江西营水文站平坦V型堰流量计算分析

刘明军

（汉中水文水资源勘测中心,陕西 汉中 723000）

1 概况

1.1 测站概况及洪水特征

江西营水文站始建于1960年5月,位于陕西省汉中市南郑区红庙镇五龙村。所在河流为汉江上游水系二级支流喜神坝河,集水面积84.3 km2,距河口距离52.1 km。喜神坝河发源于巴山北麓牛脑壳梁。流域形状大致为扇形,具有源短、河小、产流快特点,是典型的山溪性河流。洪水主要由降雨产生的地表径流形成,陡涨陡落,涨落率较大,多呈峰高量小的单式洪峰。

1.2 测验河段及断面情况

断面以下有红寺坝水库一座。断面位于红寺坝水库回水线以上700 m处,测验河段比较顺直,两岸均为变质岩。2015年南郑区对该站断面处两岸河堤进行了整修,毛石浆砌,纵向长度100 m。2021年3月～6月汉中水文中心对该站断面进一步整修,并进行平坦V型堰的建设。断面上下各11 m进行岸坡缩窄。混凝土灌注。河床平底用钢筋铺就,混凝土硬化,堰体呈V型堰,堰高0.53 m,堰底为平底,距堰最低处高度0.54 m,堰宽21.6 m,堰上部分呈梯形,梯形护坡与V型堰中间有一小段为90°陡坡,其余为梯形,坡比为60°。江西营站平坦V型堰见图1。

图1 江西营站平坦V型堰截面图

2 江西营站平坦V型堰流量计算公式解析

2.1 江西营站平坦V型堰流量计算公式

江西营站平坦V型堰下半部分为矩形,上半部分为梯形,按建设设计部门给定的流量计算公式计算。

①矩形平坦V型堰流量计算公式为：

②梯形槽中平坦V型堰流量计算公式为：

式中：Q为流量,m3/s；CD为有效流量系数,无量纲；CV为流速行近系数,无量纲；CS为形状系数,无量纲；Cf为淹没系数,无量纲；m为堰的边坡系数,无量纲；g为重力加速度,m/s2；h为实测上游水头,m。

从公式中可以看出,流量主要随水头变化而变化,水头越高流量越大,成正比例关系。公式（1）流量系数中流速行近系数CV起主要作用。公式（2）流量系数中无流速行近系数,淹没系数Cf和形状系数CS起主要作用。

2.2 江西营站平坦V型堰流量计算各系数及因数的确定

CD,有效流量系数。按设计部门给定的流量系数表对应江西营站堰的横向坡度为1/20时对应的自由出流的有效流量系数CD取值为0.620,应用范围水头在0.53以下至0.20以上之间使用,梯形槽中平坦V型堰流量系数CD在流量系数表中选取0.615。应用范围水头在0.54～2.03之间应用。

m,堰的边坡比。江西营站平坦V型堰,堰高0.53 m,堰宽21.6 m,边坡比为20.377。

h,实测上游水头（水位）。江西营站2021年6月13日平坦V型堰建成后,基本水尺设在堰体行进槽上端,水位观测完整。V型堰口处设有一组水尺。V型堰最低处高程94.91 m。水头=水位-94.91 m。

CV、CS、Cf流速行近系数,形状系数,淹没系数的确定方法,按照设计部门给定的公式：

式中：hpe为下游有效水头,m；He为上游有效水头,m；Kb为水头修正值,m。

2.3 江西营站平坦V型堰流量计算公式简化

对于江西营站平坦V型堰和梯形槽中平坦V型堰流量计算公式中CV、CS、Cf的确定都与水头涨落有关,都随水头变化而变化,都是水头h的函数。计算比较麻烦,确定比较困难。利用实测流量资料,套用公式（1）和（2）可以求出CV·CS·Cf的综合系数K综,然后点绘h～K综散点图,按h～K综散点图定出h～K综综合线。为此江西营站平坦V型堰公式（1）变成Q=0.8·0.620·K综··20.377·h5/2

江西营站平坦V型堰低水流量计算公式（1）可简化为：

式中：K综由h～K综图曲线查得, h=水位-94.91m。

公式（7）应用范围（单指江西营站）水位95.13 m～95.44 m,水头0.22 m～0.53 m,计算流量范围0.616 m3/s～6.75 m3/s之间。

公式（2）变成Q=0.8·0.615·K综··20.377·h5/2

江西营站平坦V型堰中低水流量计算公式（2)可简化为：

式中：K综由h～K综图曲线查得, h=水位-94.91 m。

公式（8）应用范围（单指江西营站）水位95.45 m～98.10 m,水头0.473 m～3.19 m,计算流量范围6.97 m3/s～388 m3/s之间。

3 综合系数K综的分析计算

3.1 资料的选取

3.1.1 资料选取

从江西营站平坦V型堰流量计算简化式（7）、式（8）中可以看出综合系数K综的确定主要是由两个关键因素决定的,一是水头（即水位）要观测准确无误。二是要实测流量真实可靠,精度要高。为此这次江西营站平坦V型堰综合系数K综选取的流量实测资料是江西营站2021年6月13日量水堰建成后至2022年10月,共163份实测资料。

3.1.2 资料可靠性分析

江西营站自2021年6月13日量水堰建成后至2022年10月,在基本断面用缆道施测的中低水流量126份,在基下65 m临时测流断面施测枯水流量37份,经过2021年资料在站整编和汉中勘测中心的资料整编会审,2022年1月～10月资料经汉中监测中心资料日清月结,反复校算,资料详实可靠,计算正确无误,精度得到保证,数据准确可靠。

3.1.3 资料一致性分析

江西营站平坦V型堰综合系数K综计算采用的163份实测流量资料中,不论是在基本断面施测的,还是在基下65 m临时枯水流量断面施测的,两断面相距较近,之间没有客水加入或流出,更没有人为活动干扰影响,因此流量资料系列具有良好一致性。

3.1.4 资料代表性分析

江西营站2021年6月13日～2022年10月初所实测的这163份实测流量资料,实测最高水位98.10 m,实测最大流量388 m3/s（比降面积法）,实测最低水位95.12 m,实测最小流量为0.473 m3/s,能够反映该站年内流量变化的整体水平。洪峰过程测验完整,测点布设合理,出现洪峰流量388 m3/s,近似该站三十年一遇洪水频率,所以具有一定的代表性。

3.2 h～K综关系线的绘制

根据163份实测流量带入式（7）、式（8）倒推综合系数K综,并绘制水头h～K综关系图,见图2。

图2 江西营站平坦V型堰流量计算h～k综关系图

3.3 综合系数k综的合理性分析

本次计算江西营站平坦V型堰流量综合系数K综计算所采用的163份实测流量资料详实可靠,采用公式正确。所求出的K综在0.745～1.194和1.192～0.681之间。从h～K综关系曲线看水头在0.20 m～0.37 m之间,K综是随水头增加而增加。此间综合系数中起决定作用的是流速行近系数。水头在0.38 m～0.53 m时,综合系数K综的变化是随水头增加而减少。造成流量综合系数发生转折的主要原因是岸边翼墙使过堰水流发生侧向收缩,水流集中向堰口方向涌入,减小了有效的溢流宽度,增大了水流阻力和水头损失,降低了堰的过水能力,故而流量综合系数发生了转折。在水头0.53 m以上时,边坡梯形墙又起了作用,过堰水流侧向收缩的能力随水头增高而增加,故流量综合系数随水头增加而减小。相比较水位流量单值化它有许多优点,一是反映了量水堰的科学性、严密性和适用性,更反映了V型堰的数理特征。二是在一定范围内保证了计算流量的精度,特别是对枯低水流量的测量具有很好的灵敏性。三是可以移植到相似类量水堰的站作为获取流量的一种方法。

3.4 误差分析

1）江西营站平坦V型堰流量综合系数k综用实测资料套用式（7）和式（8）反推出来后,点绘h～K综散点图,沿点群中心定出h～K综关系线（见图2）（与水力学中求糙率具有相同道理）。经检验标准差为3.9%,系统误差-0.2%,小于《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）第8页表。

2）通过实测流量和率定流量成果进行检验,标准差为3.6%,系统误差-0.2%,小于《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）第7页表一中三类精度水文站水力因素法定线,系统误差小于±3%,随机不确定度小于15%的规定,符合规范要求。

3）流量实测值与计算值进行比较,见图3。

图3 江西营站平坦V型堰公式法推求流量关系式

4）为了进一步验证江西营站V型堰流量计算综合系数关系曲线及水位流量关系曲线合理性,将与单值化同水位对应的流量点绘水位流量关系图,结果大部分处于重叠,二者最大误差2.3%～3.3%,满足整编规范要求。江西营站水位流量单值化关系线与V型堰公式法流量线对比见图4。

图4 江西营站水位流量单值化关系线与V型堰公式法流量线对比图

4 结论及建议

4.1 结论

（1）江西营站平坦V型堰流量计算采用的公式是设计部门给定的,也和《水文测验实用手册》介绍的量水堰计算公式吻合,且《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）把水工建筑物流量测验作为一种水文测验手段做了相应规定。流量综合系数K综的计算值范围符合设计部门给出的各图表中的取值范围,且使用的实测资料详实可靠,精度满足规范要求。适用范围水位95.12 m～98.10 m,流量0.488 m3/s～388 m3/s。

（2）流量测验对于该站来说工作量大,工作强度大,站内职工少,若能在保证精度的条件下,简化测验方式,利用量水堰直接获取各水位级下的流量资料,或使用水位流量单值化推求流量,对于该站实现巡测,驻巡结合无疑是一种水文现代化的标志。

（3）根据江西营站平坦V型堰建设的最大过水能力即水位在98.33 m时参照这次流量综合系数K综线的高水延长,可以计算出V型堰最大过水能力为450 m3/s,达30年一遇洪水以上。

4.2 建议

若使用平坦V型堰综合系数计算流量时,在水位超过98.10 m时（流量388 m3/s）恢复流量测验。