上海浦东水闸过闸流量和水量率定方法研究

周 全 ，吴伟华 ，杨晓斌 ，王 晖

（1.浦东新区水文水资源管理署，上海 200129；2.上海市水文总站，上海 200232）

0 前言

上海市浦东新区自20世纪60年代以来相继在黄浦江支流上建造了张家浜、杨思、三林等大批水闸，沿长江口建造了外高桥、五号沟、三甲港、张家浜等节制闸，形成水利大包围控制，使新区内各河道水文要素受水闸控制。新区现有水闸27座，总设计最大引水量1130.5 m3/s，总设计最大排水量1691.5 m3/s[1]，受益面积为整个浦东新区。施测或推算过闸流量，对于全面了解浦东新区的来水情况及内部水量交换很重要。目前已在新区主要区管闸门，如杨思闸、三甲港闸、张家浜东闸等闸门安置了声学多普勒流速仪（Acoustic Doppler Current Meter，即ADCM），可以对过闸流量、闸上下水位进行有效的自动监测。但大多数镇管闸门，因种种原因尚未安装ADCM流速仪，如西沟、北港等，这就需要对水闸流量进行率定。

水闸流量、水量率定是通过容易观测得到的水文因子（如水位、水位差、水头等），来推算过闸流量和水量，以节约人力、物力和财力。

堰闸等水工建筑物是一种良好的量水建筑物，流量率定方法为：通过实测过闸流量来率定流量系数，再根据堰闸形式、闸门开启情况、流态等因素，按水力学基本公式分析得到不同出流情况下的水力因素与流量系数的相关关系曲线，以推算堰闸的过闸流量。上海地区受河道感潮、地势平坦等自然情况影响，采用传统的流量率定方法，一般难以得到稳定的相关关系曲线。

为此本文探讨了上海浦东地区过闸流量、水量率定方法，并进一步将水力学堰闸过流公式与水文统计学多元回归方法相结合，对过闸水量做率定分析。

1 过闸流量、水量率定方法 [2]

1.1 基于水力学的堰闸公式法

受水闸开启状态及水闸上下游的水位等因素的影响，堰闸的出流状态为堰流和孔流。按堰壁厚度与水头的相对大小，将堰闸分为薄壁堰、实用堰和宽顶堰等3类。

1.1.1 堰流计算公式

（1）薄壁堰和实用堰堰流公式：

式中：Q为过闸流量；σ 为淹没系数；ε 为侧收缩系数；m为流量系数；B为溢流宽度；H0为闸上总水头。

（2）宽顶堰堰流公式：

式中：φ 为流速系数；h 为堰顶水位；z为上游水位与堰顶水位之差。

1.1.2 孔流计算公式

（1）宽顶堰闸孔出流公式：

式中：μ1为流量系数；e为开启度。

（2）实用堰闸孔出流公式：

式中：hs为下游水位超过堰顶的高度。

参考并选取上述堰流和孔流的出流公式，分析得到不同出流情况下的水力因素与流量系数的相关关系曲线，以推算堰闸的过闸流量。

1.2 基于堰闸公式的多元回归法

多元回归方法，即根据预报因子与对象的观测数据建立起回归方程，并据此对未来出现的数值进行预估[3]。

可将过闸水量设定为预报对象。

假设操作闸门做1次排水，且排水过程流态均为实用堰孔流，将闸门开启整个历时划分为一系列时段 Δ ti，再假设每个Δ ti时间内，水力要素不发生变化，则每个Δ ti时刻通过闸门的水量约为：

式中：ΔWi为Δ ti时段的过闸水量；H内i为i时刻闸内水位；H外i为i时刻闸外水位。

则整个闸门开启过程，通过的水量为：

对等式两端同取对数，可以得到：

式(1)～(7)是以水力学物理公式为基础，进一步概化得到的，它有一定物理基础，但依然包含了很多假设，如排水过程流态均为某一种流态等，故不能直接应用。采用数理统计的方法来降低这些不确定因素，即假设条件的影响，这里将lgW看作预报对象，和lg ΔT看作预报因子，进一步得到以下公式：

通过多元回归分析方法，可以得到a，b，c的取值，由此建立水量公式。

必须指出的是，可视为流态因子，如能确定整个引排水过程是以哪种流态为主，则部分可以用该流态对应的流量公式替换，如不能确定，则通过回归分析来确定应采用哪个堰闸过流公式。

综上，2种方法的区别在于，前者以水力学为基础推求流量，对每个时刻流态的考虑比较充分，需要有很详尽真实的资料（水位、流量、开启度）作为支撑，不仅数据本身的精度非常重要，测量点的位置也很重要，比如水位点的布设位置不能靠闸门太近等等；后者将水力学方法与数理统计方法相结合，推求水量，只考虑整个引排水过程占主导的流态，忽略了对每个时刻流态的区分，概化了部分不确定性因素，对资料的要求有所降低。

2 实例分析

2.1 闸门概况

三甲港水闸位于川杨河东首，包括3孔，孔径10 m，底坎高程 -1 m，闸门全开时最大开启高程为5 m。该闸门以3孔压水或脱水为常规开启方式，即分别形成孔流和堰流。

2.2 率定分析

选取上海浦东新区2004年9月、2005年10月引清调水数据、2006年1～8月常规引水数据，即各次引水的开闸和关闸时间、闸内外水位、流量时间序列等作为分析数据。

2.2.1 堰闸公式法率定过闸流量

根据e/H（H为闸孔水头）将引水过程中每个时间点的流态区分为堰流和孔流。对于堰流，尝试采用普遍堰流公式；对于孔流，尝试采用宽顶堰闸孔出流公式。得到的三甲港闸流量关系如图1所示。从图1可见，这两种方法都无法得到比较稳定的流量系数关系，推断是因为闸内外水位点距离太近，无法获得有效的水头差。

2.2.2 基于堰闸公式的多元回归法率定过闸水量

（1）常规调水

图1 三甲港闸流量系数关系图（常规调水，孔流）

忽略每个时刻流态的判定，只考虑整个引排水期间占主导成分的流态，通过回归分析为2种闸门开启方式：3孔压水（堰流）、脱水（孔流），分别确定流态因子。在排除可疑点据后，整理得到的孔流样本个数为56，堰流样本个数为69。

对于孔流，过闸水量公式如下：

对于堰流，过闸水量公式如下：

（2）引清调水

忽略每个时刻流态的判定，只考虑整个引排水期间占主导成分的流态，由于缺少当时闸门开启方式资料，通过回归分析确定流态因子为。整理得到的样本个数为18。得到过闸水量公式如下：

通过基于堰闸公式的多元回归法率定过闸水量，根据不同的流态，建立了相应的水量公式。通过精度分析可知，偏回归系数显著，回归方程效果显著，推算水量可以达到不错的精度，综合精度如表1所示。同时，以引清调水为例，计算水量与实测水量过程线拟合良好，具体对照如图2所示。

表1 过闸水量率定综合精度表

图2 三甲港水闸率定过闸水量（引清调水）对比图

3 结语

无论是基于堰闸公式法推求过闸流量，还是基于堰闸公式并结合多元回归方法推求过闸水量，都需要遵守闸门开启方式固定的前提。每个推流公式都只对应1种闸门开启度。

传统的堰闸公式法推求过闸流量，对流态的考虑比较充分，需要有很详尽的实测资料作为支撑，推流精度不仅依赖于数据本身的精度，而且与闸内外水位的位置也有很大关系，故该方法在上海这样的平原感潮河网地区操作难度较大，不易得到有效的结果；基于堰闸公式并结合多元回归方法推求过闸水量，只考虑整个引排水过程占主导的流态，基本忽略对每个时刻流态的区分，对资料的要求有所降低，该方法对于推算水量更为实用。

2009年，浦东迎来新的发展机遇，水资源作为经济发展、民生安定的重要支撑，其意义不言而喻。而新区进出水量数据，又是合理利用、保护水资源的基础信息。水文信息化的发展推动了在线监测站点不断建设，但与之对应的是自动监测仪器的购买成本及维护成本的攀升。利用堰闸等水工建筑物，通过施测较易获得的水文要素（如开关闸时间，闸内、外水位，闸门开启度等），推算不易得到的水文要素，可以降低硬件成本，作为水文信息化建设有益的补充。

[1]浦东新区水资源普查联席会议办公室.浦东新区水资源普查成果报告[R].上海：上海科学技术文献出版社，2002，4.

[2]河海大学.水力学[M].南京：河海大学出版社，1995，12.

[3]河海大学.中长期水文预报[M].南京：河海大学出版社，1997，8.