南四湖二级坝枢纽泄流分析

张 健，刘继军，张 涛

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098;2.济宁市水文局，山东济宁 272019)

随着南四湖二级坝水利枢纽工程改造及湖区清障工程治理的逐步实施，湖区行洪逐渐畅通，二级坝闸出流条件得到改善，泄洪能力明显增强，现有泄流曲线是否适合现状出流条件，已成为二级坝枢纽工程洪水调度的突出问题。南水北调东线工程的实施，南四湖上下级湖将成为南水北调调水调蓄的重要湖泊，二级坝枢纽工程成为南水北调东线第10级泵站。对此研究二级坝泄流量的变化，确立现状出流条件的流量推求模型，满足防汛和洪水资源利用等方面的需要，是目前亟待解决的问题。

1 基本情况

1.1 流域概况

南四湖位于山东省南部，是一个南北狭长的湖泊，为我国第六大淡水湖，由南阳、独山、昭阳、微山四个湖泊相连而成。1958年，在湖腰最窄处的昭阳湖，修建了二级坝水利枢纽工程(简称二级坝)，坝长7.36 km。二级坝将南四湖分为上下两级湖。南四湖总库容53.72亿m3，其中上级湖22.27亿m3，下级湖31.45亿m3，具有调节洪水、蓄水灌溉、发展水产、航运交通、改善生态环境等多重功能。

南四湖流域承接苏、鲁、豫、皖四省三十二个县(市、区)的来水，入湖河流53条。主要入湖河流有梁济运河、洙赵新河、万福河、东鱼河、复兴河、洸府河、泗河、白马河、城郭河、新薛河、薛城沙河等。流域面积为31680 km2，其中上级湖流域面积为27500 km2，下级湖流域面积为4180 km2。湖东为山丘区，湖西为黄泛平原，南部为流域出口，洪水通过韩庄运河、伊家河、老运河及不牢河下泄。

南四湖是浅水型湖泊，湖内水生植物繁茂，生长大量的芦苇等水生植物，湖内还纵横交错、不规则地分布着许多航道、船沟及用于捕鱼捞虾的埝埂。部分入湖河道因引水和排水而向湖内挖槽堆土形成的堤埂影响行洪。严重阻碍湖内洪水下泄。

1.2 工程情况

南四湖二级坝位于昭阳湖的最窄处，自东向西建设溢流坝、第一节制闸、南水北调提水泵站、船闸、第二、三节制闸、第四节制闸(未启用)，中间由土坝连接。正常年份泄洪均由第一、二、三节制闸，三座闸均为直升式矩形平板门、平底闸，闸底高程各闸不等为30.5 m～31.5 m。三座闸主要工程技术指标见表1。

表1 二级坝水利枢纽主要工程指标一览表Table 1 List of indicators of the two dam water control works

为解决南四湖区行洪不畅问题，1998至2006年沂沭泗河东调南下续建工程进行了二级坝三座节制闸的除险加固改造，堰闸形式、开启方式、闸门尺寸等发生了改变，全面实现了堰闸工程控制运用的现代化。进行了湖内浅槽工程开挖，上游实施南阳岛东西两侧卡口段，下游进行了二级坝下游东股引河至微山湖段浅槽清障疏通，提升了湖区洪水的宣泄能力。

1.3 水文

南四湖自上而下设有辛店、南阳、马口、微山、韩庄(微)5处水位站，二级坝、韩庄闸2处水文站。上游主要入湖河道布设8处水文站控制入湖水量。二级坝三座节制闸，总设计下泄流量为12420 m3/s，由于上、下游行洪不畅等诸多原因，二级坝下泄洪水一直未达到设计能力。三座闸正常调节水量时一般以淹没孔流为主，大量泄洪期间一般以淹没堰流为主;下游水位较高时，运行期间常出现水头差小于0.05m情况，失去堰闸控制作用，近似于河道行洪。

二级坝水文站于1986年以前，各闸流量均为实测，测验方法主要采用流速仪法和浮标法，使用测船、水文绞车等施测。由于二级坝各闸过水断面宽，闸上下游输水河段短，水流出闸后极不稳定，加之当时测验设备落后，测验条件差，流量测验精度低，经上级批准于1987年二级坝流量改为水力学法推求。

水力学法确定的流量推求公式及流速系数，主要依据工程设计资料和有关水力学教科书，流速系数取经验系数，此方法在1993年南四湖流域发生较大洪水时，暴露了水力学推流方法中存在一定问题。大水过后，组织专门人员，参考1986年前实测水文资料，按照部颁《水工建筑物测流规范》，对推流方法和系数曲线进行了分析修正，重新确定了一套适用于不同节制闸各种流态下的推流曲线，经淮委沂沭泗局组织有关专家评审批准使用至今。

2 泄流量勘测分析

2.1 测验设施及方法

为准确掌握二级坝枢纽各闸泄洪情况，收集流量资料，分析验证目前使用的泄流曲线精度，利用先进的无线声学多普勒流速剖面仪(简称ADCP)进行了二级坝各闸行洪流量校测。声学多普勒流速剖面仪是当今世界先进测流仪器，仪器性能稳定，是一种快速、有效的测流设备。当装备有ADCP的测量船沿河流某一断面航行至对岸，即测出该断面流量，与传统的流速仪法相比，速度快，精度高，符合水文测验规范要求。

测验断面布设。经过对工情和水情的实际查勘，各闸闸上下游水头差小、测流断面较宽、水流平稳、闸上下游水面开阔、测验河段较短，流量测验断面布设在消力池末端闸下80 m左右，断面形状为梯形，两岸石砌护坡，水位较高时受回流影响，断面下游水流有分叉，分别向两侧扩散。

2.2 湖区洪水情况

洪水流量测验主要选择近年来主要工程完成后，二级坝有较大泄洪过程的2005、2010年资料。受降雨影响，2005年9月南四湖上下级湖水位迅速大幅上涨，最大涨幅达0.70 m，上级湖最大蓄水量达16.17亿m3，为近三十年来的最高值;为有效缓解南四湖防汛压力，9月20日13时、19时30分二级坝水利枢纽三闸80孔、一闸35孔泄水闸全部提出水面，9月21日18时二闸55孔全部提出水面泄洪，二级坝枢纽最大泄洪流量9月20日19时30分达2180 m3/s。

2010年7月18日7时18分南四湖二级坝二闸开闸泄洪，泄洪流量520m3/s，18日11时加大到1000 m3/s，18日11时一闸开闸泄洪，二级坝闸总下泄流量1560 m3/s，上级湖累计下泄水量2.27亿m3。

2.3 流量校测

2005年9月20日及2010年7月21日二级坝泄洪期间，根据三座闸运行情况，流量测验在各闸测验断面利用ADCP分别进行，按照上下游水位及流量变化情况合理布设流量测次，各闸流量测次基本能控制流量变化过程。

二级坝一闸测流6次，二闸测流8次，三闸测流7次，控制最大水位变幅1.04 m，实测最大流速1.55m/s，实测最大过闸流量2600m3/s单次往返流量测验误差在3%以内。

由于二级坝开闸泄洪期间水流比较平稳，同时，闸下测流断面布置合理，ADCP测流有效避开了不利因素影响，各次流量测验精度均较高，基本不存在测验盲区。

2.4 校测成果分析

2.4.1 泄流曲线的误差分析 根据二级坝枢纽ADCP实测流量资料，按照堰闸控制运用情况，利用推流曲线推求相应流量，计算泄流曲线推流误差，分析泄流曲线精度。分析成果见表2.4-1。

表2.4-1 二级坝水利枢纽泄流量分析成果表Table 2.4-1 Dam hydro project two vent traffic analysis results of Table

通过实测流量与查线流量的误差分析，收集的21次资料中仅有3次流量误差不大于10%，仅占实测点据的14.3%，8次流量误差不大于15%，仅占实测点据的38%。有62%的测点误差偏大，最大偏离误差达-169%，二级坝为二类精度水文站，查线流量远不满足规范要求。

从三座闸各自的查线推求误差看，一闸误差系统较小，二闸次之，三闸误差最大。这与工程改造前下游行洪条件有关，当时三闸下游无泄洪通道，阻水严重，三座闸行洪主要靠一、二闸下游的东股引河，工程治理后，二、三闸下游阻水的土埂、土堆全部清除，并开挖浅槽，洪水出闸后直接下泄，使得三闸泄水条件明显改善。

从不同流态分析，孔流小开高时误差偏小，孔流大开高、堰流和大部分闸门运行泄水时，实测流量明显偏大，最大偏离达58.5%。

现用曲线分析时采用的资料是三座闸洪水主要通过一、二闸下游的东股引河下泄，行洪能力差，受泄洪能力制约，三座闸泄流量大小相互影响。工程改造清障治理后这种受泄流能力制约的相互影响得到了明显改善。

2.4.2 t检验分析

t检验是国际标准ISO1100/2中流量相关关系检验的一种，它依据数理统计原理，用于判别单值化相关关系是否发生变化，分别将泄流曲线关系点据和流量校测点据为两组样本，根据给定的显著性水平α值(取0.05)按照自由度k的临界值t1-α/2，与计算的统计量t值比较，若│t│＜t1-α/2，则接受假设，即认为泄流曲线无明显变化。

根据表2.4-1资料数据进行t检验，计算两组测点综合标准差及统计量t，分析临界值t1-α/2=2.04与其进行比较，其统计量t远大于临界值2.04。即│t│＞t1-α/2，认为校测点据与查线点据两总体的均值有明显差异，表明目前使用的流量查算曲线已发生明显变化。

3 泄流曲线流量系数率定

3.1 泄流量公式的确定

根据二级坝堰闸型式和闸门运转情况以及各闸水流特点，按照收集的ADCP实测流量资料，依据《水工建筑物测流规范》、《水文年鉴编印规范》、《水文资料整编规范》分析确定各闸水力学推流公式，由于二级坝各闸以淹没孔流和淹没堰流为主，依据实测资料，初步率定分析淹没孔流和淹没堰流的流量系数，确定相关因素流量系数曲线。

式中Q—泄流量(m3/s); M2—淹没孔流流量系数;C2—淹没堰流流量系数;

B—过水断面宽度(m);e—闸门开启高度(m);hu—闸上游水头(m);

hc—收缩断面水深(m);ΔZ—水头差(m)。

3.2 流量系数率定分析

3.2.1 淹没孔流流量系数 淹没式孔流流量选用水力学公式

推求，进行流量系数率定，根据流量系数率定资料分析，经过关系曲线的优选，相关因素△Z/hu～M2的相关关系较好，关系线中下部点据较为集中，关系曲线标准差为8.17%，△Z/hu～M2关系线型，随△Z/hu增大，M2值逐渐增大，当△Z/hu大于0.32时，M2值趋于稳定，系数线以M2=2.53为渐近线，该系数曲线能反映二级湖闸出流特性，基本符合淹没式孔流流量系数变化规律。二级坝淹没式孔流△Z/hu～M2系数曲线见图3.2-1。

图1 二级坝闸淹没式孔流△z/hu～M2流量系数曲线图Fig.1 Two dam gates submerged orifice flow △z/hu～M2 flow coefficient curve

3.2.2 淹没堰流流量系数

1.一闸、二闸淹没堰流系数C2

二级坝一闸、二闸主要工程技术指标基本一致，淹没堰流出流状况相近，选用水力学公式Q=C2Bhl推求流量。两座闸实测流量资料合并率定流量系数。根据率定资料分析，流量系数与相关因素△Z/hu关系较好，△Z/hu～C2关系线型，随△Z/hu值增大，C2值逐渐增大，C2稳定值为4.73，符合堰闸规律。关系线中下部点据集中，上部点据偏少，曲线标准差为17.06%。一闸与二闸淹没堰流△Z/hu～C2系数曲线见图3.2-2。

图2 二级坝一闸、二闸淹没式堰流△z/hu～C2流量系数曲线图Fig.2 Two dam gates，gate submerged weir flow △ z/hu ～C2 flow coefficient curve

2.三闸淹没式堰流系数C2

图3 二级坝三闸淹没式堰流△z/hu～C2流量系数曲线图Fig.3.2-1 Two dam gates submerged weir flow △z-/hu～～C2 flow coefficient curve

3.3 流量系数关系定线误差评定

为正确绘制流量系数关系曲线，按照国际标准ISO1100/2的要求，根据《水工建筑物测流规范》第3.5.1条和第3.5.2条，《水文年鉴编印规范》第2.5.2条和2.5.4条规定，利用统计学理论，所定各种关系线进行了符号检验、适线检验、偏离数值检验，计算各条曲线的标准差。根据《水工建筑物测流规范》表3.1.3规定，取三类精度的站精度指标进行定线，各关系曲线精度指标基本满足要求，各条关系曲线均接受检验，测点偏离标准差均小于定线偏离差。各关系曲线定线精度指标见表3.3。

表3.3 二级坝流量系数曲线精度指标统计表Table 3.3 Statistics of Two dam flow coefficient curve precision index

4 结论与建议

4.1 结论

通过南四湖二级坝枢纽行洪流量勘测分析，由于工程改造治理的实施，改变了出流条件，湖区行洪能力增强，二级坝水利枢纽现有泄流曲线已不符合工程改造后的出流条件，不能满足流量推求需要，泄流曲线需要重新分析确定。根据校测流量资料初步分析的淹没孔流和淹没堰流流量系数曲线基本符合堰闸出流规律，可用于泄流量推求。

4.2 建议

南四湖湖区以及二级坝泄流情况复杂，仅仅依靠一两次洪水测验的资料进行分析或作为南四湖治理工程设计的依据是远远不够的，为准确分析南四湖行洪情况，建议制定切实可行的南四湖测流方案，有计划地进行不同水情、工情及不同流态条件下的二级坝流量测验工作，积累不同运用情况、不同流态下的实测流量资料，分析率定符合现状工程条件、观测设施条件的泄流曲线，并按照《水工建筑物测流规范》规定，建立一套长效的、系统的泄流曲线检验、间测、校核机制，确保二级坝泄流曲线的准确性和权威性，更好的为湖区防洪调度、南水北调洪水资源利用、水资源管理及湖区规划设计提供可靠的技术支撑。

［1］ 宁 远，钱敏，王玉太.淮河流域水利手册.北京:科学出版社，2003

［2］ 沂沭泗水利管理局.沂沭泗防汛手册［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003

［3］ 中华人民共和国行业标准水文资料整编规范(SL247-1999)［S］.北京:中国水利水电出版社，2000

［4］ 中华人民共和国行业标准水工建筑物测流规范(SL20-92)［S］.北京:中国水利水电出版社，1992