感潮水閘引水量計算方法研究

萬曉凌，陸小明，周 毅，戈禮賓，仲兆林

（江蘇省水文水資源勘測局，南京 210029）

感潮水閘引水量計算方法研究

萬曉凌，陸小明，周 毅，戈禮賓，仲兆林

（江蘇省水文水資源勘測局，南京 210029）

感潮水閘引水量計算基本采用一潮推流法，但一潮推流法工作量很大，并不適合所有情形的水閘，特別是對于閘門變動較大的水閘，每年需重新校測，測驗任務(wù)繁重，目前還沒有較好的解決方法。以定波閘為例，研究了引水量計算的一種新方法，以水力學(xué)公式為基礎(chǔ)，分析水位差流量關(guān)系，結(jié)果表明精度完全達到規(guī)范要求。為沿江水閘的引水量統(tǒng)計提供了一個比較精確的簡易可行的方法，為精確掌握沿江引水量，實行最嚴格水資源管理制度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

感潮；引水量；流量；方法；研究

江蘇沿江口門有1 000多處，隨著南水北調(diào)東線、引江濟太等水利工程的運行，江蘇長江沿岸通江河道工情變化很大，目前引江水量的計算與實際引江水量出入較大，已與當(dāng)前的工情和經(jīng)濟社會情況不相適應(yīng)，分析新時期引江水量的計算方法已迫在眉睫。有水文站的或有水位資料的感潮河道，基本采用一潮推流法，但一潮推流法每年引水需測20個潮次，一般一個潮次要測5 h左右，最長可達8～9 h，其工作量很大，測驗任務(wù)繁重，特別對沿江中小閘一般難以做到全潮次引排，全潮測量較為困難，有效測驗次數(shù)較少。另一方面，受到閘門開啟高度和潮汐漲落影響，每年一潮推流法定線時點據(jù)分布很不均勻，而且每年水位差流量關(guān)系、參數(shù)都大不相同，因此很有必要研究穩(wěn)定的適合感潮河道的定線推流方法［1］。

1 影響因素分析

感潮河道的水位流量變化是受海洋潮汐的頂托影響。受天體引力特別是月球引力的作用，潮汐運動具有周期性，在江蘇感潮河段的潮汐和潮流一般屬于非正規(guī)的半日周期潮，在1個天文日內(nèi)，有2次漲落過程，漲潮流歷時短于落潮流歷時，漲潮流與落潮流的最大流速出現(xiàn)在相應(yīng)的高潮和低潮前，漲落潮轉(zhuǎn)換之間有一段憩流期。

因此，從感潮河道的水流特性來說，引水流量決定于以下因素。①潮汐的強弱：漲潮流（引水）或落潮流（排水）的潮流強度；②堰閘的調(diào)節(jié)控制：節(jié)制閘門的開啟情況（如孔數(shù)、高度、頻度）；③開閘水位：主要反映內(nèi)河水位的頂托作用；④暴雨：內(nèi)河水網(wǎng)區(qū)受暴雨或洪水的影響；⑤下墊面：感潮河道自身的下墊面因素。

在保證精度的前提下，考慮內(nèi)業(yè)、外業(yè)適當(dāng)簡化工作，并易于收集資料的情況下，分析水位差與流量關(guān)系。采用水力學(xué)模型與相關(guān)分析相結(jié)合的方法進行研究，找到流量與閘門上下游水位差、閘門開啟度等因子的關(guān)系。在理論分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)實測數(shù)據(jù)，進行定線分析，得出新的簡便易行的流量推算方法［2］。

2 水位差流量關(guān)系

以定波閘為例分析新方法，定波閘位于錫澄運河與長江交接處，用來調(diào)節(jié)長江和運河水位。1970年時進行了全面的改造，扭直并且加寬了河道，重建了新閘，現(xiàn)有4孔，設(shè)計流量為240 m3／s，閘門結(jié)構(gòu)為平面鋼閘門，卷揚式啟閉方式，定波閘對無錫北片區(qū)域的灌溉、排澇、通航、防洪等發(fā)揮著重要作用。

定波閘常出現(xiàn)的流態(tài)是淹沒式孔流，根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL247—1999），淹沒式孔流選用的計算公式為

式中：Q為過閘引水流量（m3／s）；M2為淹沒式孔流流量系數(shù)；B為閘孔總寬或開啟凈寬（m）；e為閘門開啟高度（m）；ΔZ上下游水位差（m）。

關(guān)系方程式根據(jù)不同流態(tài)以水力學(xué)公式為基礎(chǔ)用回歸分析法擬合相應(yīng)的關(guān)系方程式，采用水位差與流量建立關(guān)系。1個漲潮期從平潮開始引水至漲潮憩流止，期間每0．5 h測流1次，統(tǒng)計平潮時開閘水位作為穩(wěn)定水位Z開，開始時間T1，該漲潮過程高潮水位Z高，關(guān)閘時間T2，水位差ΔZ＝Z高－Z開，一潮歷時T＝T2－T1，用實測的各次流量面積包圍法計算得一潮引水量W，一潮平均流量Q＝W／T。

引水的水位流量關(guān)系式為

式中：K為系數(shù)；α和β為指數(shù)。

采用水位差關(guān)系法，其優(yōu)點如下：①建立ΔZV（平均流速）關(guān)系，當(dāng)ΔZ＝0時，V（平均流速）＝0，容易定型；②關(guān)系點不散亂，線型走向明顯；③因受潮汐影響，潮水位變化較大，會發(fā)生流態(tài)變化，但都反映在△Z的變化上，具有相應(yīng)性，因此，可以不分流態(tài)一并定線，減少工作量；④相關(guān)因素簡單，便于推流整理與極值挑選；⑤同一類閘型的關(guān)系線其線型基本相同，可以綜合分析，對不能滿足定線要求的站可以參考分析確定關(guān)系線的外延。

對于單孔小閘，堰閘有統(tǒng)一的開啟寬度，公式（2）可簡化為

如閘門開啟高度每次基本不變，可進一步簡化為

實際率定時，也可分步：

（1）求得平均流速，公式為

（2）推求流量

式中：V為堰閘過水平均流速（m／s）。

3 定線分析

以定波閘的2010年的實測資料率定水位差流量關(guān)系為例，如果簡單的直接分析水位差與流量可發(fā)現(xiàn)點據(jù)雜亂、無規(guī)律可循，通過多次調(diào)試，以水位差與閘門開高作為相關(guān)因子來率定關(guān)系。

人工不斷調(diào)整指數(shù)α，β，以達到相關(guān)系數(shù)較大、點與關(guān)系線偏離較小，經(jīng)反復(fù)調(diào)整，指數(shù)α取3．82，β取0．20時關(guān)系較好，水位差流量關(guān)系定線分析計算如表1。通過計算，定波閘引水平均流量計算公式為

定波閘站引水平均流量定線見圖1?？芍緹o系統(tǒng)偏差，只有一個點相對誤差與關(guān)系線偏離超過10%，50%以上的點相對誤差偏離不超5%。

對引水而言，在實際工作中我們更關(guān)注引水總量，20測次的實際引水總量為2 528×104m3，計算的引水總量為2 538×104m3，誤差僅為0．4%（見表2）。

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL247—1999）的要求，穩(wěn)定的水位流量關(guān)系必須通過3項檢驗，即：符號檢驗、適線檢驗和偏離數(shù)值檢驗，具體計算見表3至表6。

表1 水位差流量關(guān)系法定線分析Table 1 A lignment analysis of waterhead-flow relation

表2 水位差流量關(guān)系法引水總量誤差分析Table 2 Relative errors of total diversion amount calculated by waterhead flow method

表3 定波閘關(guān)系線3項檢驗計算Table 3 Calculation for sign test，curve-fitting test，and deviation value test of the relationship line for Dingbo sluice

表4 定波閘關(guān)系線符號檢驗Table 4 Results of sign test of the relationship line for Dingbo sluice

圖1 定波閘站引水平均流量定線圖Fig．1 Alignment diagram of average diverted flow at Dingbo sluice

經(jīng)檢驗所定關(guān)系線合理，通過了3項檢驗，符合規(guī)范定線要求；整個曲線上、中、下點據(jù)分布均勻，無系統(tǒng)偏差，避免了一潮推流法定線時呈現(xiàn)底部點據(jù)密集、上部點據(jù)稀少的現(xiàn)象；用水位差作相關(guān)，不受閘門變化的影響，避免了因閘門開高觀測誤差帶來的系統(tǒng)偏差。當(dāng)然這是定波閘的水位差流量關(guān)系，目前的研究成果未必適合所有其它閘，還需要根據(jù)流態(tài)、工情、下墊面等因素，經(jīng)多次摸索、計算與分析來確定是否適用，定線時特別要有高、中、低水位差的各種測點，來驗證水位差流量關(guān)系曲線［3－4］。

表5 定波閘關(guān)系線適線檢驗Table 5 Results of curve-fitting test on the relationship line for Dingbo sluice

表6 定波閘關(guān)系線偏離數(shù)值檢驗Table 6 Results of deviation value test of the relationship line for Dingbo sluice

4 結(jié) 論

閘門開啟開度在引水過程中隨閘內(nèi)外水位差的變化，要按設(shè)計的調(diào)度方案人為進行動態(tài)調(diào)節(jié)，一潮推流法難以適應(yīng)水閘的具體調(diào)度情況。水位差關(guān)系法考慮了閘門的變化情況，反映了實際調(diào)度情況，同時，水位差流量關(guān)系以水力學(xué)公式為基礎(chǔ)，進行相關(guān)分析，提高了平均流量的計算精度。很多小型閘無高程引測，不少使用的是凍結(jié)基面，水位差關(guān)系法沒有使用絕對水位作為參數(shù)，使用了水位差，在實際使用中提高了可操作性。一潮推流法因閘的變化，每年關(guān)系需重新率定，至少需要20次潮次的資料。水位差流量關(guān)系可將多年數(shù)據(jù)一起定線，比一潮推流法更加簡化方便，從而可大大降低了野外的工作量，簡化了繁重的測驗任務(wù)。水位差關(guān)系法是方便可行且精度較高的一種方法。

［1］ 仲兆林．常州沿江感潮河道水文站水位流量關(guān)系綜合定線分析［J］．廣東水電，2009，（11）：33－35．（ZHONG Zhao-lin．Comprehensive Alignment Analysis on the Stage-Discharge Relation at Hydrological Station in Tided Channel along the River in Changzhou［J］．GuangdongWater Resources and Hydropower，2009，（11）：33－35．（in Chinese））

［2］ 吳門伍，陳 立，周家俞．大和水閘過閘流量分析［J］．武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2003，36（5）：52－54．（WU Men-wu，CHEN Li，ZHOU Jia-yu．Analysis of Water Discharge Through Dahe Sluice［J］．Engineering Journal ofWuhan University，2003，36（5）：52－54．（in Chinese））

［3］ 聞余華，董家根，宋 玉．江蘇省江水東調(diào)工程引江能力分析［J］．江蘇水利，2002，（2）：43－45．（WEN Yuhua，DONG Jia-gen，SONG Yu．Diversion Capacity of Water Diversion Towards the East in Jiangsu Province［J］．Jiangsu Water Resources，2002，（2）：43－45．（in Chinese））

［4］ 李旭東．阜陽閘水文站淺孔水位流量關(guān)系分析［J］．安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2010，10（4）：61－63．（LIXu-dong．On the Analysis of the Relationship Between Water-Level and Flow of Fuyang Hydrologic Station［J］．Journal of Anhui Technical College of Water Resources and Hydroelectric Power，2010，10（4）：61－63．（in Chinese） ）

（編輯：趙衛(wèi)兵）

M ethod of Calculating W ater Diversion Amount of Tidal Sluice

WAN Xiao-ling，LU Xiao-ming，ZHOU Yi，GE Li-bin，ZHONG Zhao-lin
（Hydrology and Water Resources Investigation Bureau，Jiangsu Province，Nanjing 210029，China）

Themethod of discharge computation for a single tide is generally adopted in the calculation ofwater diversion amount for tidal sluice．But themethod requires long time and large work load．Especially for sluiceswith changing gates，themeasurement and calibration are burdensome．With Dingbo sluice in Wuxi City as a research case，the authors proposed a novelmethod of calculating the water diversion amount which is based on hydraulic formula to analyze the waterhead-flow relation．Result shows that the calculation accuracy meets the specification requirements．Themethod is convenient，feasible，and accurate for the statistics ofwater diversion along the river，and could provide data for themost stringentwater resourcemanagement regime．

tidal；water diversion amount；flow；method；research

TV732

A

1001－5485（2013）04－0017－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．04．004

2013，30（04）：17－20

2012－03－30；

2012－05－07

萬曉凌（1970－），男，江蘇興化人，高級工程師，主要從事水文水資源及水文信息化分析研究工作，（電話）13814058381（電子信箱）185688355＠qq．com。