平原区中小型水闸过闸流量推求方案分析

孟 健

(杭州水文水资源监测总站，杭州310016)

杭州市位于浙江省西北部，地处浙西丘陵与浙北平原之间的过渡区，东北部属浙北平原区，涵盖了杭嘉湖平原、萧绍平原的相当部分。区内河湖纵横，水面率较高，中小型水闸随处可见，分布数量相当可观。与此同时，多数在用水闸修建年代较早，缺少科学合理的过闸流量推求方案，调度方式简单粗放。在已开展的平原区水文巡测工作中，通过对过闸流量的实测资料进行分析，结合水闸自身特性，利用水力学理论，制定出符合水闸实际使用情况的过闸流量推求方案，为水闸科学调度提供依据。

1 原理

闸孔出流是指闸门建在宽顶堰或实用堰上的出流问题[1]。平原区河道内闸门大多建在宽顶堰式的底坎上。影响水闸过闸流量的因素包括闸上、下游水位、底坎和闸门的形式与尺寸、闸门开度等，出流的计算方法复杂而多变。

1.1 宽顶堰的流量公式

宽顶堰出流综合计算公式为:

式中:Q为宽顶堰的流量，m3/s;C为综合流量系数;B为堰宽，m;H为堰上水头，m。

宽顶堰出流分为自由出流与淹没出流，根据实验，宽顶堰的淹没条件为:

式中:hs为下游水位到堰顶的高度。

1.2 闸孔出流

闸孔出流有自由出流与淹没出流两种方式，相对应的出流公式分别为:

式中:M为自由孔流综合流量系数;H－ht为上、下游水头差，m;μ为淹没出流系数。

2 方案编制步骤

2.1 资料收集

收集闸门相关的资料，包括闸门的位置、类型、尺寸、底坎的高程等。了解闸门所控制河段的相关情况，对可能出现的闸门调度方式做概括。

在做好上述工作之后，组织对闸门不同调度方式下的过闸流量进行实测。所取得的实测资料应尽可能涵盖闸门所有的出流方式，为后期分析计算做准备。在进行流量测验的同时，对闸门开度、上下游水位等要素进行观测并做好记录。测验结束后，对实测资料进行整理。

2.2 分析计算

依据上文所述水力学公式，对所得资料进行初步分析，判别闸门的各种出流方式。在此基础上，对不同出流方式进行归纳，分别计算出推流所用的各项系数。

2.3 编制推流方案

依据所求各项系数，参照闸门的调度方式，提供出闸门出流方式的判别方法，计算出各种出流方式下具有代表性的过闸流量。根据计算所得，编制出相应的流量查验工作曲线，必要时制作与之对应的查询表格，方便基层工作者使用。

2.4 成果评价

通过以上步骤，便已基本完成了过闸流量推求方案的编制，接下来需要对成果的可靠性与精度进行分析与评定。依据规范，流量系数关系线应进行符号、适线、偏离数值与t检验，编制方案时t检验可省略[2]。测次较少时，可参照上述方法直接对流量成果做3项检验。通过检验后，进行随机不确定度的计算，依据计算成果做精度评定，分析影响过闸流量推求精度的因素，以便在实际操作中注意与改善。

3 应用实例

3.1 设计资料收集与流量测验

东风闸位于上塘河杭州与嘉兴交界处的河道断面上，属小(2)型水闸。闸门由南北两孔与中孔组成，边孔闸门尺寸均为3.20 m×1.00 m，底坎高程2.33 m;中孔闸门尺寸为5.80 m×2.95 m，底坎高程0.38 m;闸顶高程均为3.33 m。

由于所处平原区河道水位变幅有限，闸上、下游水位分别稳定在3.0～3.5 m与2.2～3.0 m。通过对闸门不同启闭状态下的过闸流量进行实测，共获取14份可用于分析的流量资料，具体可参见表1。实测流量在3.69～12.5 m3/s，测流期间上、下游水位变幅分别为0.28 m与0.15 m。

3.2 分类率定流量系数

依据闸门出流类型的判别方法进行分析可知:此闸门在一般情况下，边孔闸门出流方式有自由孔流、淹没孔流与自由堰流3种，中孔闸门有淹没孔流与淹没堰流两种。其中，边孔淹没孔流出现几率较少，未有实测数据，淹没出流系数可按0.65计算。其他出流方式均有实测数据。具体实测数据及相应出流类型见表1。依据水力学公式进行反算，对各种不同出流方式所对应的流量系数成果进行归纳，分别取其均值作为最终流量系数成果，率定成果见表1。

对于边、中孔同开的情况，可探求边孔对中孔出流的影响因素系数ε，根据实测资料对影响系数ε做合理率定，合成流量计算式为:

3.3 编制使用说明

为方便基层工作者，需编制操作性强的使用说明。就此闸而言，需分别交代边、中孔闸门出流类型的判别方法，以及各出流类型不同情况下的过闸流量查询方法。

以中孔闸门淹没堰流为例，首先计算闸门相对开度e中/(Z下－0.38)。当计算值＞0.65时出流方式为堰流，过闸流量可查询图1得出，图中关系线从上到下对应的闸下水位依次为 Z下2.4 m、Z下=2.6 m、Z下=2.8 m、Z下=3.0 m。其他水位情况下的过闸流量下可插补得出。

图1 中孔淹没堰流出流流量查询图

3.4 成果评价

依据使用说明，查图表得出各实测流量Qi所对应的查读流量Qci，可参见表1。计算各项检验指标与误差值如下:

符号检验:统计量μ=0.27＜1.15，合理;

适线检验:统计量μ=－1.66＜1.64，合理;

偏离数值检验:统计量t=0.002＜1.75，合理。

依据《水文资料整编规范》，推流成果可通过3项检验，随机不确定度X'Q=14.4% ，系统误差0.06%，基本满足二类精度水文站推流定线要求[3]。在实际操作中，需特别注意水位与闸门开度的观测，以便更好的判断流态，提高过闸流量推求精度。

表1 东风闸过闸流量率定成果汇总表

4 结语

通过对水闸过闸流量实测数据进行分析，结合水力学相关理论，我们可编制出可操作性较强的流量推求方案。该方案能较好的为平原区闸门调度提供参考，流量推求精度可满足平原区水文巡测资料的要求。值得指出是，在实测资料充足的情况下，方案中流量系数的确定可做进一步探讨，以便更好的提高方案精度。

[1]李家星，赵振兴.水力学[M].南京:河海大学出版社，2001:20－37.

[2]水利部水文局.SL247－1999水文资料整编规范[S].北京:中国水利水电出版社，1999.

[3]周忠远，舒大兴.水文信息采集与处理[M].南京:河海大学出版社，2005:176－182.