上海浦東水閘過閘流量和水量率定方法研究

周 全 ，吳偉華 ，楊曉斌 ，王 暉

（1.浦東新區(qū)水文水資源管理署，上海 200129；2.上海市水文總站，上海 200232）

0 前言

上海市浦東新區(qū)自20世紀(jì)60年代以來相繼在黃浦江支流上建造了張家浜、楊思、三林等大批水閘，沿長江口建造了外高橋、五號(hào)溝、三甲港、張家浜等節(jié)制閘，形成水利大包圍控制，使新區(qū)內(nèi)各河道水文要素受水閘控制。新區(qū)現(xiàn)有水閘27座，總設(shè)計(jì)最大引水量1130.5 m3/s，總設(shè)計(jì)最大排水量1691.5 m3/s[1]，受益面積為整個(gè)浦東新區(qū)。施測或推算過閘流量，對于全面了解浦東新區(qū)的來水情況及內(nèi)部水量交換很重要。目前已在新區(qū)主要區(qū)管閘門，如楊思閘、三甲港閘、張家浜東閘等閘門安置了聲學(xué)多普勒流速儀（Acoustic Doppler Current Meter，即ADCM），可以對過閘流量、閘上下水位進(jìn)行有效的自動(dòng)監(jiān)測。但大多數(shù)鎮(zhèn)管閘門，因種種原因尚未安裝ADCM流速儀，如西溝、北港等，這就需要對水閘流量進(jìn)行率定。

水閘流量、水量率定是通過容易觀測得到的水文因子（如水位、水位差、水頭等），來推算過閘流量和水量，以節(jié)約人力、物力和財(cái)力。

堰閘等水工建筑物是一種良好的量水建筑物，流量率定方法為：通過實(shí)測過閘流量來率定流量系數(shù)，再根據(jù)堰閘形式、閘門開啟情況、流態(tài)等因素，按水力學(xué)基本公式分析得到不同出流情況下的水力因素與流量系數(shù)的相關(guān)關(guān)系曲線，以推算堰閘的過閘流量。上海地區(qū)受河道感潮、地勢平坦等自然情況影響，采用傳統(tǒng)的流量率定方法，一般難以得到穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系曲線。

為此本文探討了上海浦東地區(qū)過閘流量、水量率定方法，并進(jìn)一步將水力學(xué)堰閘過流公式與水文統(tǒng)計(jì)學(xué)多元回歸方法相結(jié)合，對過閘水量做率定分析。

1 過閘流量、水量率定方法 [2]

1.1 基于水力學(xué)的堰閘公式法

受水閘開啟狀態(tài)及水閘上下游的水位等因素的影響，堰閘的出流狀態(tài)為堰流和孔流。按堰壁厚度與水頭的相對大小，將堰閘分為薄壁堰、實(shí)用堰和寬頂堰等3類。

1.1.1 堰流計(jì)算公式

（1）薄壁堰和實(shí)用堰堰流公式：

式中：Q為過閘流量；σ 為淹沒系數(shù)；ε 為側(cè)收縮系數(shù)；m為流量系數(shù)；B為溢流寬度；H0為閘上總水頭。

（2）寬頂堰堰流公式：

式中：φ 為流速系數(shù)；h 為堰頂水位；z為上游水位與堰頂水位之差。

1.1.2 孔流計(jì)算公式

（1）寬頂堰閘孔出流公式：

式中：μ1為流量系數(shù)；e為開啟度。

（2）實(shí)用堰閘孔出流公式：

式中：hs為下游水位超過堰頂?shù)母叨取?/p>

參考并選取上述堰流和孔流的出流公式，分析得到不同出流情況下的水力因素與流量系數(shù)的相關(guān)關(guān)系曲線，以推算堰閘的過閘流量。

1.2 基于堰閘公式的多元回歸法

多元回歸方法，即根據(jù)預(yù)報(bào)因子與對象的觀測數(shù)據(jù)建立起回歸方程，并據(jù)此對未來出現(xiàn)的數(shù)值進(jìn)行預(yù)估[3]。

可將過閘水量設(shè)定為預(yù)報(bào)對象。

假設(shè)操作閘門做1次排水，且排水過程流態(tài)均為實(shí)用堰孔流，將閘門開啟整個(gè)歷時(shí)劃分為一系列時(shí)段 Δ ti，再假設(shè)每個(gè)Δ ti時(shí)間內(nèi)，水力要素不發(fā)生變化，則每個(gè)Δ ti時(shí)刻通過閘門的水量約為：

式中：ΔWi為Δ ti時(shí)段的過閘水量；H內(nèi)i為i時(shí)刻閘內(nèi)水位；H外i為i時(shí)刻閘外水位。

則整個(gè)閘門開啟過程，通過的水量為：

對等式兩端同取對數(shù)，可以得到：

式(1)～(7)是以水力學(xué)物理公式為基礎(chǔ)，進(jìn)一步概化得到的，它有一定物理基礎(chǔ)，但依然包含了很多假設(shè)，如排水過程流態(tài)均為某一種流態(tài)等，故不能直接應(yīng)用。采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來降低這些不確定因素，即假設(shè)條件的影響，這里將lgW看作預(yù)報(bào)對象，和lg ΔT看作預(yù)報(bào)因子，進(jìn)一步得到以下公式：

通過多元回歸分析方法，可以得到a，b，c的取值，由此建立水量公式。

必須指出的是，可視為流態(tài)因子，如能確定整個(gè)引排水過程是以哪種流態(tài)為主，則部分可以用該流態(tài)對應(yīng)的流量公式替換，如不能確定，則通過回歸分析來確定應(yīng)采用哪個(gè)堰閘過流公式。

綜上，2種方法的區(qū)別在于，前者以水力學(xué)為基礎(chǔ)推求流量，對每個(gè)時(shí)刻流態(tài)的考慮比較充分，需要有很詳盡真實(shí)的資料（水位、流量、開啟度）作為支撐，不僅數(shù)據(jù)本身的精度非常重要，測量點(diǎn)的位置也很重要，比如水位點(diǎn)的布設(shè)位置不能靠閘門太近等等；后者將水力學(xué)方法與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合，推求水量，只考慮整個(gè)引排水過程占主導(dǎo)的流態(tài)，忽略了對每個(gè)時(shí)刻流態(tài)的區(qū)分，概化了部分不確定性因素，對資料的要求有所降低。

2 實(shí)例分析

2.1 閘門概況

三甲港水閘位于川楊河?xùn)|首，包括3孔，孔徑10 m，底坎高程 -1 m，閘門全開時(shí)最大開啟高程為5 m。該閘門以3孔壓水或脫水為常規(guī)開啟方式，即分別形成孔流和堰流。

2.2 率定分析

選取上海浦東新區(qū)2004年9月、2005年10月引清調(diào)水?dāng)?shù)據(jù)、2006年1～8月常規(guī)引水?dāng)?shù)據(jù)，即各次引水的開閘和關(guān)閘時(shí)間、閘內(nèi)外水位、流量時(shí)間序列等作為分析數(shù)據(jù)。

2.2.1 堰閘公式法率定過閘流量

根據(jù)e/H（H為閘孔水頭）將引水過程中每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的流態(tài)區(qū)分為堰流和孔流。對于堰流，嘗試采用普遍堰流公式；對于孔流，嘗試采用寬頂堰閘孔出流公式。得到的三甲港閘流量關(guān)系如圖1所示。從圖1可見，這兩種方法都無法得到比較穩(wěn)定的流量系數(shù)關(guān)系，推斷是因?yàn)殚l內(nèi)外水位點(diǎn)距離太近，無法獲得有效的水頭差。

2.2.2 基于堰閘公式的多元回歸法率定過閘水量

（1）常規(guī)調(diào)水

圖1 三甲港閘流量系數(shù)關(guān)系圖（常規(guī)調(diào)水，孔流）

忽略每個(gè)時(shí)刻流態(tài)的判定，只考慮整個(gè)引排水期間占主導(dǎo)成分的流態(tài)，通過回歸分析為2種閘門開啟方式：3孔壓水（堰流）、脫水（孔流），分別確定流態(tài)因子。在排除可疑點(diǎn)據(jù)后，整理得到的孔流樣本個(gè)數(shù)為56，堰流樣本個(gè)數(shù)為69。

對于孔流，過閘水量公式如下：

對于堰流，過閘水量公式如下：

（2）引清調(diào)水

忽略每個(gè)時(shí)刻流態(tài)的判定，只考慮整個(gè)引排水期間占主導(dǎo)成分的流態(tài)，由于缺少當(dāng)時(shí)閘門開啟方式資料，通過回歸分析確定流態(tài)因子為。整理得到的樣本個(gè)數(shù)為18。得到過閘水量公式如下：

通過基于堰閘公式的多元回歸法率定過閘水量，根據(jù)不同的流態(tài)，建立了相應(yīng)的水量公式。通過精度分析可知，偏回歸系數(shù)顯著，回歸方程效果顯著，推算水量可以達(dá)到不錯(cuò)的精度，綜合精度如表1所示。同時(shí)，以引清調(diào)水為例，計(jì)算水量與實(shí)測水量過程線擬合良好，具體對照如圖2所示。

表1 過閘水量率定綜合精度表

圖2 三甲港水閘率定過閘水量（引清調(diào)水）對比圖

3 結(jié)語

無論是基于堰閘公式法推求過閘流量，還是基于堰閘公式并結(jié)合多元回歸方法推求過閘水量，都需要遵守閘門開啟方式固定的前提。每個(gè)推流公式都只對應(yīng)1種閘門開啟度。

傳統(tǒng)的堰閘公式法推求過閘流量，對流態(tài)的考慮比較充分，需要有很詳盡的實(shí)測資料作為支撐，推流精度不僅依賴于數(shù)據(jù)本身的精度，而且與閘內(nèi)外水位的位置也有很大關(guān)系，故該方法在上海這樣的平原感潮河網(wǎng)地區(qū)操作難度較大，不易得到有效的結(jié)果；基于堰閘公式并結(jié)合多元回歸方法推求過閘水量，只考慮整個(gè)引排水過程占主導(dǎo)的流態(tài)，基本忽略對每個(gè)時(shí)刻流態(tài)的區(qū)分，對資料的要求有所降低，該方法對于推算水量更為實(shí)用。

2009年，浦東迎來新的發(fā)展機(jī)遇，水資源作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展、民生安定的重要支撐，其意義不言而喻。而新區(qū)進(jìn)出水量數(shù)據(jù)，又是合理利用、保護(hù)水資源的基礎(chǔ)信息。水文信息化的發(fā)展推動(dòng)了在線監(jiān)測站點(diǎn)不斷建設(shè)，但與之對應(yīng)的是自動(dòng)監(jiān)測儀器的購買成本及維護(hù)成本的攀升。利用堰閘等水工建筑物，通過施測較易獲得的水文要素（如開關(guān)閘時(shí)間，閘內(nèi)、外水位，閘門開啟度等），推算不易得到的水文要素，可以降低硬件成本，作為水文信息化建設(shè)有益的補(bǔ)充。

[1]浦東新區(qū)水資源普查聯(lián)席會(huì)議辦公室.浦東新區(qū)水資源普查成果報(bào)告[R].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2002，4.

[2]河海大學(xué).水力學(xué)[M].南京：河海大學(xué)出版社，1995，12.

[3]河海大學(xué).中長期水文預(yù)報(bào)[M].南京：河海大學(xué)出版社，1997，8.