差數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對研究中所檢驗出的關(guān)系線進(jìn)行詳細(xì)分析，并驗證其是否符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范要求[7]，其中，固鎮(zhèn)閘定線精度檢驗見表4。

表4 固鎮(zhèn)閘定線精度檢驗表 單位：%

2.4.2淹沒孔流關(guān)系曲線精度檢驗

根據(jù)單值化分析計算，點繪單值化流量綜合關(guān)系曲線圖，可得出固鎮(zhèn)閘水文站，單開新閘淹沒孔流關(guān)系曲線的標(biāo)準(zhǔn)差、隨機誤差和系統(tǒng)誤差均達(dá)到規(guī)范規(guī)定的精度要求見表5；新老閘混合開啟淹沒孔流關(guān)系曲線的標(biāo)準(zhǔn)差、隨機誤差和系統(tǒng)誤差均達(dá)到規(guī)范規(guī)定的精度要求(見表6)。

表5 單開新閘淹沒孔流關(guān)系曲線精度分析成果表

表6 新老閘混合開啟淹沒孔流關(guān)系曲線精度分析成果表

3 結(jié)語

水位流量關(guān)系曲線的計算是水文測驗學(xué)中的一個經(jīng)典問題，它對水文資料整編，尤其是實時水位流量換算的準(zhǔn)確性起到了關(guān)鍵性的作用，本文提出一種基于CAD作圖工具、匯總軟件，結(jié)合大斷面測量資料，淹沒孔流流態(tài)情境下該水文站周邊區(qū)域上下游間水位差與閘孔平均流速間存在邏輯關(guān)聯(lián)，通過分析實現(xiàn)流量在線，為固鎮(zhèn)閘防汛抗旱、水資源管理、河湖整治、水生態(tài)水環(huán)境、水工程監(jiān)管提供技術(shù)支撐，并進(jìn)一步對上下游水位差-閘孔平均流速間的線性關(guān)系進(jìn)行深入修正；采用計算水位流量關(guān)系曲線的方法指導(dǎo)中小河流預(yù)警預(yù)報和山洪災(zāi)害預(yù)警工作具有現(xiàn)實意義。