砚台船闸推流率定分析

李 毅

(江苏省淮沭新河管理处，江苏 淮安 223001)

自1990年以来，淮安市水利局逐步构建了防汛水情管理平台，水库洪峰预警调度系统，GIS地理讯息平台等多项自动化监管系统。2000年后，淮安市水利局根据中央、省市地方政府颁布的水利改革发展文件的相关要求，进一步完善并构建了现代化防洪抗旱工程体系、水资源保障体系，省生态管理、水利发展保障等数据信息系统[1]。2020年以来，水利科技支撑作用显著提高，淮安市水利局针对所管理的27个生态活水口门水位流量关系曲线进行率定分析，砚台船闸作为淮安市城市防洪减灾的重要口门之一，又具有通航的功能，砚台船闸的水位流量关系曲线推流率定的监测及分析具有很好的代表作用，在此文章仅针对淮安市水利局管理下的砚台船闸进行讨论。

1 概述

砚台船闸工程位于洪泽县高良涧镇北郊，苏北灌溉总渠右堤2K+300处，其主要功能是沟通洪泽县内地与洪泽湖、总渠、运河之间的航运，通过一闸三首合用一闸室[2]，来沟通总渠、砚临河及高涧排涝河的通航(表1)。砚台船闸工程于2009年5月拆除重建，2010年11月竣工。砚台船闸通航设计标准为IV级航道，过闸船舶以500t级驳船为主。拆建后的上下闸首净宽12.0m，中闸首净宽8m，闸室宽12.0m，闸室长120m。输水方式为短廊道输水，采用对冲消能。砚台船闸共2孔，设计流量为7.20m3/s，单孔开宽1.70m，高2.12m，其底板高程为5.00m。

表1 砚台船闸特征水位表

2 水位流量关系曲线定线推流率定分析

2.1 定线概况

根据SL/T 247—2020《水文资料整编规范》[3]中有关堰闸、涵管、隧洞流量系数计算公式选用表，结合本站下游出流淹没底板高程的水力特性，采用一般堰闸的淹没孔流计算公式，来率定其淹没式孔流流态下的水位流量关系曲线[4]。

2.2 水位流量关系曲线定线推流率定

根据砚台船闸实际流量测验，进行总计10个有效流量测次，涵盖涵洞开高0.40～1.90m的多个工况。

根据多次实测流量测验成果，采用一般堰闸流量推求方法，选出关系稳定的单孔闸门开高与上下游水位差的比值e/ΔZ与淹没孔流流量系数M2进行率定。

以砚台船闸的淹没孔流流量系数M2为横坐标，单孔闸门开高与上下游水位差的比值e/ΔZ为纵坐标(表2)，点绘相关散点图，并以此散点图中的拟合节点为散点，描绘出率定符合实测资料正负偏大值均等的水位流量拟合线，即符合砚台船闸水力特性的水位流量关系曲线，如图1所示。

表2 水位流量关系曲线推流节点

图1 砚台船闸水位流量关系曲线图

根据率定的水位流量关系曲线，对最终节点进行解析评判，本涵洞水位流量关系曲线为单一平滑曲线。

根据本次砚台船闸水位流量关系曲线定线成果，该闸在淹没式孔流流态下的流量推求公式为：

(1)

式中，Q—流量，m3/s；K—开孔数，个；e—单孔开高，m；M2—淹没孔流流量系数，可根据图1中e/ΔZ由拟合线节点直线插补求得。

2.3 水位流量关系曲线最终检验

本站测点标准差为：

(2)

其随机不确定度为8.9%×2=17.8%。

式中，Vi—每个测次的流速，m/s；Vci—平均流速，m/s；n—测点个数，个。

根据SL/T 247—2020中关于堰闸水位流量关系曲线的定线精度表，砚台船闸本次率定的Se为8.9%，其随机不确定度为17.8%<18%，经判定，本次率定的关系线精度符合三类精度水文站的精度标准。

2.3.1符号检验

本次定线有效测点共计10测次(点)，统计测点偏离曲线的正、负号个数分别为4、6次[5]，计算符号为检验统计量u。

(3)

式中，k为异号个数，个，其余变量含义同上。

根据符号检验定理，其显著性水平为0.25，查表可知统计量u1-α/2为1.15，判定统计量u=0.316<1.15，认为本次定线合理，通过符号检验。

2.3.2适线检验

对砚台船闸10个实测流量测次中的下游水位进行递升次序排序，通过检验其实测点偏离曲线的正负号的排列情况进行比对解析[6]。

经统计结果，该水位流量关系曲线排序后符号变换次数为3，k<0.5(n-1)=4.5，所以需要对本次定线做适线检验，计算适线检验统计量U。

(4)

根据适线检验定理，其显著性水平α取值为0.10，查表得到统计量U1-α为1.28，判定统计量U=0.667<1.28，认为本次定线合理，通过适线检验。

2.3.3偏离数值检验

根据偏离数值计算，测点平均相对偏离值为

(5)

式中，Pi—测点值，其余变量含义同上。

(6)

计算统计量t为

(7)

取显著性水平α为0.10，即置信水平达90%的临界值，经查临界值表格插补t1-α/2=1.81。

根据偏离数值检验原理，当|t|

3 结语

本次砚台船闸水位流量关系曲线的定线率定已通过堰闸水位流量关系的三种检验，证明其定线合理，其定线精度为三类精度水文站，其测点标准差为8.9%，满足砚台船闸推流需求。

本次观测采用声学多普勒设备，它有效地展现出快捷、实时、准确的设备优点[7]，并大大减轻本次测验的工作量，显著提高整编质量和工作效率。与此同时，通过本次砚台船闸水位流量关系曲线推流率定工作，也发现了声学多普勒流速仪在使用中受左右两岸水草以及船闸来往船只影响，在比测低水部分数据时以及走航ADCP施测中存在一些难以应对的问题[8]；另外因高水涨水过程较少较短，高水部分资料获取时间周期长，获取困难度高，针对这些问题需要在后续的推流率定及资料整理工作中进一步探讨。