引黃涵閘泄流曲線(xiàn)率定技術(shù)設(shè)計(jì)

周建偉 王慶斌 張建國(guó) 張文利 李鳳軍 陳文鵬

引黃涵閘泄流曲線(xiàn)率定技術(shù)設(shè)計(jì)

周建偉 王慶斌 張建國(guó) 張文利 李鳳軍 陳文鵬

（黃河水利委員會(huì)山東水文水資源局 山東濟(jì)南 250100）

隨著黃河水資源供需矛盾的日益突出，水資源需求管理是水資源可持續(xù)利用的必由之路。水資源需求管理的主要內(nèi)容涉及水資源管理中的有關(guān)法規(guī)、管理體制、經(jīng)濟(jì)效益與調(diào)節(jié)手段、機(jī)構(gòu)能力建設(shè)以及相關(guān)的科學(xué)技術(shù)手段等。本文結(jié)合黃河水資源統(tǒng)一調(diào)度的管理要求，利用水力學(xué)的基本原理，從加強(qiáng)引黃涵閘泄流科學(xué)管理入手，探討了引黃涵閘泄流曲線(xiàn)的率定方法，為水量調(diào)度管理機(jī)構(gòu)科學(xué)、合理地監(jiān)管各引黃涵閘的泄流情況提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)于水資源的科學(xué)調(diào)度，優(yōu)化水資源的配置，確保水資源的合理利用具有重要的指導(dǎo)作用。

黃河 涵閘 泄流曲線(xiàn) 方法 研究

1 前言

黃河作為我國(guó)西北、華北地區(qū)的重要水源，以其占全國(guó)河川徑流2%的有限資源，承擔(dān)著本流域內(nèi)及下游引黃灌區(qū)占全國(guó)15%的耕地面積（2.5億畝）的灌溉任務(wù)，并且還承擔(dān)著全國(guó)12%的人口（約1.4億）、50多座大中城市及晉、陜、蒙能源基地及中原勝利油田的供水任務(wù)，同時(shí)還有向流域外的河北、天津地區(qū)遠(yuǎn)距離調(diào)水的任務(wù)。隨著黃河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)黃河水資源需求不斷增加，黃河水資源供需矛盾日益加重。

由于黃河下游河南、山東河段引黃涵閘眾多，引黃能力和年實(shí)際引水量很大。如何準(zhǔn)確監(jiān)控涵閘引水量，合理分配水資源，切實(shí)算清黃河水帳成為水調(diào)管理部門(mén)思考的問(wèn)題。但自1982年以來(lái)，由于多種原因，黃河下游各引黃涵閘的測(cè)驗(yàn)方法和手段，曲線(xiàn)的率定存在很大差別，直接影響了引黃水量的計(jì)算精度和河段水量平衡。隨著黃河下游引黃涵閘監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施，開(kāi)展黃河下游引黃涵閘流量比測(cè)及流量系數(shù)、關(guān)系曲線(xiàn)率定成為保持水資源可持續(xù)利用的必然。

2 泄流公式及其原理

2.1河道水文資料整編方法

河道水位流量關(guān)系，一般是指基本水尺斷面的水位與通過(guò)該斷面或測(cè)流斷面（距離基本水尺斷面不遠(yuǎn)，其間無(wú)支流匯入或水量分出）的流量建立關(guān)系。但由于河道的沖淤、回水的變動(dòng)、洪水的漲落、水生植物的壅堵及凌汛期冰凌的影響，都會(huì)對(duì)水位流量關(guān)系產(chǎn)生一定的影響，造成關(guān)系曲線(xiàn)發(fā)生不同程度的變化。水位流量關(guān)系曲線(xiàn)的穩(wěn)定與否，主要取決于影響流量的各水力因素是否穩(wěn)定，根據(jù)曼寧公式：

上兩式中，Q為流量（m3/s）；A為斷面面積（m2）；V為斷面平均流速（m/s）；n為河床糙率；R為水力半徑（m）；S為水面比降。

要使水位流量關(guān)系曲線(xiàn)保持穩(wěn)定，必須在測(cè)站控制良好的情況下，同一水位的斷面面積、水力半徑、河床糙率、水面比降等因素均保持不變，或者各因素雖有變化，但能集中反映在斷面面積、斷面平均流速兩因素能互相補(bǔ)償，使同一水位只有一個(gè)相應(yīng)流量，其關(guān)系就成為單一曲線(xiàn)。

對(duì)于單一的閘門(mén)來(lái)說(shuō)，在一定時(shí)期內(nèi)，其泄流渠道的各水力因素一般是穩(wěn)定的，對(duì)于泄流曲線(xiàn)的率定可以采用此方法。一般可以根據(jù)閘門(mén)的情況建立閘下（或閘上）水位～流量（面積）或閘下（或閘上）水頭～流量關(guān)系曲線(xiàn)。

2.1.1 閘下（或閘上）水位～流量（面積）關(guān)系曲線(xiàn)

各相關(guān)單一曲線(xiàn)多項(xiàng)式形式如下：

以上式中，Q為涵閘下泄流量（m3/s）；Z為閘下（或閘上）基本水尺水位（m）；A為閘下（或閘上）測(cè)流斷面過(guò)水面積（m2）。

a1、b1、c1；a2、b2、c2；a3、b3、c3：常數(shù)項(xiàng)

2.1.2 閘下（或閘上）水頭～流量關(guān)系曲線(xiàn)

單一曲線(xiàn)的公式形式：多項(xiàng)式形式：

乘冪形式：

上兩式中，Z0為涵閘閘底板高程，其他符號(hào)同2.1.1。

2.2水力學(xué)法

2.2.1 流量系數(shù)法

這種方法的原理是通過(guò)實(shí)測(cè)流量率定的流量系數(shù)，根據(jù)堰閘形式、閘門(mén)開(kāi)啟情況、流態(tài)等因素，按水力學(xué)基本公式分析獲得的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(xiàn)或關(guān)系方程式，以推算堰閘的過(guò)水流量。

根據(jù)流態(tài)的不同，各種條件下的流量計(jì)算公式形式為：

根據(jù)流態(tài)的不同，各種條件下的流量系數(shù)與相關(guān)因素的關(guān)系為：

以上式中，hu為上游水頭，單位m；hl為下游水頭，單位m；e為閘門(mén)開(kāi)啟高度，單位m；B為閘門(mén)總寬，單位m；△Z為水頭差，單位m；

M、M1、C、C1為不同流態(tài)的綜合流量系數(shù)，可由實(shí)測(cè)流量利用以上公式進(jìn)行反算。

2.2.2 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法

這種方法的原理是根據(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)系方程式或經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)而推求閘門(mén)過(guò)水流量。

根據(jù)流態(tài)的不同，各種擬合關(guān)系方程式形式為：

3 泄流曲線(xiàn)的率定方法及要求

3.1水位流量關(guān)系曲線(xiàn)法

3.1.1 閘下（上）基本水尺水位～流量關(guān)系

（1）率定方法。根據(jù)各閘的實(shí)際情況，應(yīng)用實(shí)測(cè)流量資料，點(diǎn)繪出閘下（或閘上）基本水尺斷面的水位～流量關(guān)系曲線(xiàn)和水位～面積關(guān)系曲線(xiàn)，進(jìn)而擬合出多項(xiàng)式關(guān)系方程式，以推算堰閘的過(guò)水流量。

（2）要求。應(yīng)用此方法建立關(guān)系曲線(xiàn)推流，測(cè)流斷面不應(yīng)有較大的沖淤變化，斷面位置應(yīng)有較好的代表性，流量測(cè)驗(yàn)方法正確，符合規(guī)范要求，能夠準(zhǔn)確反映出閘門(mén)的實(shí)際過(guò)水流量；基本水尺斷面水位應(yīng)與遙測(cè)水位計(jì)水位高程系統(tǒng)相一致且二者水位誤差符合水位觀測(cè)規(guī)范要求。

3.1.2 閘（上）下水頭～流量關(guān)系

（1）率定方法。由于用水位～流量關(guān)系曲線(xiàn)法擬合的關(guān)系方程式，水位是高程數(shù)據(jù)，造成公式的常數(shù)項(xiàng)明顯較大，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)易造成概念誤解，且存在著較大的誤差。因此有必要對(duì)該公式形式進(jìn)行一些必要的變形，建立閘（上）下基本水尺水位與閘底板高程之差（Z-Z0）的閘下水頭hl與流量（Q）的關(guān)系。

（2）要求。應(yīng)用閘下水頭～流量關(guān)系法擬合的函數(shù)方程式，除具有閘下（上）基本水尺水位～流量關(guān)系曲線(xiàn)法擬合函數(shù)方程式的一般要求外，閘上、閘下基本水尺水位與閘上、閘下的遙測(cè)水位計(jì)水位及閘底板高程系統(tǒng)相一致，水位觀測(cè)誤差以及與遙測(cè)水位計(jì)的對(duì)比觀測(cè)誤差符合水位觀測(cè)規(guī)范要求。

3.2水力學(xué)法

3.2.1 水流流態(tài)的分類(lèi)及判斷

有沖淤變化的測(cè)流斷面，宜用水力學(xué)法。在運(yùn)用水力學(xué)法進(jìn)行率定時(shí)，首先要進(jìn)行流態(tài)判別。黃河下游引黃涵閘下泄水流的流態(tài)一般有四種：即自由堰流、淹沒(méi)堰流、自由孔流和淹沒(méi)孔流。

（1）自由堰流條件：e＞hu，hl/ hu≤0.8；

（2）淹沒(méi)堰流條件：e＞hu，hl/ hu≥0.8；或Q=C1Bhu3/2

（3）自由孔流條件：hu＞e＞hl；

（4）淹沒(méi)孔流條件: hu＞e＜hl

以上各流態(tài)公式及符號(hào)同式（8）～式（12）3.2.2 流量系數(shù)法

（1）率定方法。用流量系數(shù)法進(jìn)行泄流曲線(xiàn)率定時(shí)，應(yīng)用閘門(mén)的實(shí)測(cè)流量資料，首先進(jìn)行流態(tài)的判別，根據(jù)不同的流態(tài)，選取相應(yīng)的公式，建立流量系數(shù)與相關(guān)因素關(guān)系的擬合方程式，然后將流量系數(shù)擬合的方程式代入相應(yīng)流態(tài)的計(jì)算公式計(jì)算流量，

（2）要求。應(yīng)用流量系數(shù)法進(jìn)行泄流曲線(xiàn)率定時(shí)，除應(yīng)具有3.1.1與3.1.2的相關(guān)要求外，流態(tài)判斷應(yīng)準(zhǔn)確，不同的流態(tài)應(yīng)選用不同的相關(guān)因素率定流量系數(shù)公式，閘門(mén)開(kāi)啟高度、寬度應(yīng)準(zhǔn)確。

3.2.3 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法

（1）率定方法。用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法進(jìn)行泄流曲線(xiàn)率定時(shí)，需要根據(jù)閘門(mén)類(lèi)型、開(kāi)啟情況、流態(tài)和實(shí)測(cè)流量資料，選取相應(yīng)的流量計(jì)算公式，建立流量與相關(guān)因素相關(guān)關(guān)系的擬合經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算流量。

（2）要求。應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法進(jìn)行泄流曲線(xiàn)率定時(shí)，除應(yīng)具有3.1.1、3.1.2和3.2.2的相關(guān)要求外，不同的流態(tài)應(yīng)選用不同的相關(guān)因素與流量建立相關(guān)關(guān)系擬合經(jīng)驗(yàn)方程式。

4 率定曲線(xiàn)的合理性檢驗(yàn)

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-1999）的有關(guān)規(guī)定，對(duì)于關(guān)系曲線(xiàn)為單一曲線(xiàn)，使用時(shí)間較長(zhǎng)的臨時(shí)曲線(xiàn)及經(jīng)單值化處理的單一線(xiàn)，且測(cè)點(diǎn)在10個(gè)以上者，應(yīng)做符號(hào)檢驗(yàn)、適線(xiàn)檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)，并應(yīng)符合下列規(guī)定。

4.1符號(hào)檢驗(yàn)

進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)分別統(tǒng)計(jì)測(cè)點(diǎn)偏離曲線(xiàn)的正、負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)（偏離值為零者，作為正、負(fù)號(hào)測(cè)點(diǎn)各半分配），按公式（21）計(jì)算統(tǒng)計(jì)量u值并將其與用給定的顯著性水平α查表1所得的u1?α/2值比較，當(dāng)計(jì)算的u

以上式中，u為統(tǒng)計(jì)量；n為測(cè)點(diǎn)總數(shù)；k為正號(hào)或負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)；p、q為正、負(fù)號(hào)概率，各為0.5。

表1 臨界值u1?α/2與u1?α/2

符號(hào)檢驗(yàn)時(shí)，α值采用0.25，臨界值按表1確定。

4.2適線(xiàn)檢驗(yàn)

進(jìn)行適線(xiàn)檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)按測(cè)點(diǎn)水位由低至高排列順序，從第二點(diǎn)開(kāi)始統(tǒng)計(jì)偏離正負(fù)符號(hào)變換，變換符號(hào)記1，否則記0。統(tǒng)計(jì)記“1”的次數(shù)，按公式（22）計(jì)算u值并與給定的顯著性水平α查表1的uα?1比較，當(dāng)u＜uα?1則認(rèn)為合理，即接受檢驗(yàn)；否則應(yīng)拒絕原架設(shè)。

以上式中，u為統(tǒng)計(jì)量；n為測(cè)點(diǎn)總數(shù)；k為變換符號(hào)次數(shù)，k<0.5(n-1)時(shí)作檢驗(yàn)，否則不作此檢驗(yàn)；p、q分別為變換、不變換符號(hào)的概率，各為0.5。

適線(xiàn)檢驗(yàn)時(shí)，α值采用0.05～0.10，臨界值按表1確定。

4.3偏離數(shù)值檢驗(yàn)

進(jìn)行偏離數(shù)值檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)按公式（23）、式（24）分別計(jì)算t值，值，并將t值與（3）取水、放空設(shè)施整治方案調(diào)整后，更便于大壩的運(yùn)行管理，同時(shí)有利于保障大壩的安全。用給定顯著性水平α查表2的t1?α/2值比較，當(dāng)|t|

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1672-2469(2014)06-0044-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.06.015

周建偉（1966—），男，高級(jí)工程師。