運用Matlab擬合方法分析閘門的水位流量關系

劉述伊

( 黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080)

0 引 言

在水文學的防汛、防洪中，對于下游的來說，上游所監(jiān)測的水位和流量數(shù)據(jù)通常是下游地區(qū)進行泄洪、除險、調(diào)度、分流等決策的重要依據(jù)。因此對于水資源的流量測量有著重大的意義。常見的流量測量有流量計測流法、流速面積法等。

1 過閘水流的流態(tài)分類

過閘水流的流態(tài)有堰流和孔流兩種，視泄流時閘門底緣是否與水流表面接觸而判定。當閘門底緣在水面以下，對泄水起控制作用時，稱為孔流; 當閘門底緣脫離水流，對泄水不起控制作用時，稱為堰流。判定堰流與孔流的分界點至關重要，它與堰頂形式、閘門類型、上下游水位條件以及閘門相對開度等因素有關。

以閘門常用的低坎寬頂堰為例: 當e/H ＞0.65時，為閘孔出流;當e/H ＞0.65，為堰流( e 為閘門開度; H 為閘前水位) 。

2 閘孔出流的流量計算

實際工程中的閘門大多為寬頂堰或曲線型實用堰，閘門型式則主要有平板閘門及弧形閘門。當閘門部分開啟，出閘水流受到閘門的控制為閘孔出流。以平板閘門寬頂堰型閘孔自由出 流為例，流過閘孔的流量計算公式為:

式中: m 為閘孔出流的流量系數(shù); b 為閘門寬度; e 為閘門開度; H0為閘孔全水頭。

2.1 流量系數(shù)的擬合

寬頂堰的進口主要有圓角和平角進口。本文中以孔流圓角進口寬頂堰閘門為例( 當，r/H ≥0.2，r為進口圓弧半徑) 。由上式可知，影響流量的主要因素是流量系數(shù)，根據(jù)別列津斯基經(jīng)驗公式，圓角進口寬頂堰的流量系數(shù)m 為:

式中: p 為堰高; H 為閘前水位。

我們每隔0.1 的間距取p/H 計算得到流量系數(shù)m 的值，見表1。做出散點圖見圖1，由散點圖得出擬合曲線為:

表1 流量系數(shù)m 的計算值

圖1 散點圖

2.2 淹沒系數(shù)的擬合

當堰流下游水位較高，水流由急流變?yōu)榫徚鳌Ｏ掠胃蓴_波向上游傳播，稱為淹沒式溢流:

式中: σ 為淹沒系數(shù); b 為閘門寬度; e 為閘門開度;H 為閘前水深。

淹沒系數(shù)與閘門兩側水位差值以及堰前水位的高度比有關，見表2。表格所列出的是根據(jù)試驗所得的離散的流量淹沒系數(shù):

表2 離散的流量淹沒系數(shù)

2.3 流量的計算

至此，由閘門的上下游水位( H，h) 、閘門開度( e) 、堰頂高程( p) 和堰寬( b) ，通過公式編寫程序，可實時求得流過閘門的瞬時流量大小。實測流量與計算流量對比見表3。

表3 過閘實測流量與計算流量對比表

3 結 論

通過對水位流量參數(shù)的擬合，可實時監(jiān)控閘門的流量，實時快速地計算出流量瞬時值，從而可以針對不同的情況有效地控制閘門的開度。但是計算流量的過程中也存在一定的誤差: ①閘前水位特別是洪水、大水時候的變化頻率非常快，如果不能實時高精度地測量水位，那么流量測量就會有很大的誤差，因此必須保證閘前水位測量的高精度和實時性; ②數(shù)學模型與實際的流量變化模型還不能完全吻合，擬合的與實際的也有一定差值，但是相對于手繪和人工做圖，已經(jīng)精確了很多。

［1］江蘇省水利勘測設計研究院.SL265—2001 水閘設計規(guī)范［S］. 北京:中國水利水電出版社，2001.