南水北调东线一期金湖泵站流量系数率定分析

杨文洲 陆美凝 余 敏

（1.江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 淮安 211600；2.南水北调东线江苏水源有限责任公司扬州分公司，江苏扬州 225000）

1 工程概述

南水北调工程是缓解南北水资源分配不均的跨流域国家战略性工程。金湖站为南水北调东线运西线工程第二个梯级站，位于江苏省金湖县银集镇境内，三河拦河坝下的金宝航道输水线上，泵站具有与洪泽站联合运行向洪泽湖调水150 m3/s，同时结合宝应湖地区排涝功能。工程的实施是为了缓解山东半岛和江苏、安徽等输水沿线城市的供水紧张局面。站上为淮河入江水道，为淮河水系主要的行洪河道；站下为金宝航道，为区域重要的航运、灌溉、排涝河道。金湖泵站设计防洪标准为100年一遇，300年一遇水位相校核，与区域淮河入江水道防洪标准相适应，泵站采用灯泡贯流式水泵电动机组，装机5台（含1台备用），机组设备型号3350ZGQ-37.5-2.35，为国内最大口径贯流泵，调水设计流量150 m3/s，排涝设计流量130 m3/s。

2 曲线拟合数学模型选用

对于河道以及水工建筑物流量关系线选择通常通过数学模型拟合单一线，运用较多的是幂指数型、抛物线型、双曲线型、线性逐步回归及浮动多项式等。

幕指数型的形式为：

式中：

Q—流量；

h—水位高低变化量；

C，α，β—常数。

抛物线方程拟合形式：

式中：

Q—流量；

Z—水位；

A0，A1，A2—待定常数。

双曲线方程的形式为：

式中：

a，b，c，d—待定常数；

Z—水位；

Q—流量。

多项式的形式为：

式中：

A0，A1，A2—待定常数；

h—水位高低变化量。

线性逐步回归数学模型方程的形式为：

线性逐步回归是利用最小二乘法原理，对形成的正规方程进行线性变换，根据其对因变量有无显著贡献，剔除贡献量不大的自变量，对自变量函数逐步筛选完成。

幂指数方程在流量数据处理过程中为最常见的运用方式，根据金湖泵站贯流泵设计特点，其也是低扬程泵站抽水效能演算中最为合理的计算方式。

3 流量公式系数率定

实施对泵站流量系数率定可有效掌握泵站实际抽水在不同工况下的运行状态、能源单耗、流量等技术参数。而利用相关水文定性因素可以分析相关因素规律，如对于电力抽水泵站而言，影响流量的相关因素主要有电功率、水头（水位差），通过这些水文要素之间的相互关系就可以推求难以观测到的水文要素变化过程。在率定水文要素之间的关系时，是通过人工处理关系点点群中心，再用适线法定出关系曲线。本次金湖泵站流量系数率定是通过计算机处理，利用关系方程对实测关系点拟合进行的。

第二，如何防范水权交易损害水源地居民的权益？从我国现有的水权交易实践来看，水权交易不但无法对既有的用水者予以补偿，反而可能会损害水源地用水户的权益。譬如，在东阳义乌案例中，东阳市政府和义乌市政府的水权交易遭到水源地用水者—东阳市横锦水库灌区的农民—的强烈反对。理论上，用水者是水权交易市场的支持者而非反对者，因为交易有利可图。那么横锦水库灌区的农民作为用水者为何极力抵制且反对呢？因为，横锦水库灌区的农民认为，东阳义乌水权交易侵犯了他们的实际利益。

金湖泵站为比转速大的贯流泵，特点为扬程低，流量大。金湖泵站在调水过程中水位差较为稳定，在结合宝应湖区域排涝时，受到淮河入江水道行洪高水位影响，水位差变化幅度较大，对泵站装置效率准确测定难度较大。因此，可根据扬程的变化，利用实时监测数据来率定抽水泵站流量的计算方式，通过在装置效率下运行分析，以达到准确调度运行。

根据中华人民共和国行业标准《水工建筑物测流规范》，对于低扬程抽水站的流量计算公式为：

图1 h-ln（Q/Ns）关系图

式中：

Q—流量，m3/s；

ηk—抽水效能系数，相当于扬程为零时每千瓦电功率的抽水流量；

Ns—总电功率，kW；

e—自然对数底。

此公式适用于扬程在0～6 m 范围，扬程为负值也有效。计算公式中，流量Q 可以通过金湖泵站走航式ADCP 实测得到，Ns电功率通过金湖泵站上位机运行实时报表得出，h 通过金湖泵站上、下游超声波水位计得出，ε 与e 通过实测资料率定。

根据2013～2015年南水北调江苏段试通水与2015年防汛排涝的34次实测资料，实测过程中对泵站调水与排涝统一分析率定，由数据得出实测流量变幅33.8～154.1 m3/s，水位差1.02～3.71 m，满足泵站设计调水与排涝抽水因素率定要求。金湖泵站设计调水站上淮河入江水道水位为7.90 m，站下金宝航道水位为5.45 m。设计排涝站上设计水位10.95 m，站下水位6.25 m，基本在不同水位差下布设测次，在测验过程中流量效能相关因素情况满足金湖泵站率定要求。

依据2014～2015年34 次实测流量资料，点绘h-ln（Q/Ns）关系图（见图1），并定出一条关系线，该线为单一线，解方程得两系数为ηk=0.0603与ε=-0.3421，将率定的效能系数与递减系数代入式（6），则南水北调金湖泵站流量计算公式为：

4 关系曲线检验

根据《水文测验整编规范》（SL247-2012），对关系曲线为单一曲线、使用时间较长的临时曲线以及经单值化处理的单一线，做符号检验、适线检验和偏离检验。

根据水文规范要求，本次对金湖泵站采用h-ln（Q/Ns）流量公式定线的三项检验及标准差符合定性标准。

5 结语

笔者从南水北调金湖泵站在东线调水过程与宝应湖防洪排涝过程两种不同水位差工况下运行的角度出发，研究应用抽水泵站流量公式计算代替繁重的流量测验任务，通过对方程的检验分析来看，幂指数方程具有较高的精度。通过金湖泵站走航式ADCP 测量与对比，说明东线一期工程金湖贯流泵的建设达到了设计要求，率定的流量公式能反映金湖泵站调水与排涝的实际情况，可以用于今后的水情报汛与水文资料整编系统中。

在今后水文监测中要注意以下几点：

（1）对于单一曲线，线型一般应符合一定的水文特性，在方程式中不允许出现反曲。在计算机定线中，出现反曲是因为用最小二乘法拟合多项式方程时，由于曲线主要取决于测点分布，若测点分布出现流量偏小的特点或者流量偏小的测点较多，测次偏少等就会造成反曲。今后可以通过增加不同时期不同水位控制点来加以避免。

（2）水文要素监测误差主要有电功率查读数误差，上下游水位因超声波受到波浪、水质、紊流、水温等因素影响出现误差，功率因素受到不同工况叶片角度变换的效率影响产生误差等。因此，数据采集与整理中应多采用加权平均计算，把观测误差控制在最小范围内。

（3）南水北调工程实施主要为东线调水工程，现防汛排涝调度开机较少，测点在高水位偏少，在今后测验过程中，应抓住机会测流，以保证水情测报与资料整编系统的精度与完善。