基于流態(tài)辨識(shí)的弧形閘門過流計(jì)算

郭永鑫，汪易森，郭新蕾，胡 瑋，朱 銳

（1．中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100038；2.國務(wù)院南水北調(diào)工程建設(shè)委員會(huì)專家委員會(huì)，北京 100038；3.南水北調(diào)工程建設(shè)監(jiān)管中心，北京 100038）

1 研究背景

弧形閘門具有重量輕、啟門力小、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性好、操作和維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水利工程中，作為控制渠道水位和流量的節(jié)制建筑物。過閘流量的精確計(jì)算是實(shí)現(xiàn)閘門自動(dòng)控制、調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)仿真和保障工程適時(shí)、適量供水的前提條件。

目前，工程常用的過閘流量計(jì)算模型可歸納為兩種：經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模型和量綱分析模型。

（1）經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模型。該模型是現(xiàn)有工程設(shè)計(jì)中的常用模型，其流量計(jì)算公式可寫為：

式中：Q為過閘流量；μ為流量系數(shù)；e為閘門開度；b為閘孔過流寬度；g為重力加速度；H為包含行近流速水頭的閘前斷面總水頭，實(shí)際應(yīng)用中行進(jìn)流速水頭較小，通常以上游水深h1直接代替H。

依據(jù)閘孔出流的不同流態(tài)：自由孔流或淹沒孔流，流量系數(shù)μ采用不同的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。

設(shè)平底板弧形閘門自由孔流的流量系數(shù)為μ0，其經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式有：

武漢大學(xué)公式[1-2］：

式中θ為弧門開啟角，公式適用范圍：25°＜θ≤90°，0＜e/H＜0.65。

清華大學(xué)公式[3］：

公式適用范圍：15°＜θ≤90°，0＜e/H＜0.70。

Henry公式[4］：

式中ε為過閘水流的垂向收縮系數(shù)。

設(shè)弧形閘門淹沒孔流的流量系數(shù)為μs，其精確取值一直是水力計(jì)算中的難點(diǎn)。國內(nèi)主要采用在自由孔流流量系數(shù)μ0的基礎(chǔ)上考慮淹沒系數(shù)σ的影響，即μs=σμ0。淹沒系數(shù)σ的計(jì)算通常采用南京水科院提出的淹沒系數(shù)σ與潛流比Xr的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[5］，采用多項(xiàng)式擬合為

式中：Xr為潛流比，定義為Xr=（h3-h″c）/（h1-h″c）；h1為上游水深；h3為下游水深；h″c為相應(yīng)于收縮斷面水深的躍后共軛水深。國外通常采用查圖法直接獲得淹沒孔流的流量系數(shù)，如美國墾務(wù)局的Buyalski[6］在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，給出流量系數(shù)μs與h1/P和h3/P（P為門軸高度）的關(guān)系曲線簇。

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模型能夠較好地計(jì)算閘孔自由出流，但對(duì)于弧形閘門淹沒出流，由于受閘門型式、渠道結(jié)構(gòu)布置、上下游水流條件等因素的影響，尚沒有普遍、可靠、通用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。南京水科院給出的淹沒系數(shù)σ和潛流比Xr的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系是一種較為簡(jiǎn)潔的方法，但實(shí)踐應(yīng)用表明，Xr＞0.8時(shí)的計(jì)算精度較差[7］。查圖法是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模型的另一種表現(xiàn)形式，該方法獲得的流量系數(shù)μs易受人為因素干擾，精度較差，尤其是上下游水位差較小，且收縮斷面的弗勞德數(shù)Fr＜1時(shí)，流量系數(shù)的讀取誤差較大[8］。

（2）量綱分析模型。該模型是一種新的過閘流量計(jì)算方法。Ferro[9］基于量綱分析的П定理最先提出了平板閘門閘孔出流的無量綱關(guān)系式。Shahrokhnia和Javan[10］基于量綱分析的П定理和不完全自相似理論（ISS-Incomplete Self Similarity Concept），給出弧形閘門自由和淹沒孔流條件下的無量綱關(guān)系式：

自由出流：

淹沒出流：

式中：hk為矩形渠道的臨界水深，hk=（q2/g）1/3；q為閘孔單寬流量；a0、b1為待定系數(shù)，采用Buyals?ki的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得，自由出流a0=0.88，b1=0.40，淹沒出流a0=1.14，b1=0.33。Bijankhan[11］引入能夠唯一表征淹沒出流流態(tài)特征的躍后共軛水深h″c，提出新的弧形閘門淹沒出流的無量綱水位-流量關(guān)系式

式中：a0、b1、b2、λ為待定系數(shù)，對(duì)于不同的閘門，系數(shù)取值不同，需根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行率定。

量綱分析模型的結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，計(jì)算便捷，但對(duì)于不同的閘門其待定系數(shù)值不同，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)重新率定，在工程設(shè)計(jì)階段不易使用；且現(xiàn)有模型的考慮因素不全面，如弧形閘門自由出流的無量綱關(guān)系式（6）僅包含閘門的相對(duì)開度，而沒有考慮閘門開啟角θ的影響。

此外，現(xiàn)有過閘流量計(jì)算模型在工程應(yīng)用中還存在以下問題：

（1）采用固定不變的相對(duì)開度e/H值判別“孔流”和“堰流”，沒有能夠考慮閘門型式、上下游水流邊界等對(duì)過閘水流的影響。侯冬梅等[12］試驗(yàn)研究和理論分析認(rèn)為，以固定值e/H=0.65作為孔堰流變換分界值僅適用于閘孔自由出流狀態(tài)，當(dāng)e/H＞0.65而弧門未脫離水面時(shí)，傳統(tǒng)堰閘經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的流量與實(shí)測(cè)值偏差較大。杜嶼等[13］分析現(xiàn)場(chǎng)率定和模型試驗(yàn)資料指出，孔堰流變換分界（e/H）值與堰型、閘門型式、上下游水頭、流量系數(shù)等多種水力因素有關(guān)，并不是一個(gè)固定值。袁新明[14］結(jié)合工程實(shí)際分析指出，堰閘出流的淹沒界限不僅受相對(duì)開度e/H的影響，而且上下游水位對(duì)其有重要的影響，對(duì)于上下游水位差很小的水閘，在e/H＞0.65時(shí)，只要下游水深超過閘門開度一定值也會(huì)出現(xiàn)閘孔淹沒出流。

（2）對(duì)閘孔淹沒出流的流態(tài)缺乏進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和劃分。黃國兵等[15］試驗(yàn)研究指出，淹沒系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式（5）的適用范圍為：1.7＜Fr＜9，其中Fr為孔流收縮斷面的弗勞德數(shù)，當(dāng)節(jié)制閘相對(duì)開度e/H較大時(shí)收縮斷面Fr數(shù)接近于1，此時(shí)采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模型計(jì)算的流量與實(shí)測(cè)值有較大偏差。袁新明[16］考慮收縮斷面Fr數(shù)，理論分析給出了平底板平板閘門不同流態(tài)下淹沒出流的判別條件。邱靜[17］依據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，采用淹沒度h3/e（下游水深h3與閘門開度e的比值）作為判別條件，對(duì)寬頂堰平板閘門閘孔出流的流態(tài)進(jìn)行劃分：當(dāng)1＜h3/e≤5.1時(shí)，為不完全淹沒出流，淹沒出流的流量系數(shù)為淹沒度h3/e的函數(shù)；當(dāng)5.1＜h3/e時(shí)，為完全淹沒出流，流量系數(shù)為一常數(shù)。美國陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的水力計(jì)算軟件HEC-RAS中依據(jù)下游水深h3和上游水深h1的比值將過閘水流粗略劃分為：自由孔流（h3/h1≤0.67），部分淹沒孔流（0.67＜h3/h1＜0.8）和完全淹沒孔流（h3/h1≥0.8）[18］。

本研究在實(shí)例分析現(xiàn)有過閘流量計(jì)算模型誤差的基礎(chǔ)上，基于過閘水流的消能機(jī)理給出閘孔淹沒出流的流態(tài)辨識(shí)參數(shù)和方法，進(jìn)一步分析不同流態(tài)下流量系數(shù)的主要影響因素，建立相應(yīng)的計(jì)算模型結(jié)構(gòu)，采用最小二乘法優(yōu)化擬合模型參數(shù)，并進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。

2 現(xiàn)有閘孔出流模型分析

式中：hc為閘后收縮斷面水深，hc=εe；φ為收縮斷面的流速系數(shù)，對(duì)于平底板閘門可近似取φ=0.97。

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模型采用國內(nèi)工程設(shè)計(jì)常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：自由孔流采用武漢大學(xué)推薦的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式（2），淹沒孔流采用南京水科院給出的淹沒系數(shù)σ和潛流比Xr的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式（5）。

量綱分析模型采用Bijankhan給出的無量綱關(guān)系式及相應(yīng)的擬合系數(shù)[11］：自由孔流采用無量綱關(guān)系式（6），淹沒孔流采用無量綱關(guān)系式（8），不同閘門的擬合系數(shù)見表1。

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)為進(jìn)一步辨識(shí)閘孔出流的不同流態(tài)特征，采用現(xiàn)有工程常用的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模型和量綱分析模型對(duì)文獻(xiàn)[6］Buyalski提供的弧形閘門試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)用弧形閘門的半徑R=702 mm，閘孔寬度b=711mm，門軸高度P分別為409、461和511 mm，底緣型式為硬橡膠條密封，試驗(yàn)流量Q范圍從2.7 L/s到316 L/s，閘門相對(duì)開度e/H范圍從0.055到0.970，過閘流態(tài)復(fù)雜多樣（包括自由孔流、收縮斷面Fr從0.2到5.8的淹沒孔流），試驗(yàn)數(shù)據(jù)豐富（約1890組數(shù)據(jù)）。

2.2 計(jì)算模型自由孔流和淹沒孔流的判別條件為：①h3≤h″c為自由孔流；②h3＞h″c為淹沒孔流。躍后共軛水深 h″c的計(jì)算式為[1］：

表1 量綱分析模型的擬合系數(shù)

2.3 結(jié)果分析為便于分析說明，給出如下參數(shù)定義：

閘后收縮斷面的弗勞德數(shù)Fr：

預(yù)測(cè)流量的相對(duì)誤差EQ（%）：

過閘水流的相對(duì)水頭損失η（%）：

由于現(xiàn)有模型預(yù)測(cè)流量的相對(duì)誤差EQ為偏態(tài)分布，因此主要采用分位數(shù)結(jié)合箱形圖對(duì)EQ進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和評(píng)價(jià)，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模型和量綱分析模型的流量預(yù)測(cè)結(jié)果分析如下：

（1）自由孔流條件下，兩種模型80%數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)流量相對(duì)誤差|EQ|＜8%，預(yù)測(cè)精度較好，誤差分布見圖1（a），|EQ|較大的數(shù)據(jù)分布在自由孔流到淹沒孔流的過渡區(qū)間。

（2）淹沒孔流條件下，兩種模型預(yù)測(cè)流量的相對(duì)誤差EQ均呈偏態(tài)分布（見圖1（b）），并且隨收縮斷面Fr的減小而增大，|EQ|＞20%的數(shù)據(jù)主要集中在低弗勞德數(shù)（約Fr＜1.7）區(qū)域（見圖2）。大量研究表明Fr=1.7為波狀水躍的上限弗勞德數(shù)[19］，此時(shí)水流表面輕微波動(dòng)，水躍的消能效果不明顯。

圖1 預(yù)測(cè)流量相對(duì)誤差EQ的箱形圖

圖2 淹沒孔流的EQ隨Fr的變化關(guān)系

（3）將淹沒孔流條件下|EQ|＞20%的數(shù)據(jù)提取出來，繪制其相對(duì)開度e/H和潛流比Xr的分布關(guān)系，如圖3所示，可知低Fr的大誤差數(shù)據(jù)具有如下特征之一：①閘門相對(duì)開度e/H＞0.5，此時(shí)，過閘水流邊界條件接近于堰流，閘門對(duì)水流的約束較弱，但由于下游較高水位的影響，易形成低Fr的閘孔淹沒出流；②潛流比Xr＞0.8，或（h1-h3）/（h1-h″c）＜0.2，此時(shí)，下游水位較高，即使相對(duì)開度e/H＜0.5，但由于大的水躍淹沒度，閘后水躍摻混不充分，消能率低。

綜上所述，現(xiàn)有閘孔出流計(jì)算模型，無論是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模型還是量綱分析模型，對(duì)自由孔流和收縮斷面高弗勞德數(shù)（Fr＞1.7）的淹沒孔流，均能夠進(jìn)行很好的預(yù)測(cè)模擬，但是不適用于低弗勞德數(shù)（Fr＜1.7）、低消能率的淹沒孔流。顯然，對(duì)于閘孔淹沒出流有必要根據(jù)不同的出流流態(tài)，即收縮斷面的Fr，采用不同的水位-流量關(guān)系。

圖3 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模型|EQ|＞20%的e/H和Xr分布

3 基于流態(tài)辨識(shí)的弧形閘門過流計(jì)算

如何根據(jù)閘門的已知運(yùn)行條件（包括上游水深h1、下游水深h3、閘門開度e等）預(yù)判閘孔淹沒出流的流態(tài)（即收縮斷面的Fr大?。┘叭绾谓⒉煌^閘流態(tài)下的水位-流量關(guān)系是過閘流量精確計(jì)算需解決的兩個(gè)關(guān)鍵問題。

3.1 閘孔出流的流態(tài)辨識(shí)淹沒出流條件下過閘水流的水頭損失主要包括兩部分：（1）閘門邊界阻力產(chǎn)生的水頭損失，其與閘門相對(duì)開度e/H有關(guān)，隨著e/H的增大而減??；（2）閘后水躍紊動(dòng)產(chǎn)生的水頭損失，其與收縮斷面的Fr有關(guān)，隨著Fr的增大而增大，同時(shí)收縮斷面的Fr隨著下游水躍淹沒度（可用潛流比Xr唯一表示）的增大而減小，即水躍紊動(dòng)引起的水頭損失隨著潛流比Xr的增大而減小。據(jù)此，嘗試引入一新的無量綱參數(shù)——綜合能耗系數(shù)Er，定義為Er=e/H+Xr，表示閘門邊界阻力（代表參數(shù)為相對(duì)開度e/H）和閘后水躍（代表參數(shù)為潛流比Xr）對(duì)過閘水流水頭損失的綜合影響。

圖4為閘孔淹沒出流條件下綜合能耗系數(shù)Er與收縮斷面Fr的分布關(guān)系，由圖可知，隨著綜合能耗系數(shù)Er增大，F(xiàn)r減小，并且在綜合能耗系數(shù)Er=1附近出現(xiàn)較明顯的分界：綜合能耗系數(shù)Er＜1時(shí)Fr較大（約Fr＞1.5），閘后可近似形成完全水躍，水流紊動(dòng)和摻混作用劇烈，水躍的消能效果顯著，相對(duì)水頭損失η＞15%；綜合能耗系數(shù)Er＞1時(shí)Fr較?。sFr＜1.5），過閘水流為波狀水躍或無水躍，閘后水流摻混不強(qiáng)烈，水躍的消能率極低，上下游水頭損失主要為閘門邊界阻力引起的局部水頭損失，相對(duì)水頭損失η＜15%。圖5為綜合能耗系數(shù)Er＞1時(shí)相對(duì)開度e/H和潛流比Xr的分布，其數(shù)據(jù)范圍涵蓋閘門相對(duì)開度e/H＞0.5和潛流比Xr＞0.8的大部分?jǐn)?shù)據(jù)，這也是現(xiàn)有模型中|EQ|較大的低Fr區(qū)域（如圖3所示）。

圖4 淹沒孔流的Fr和Er的關(guān)系

圖5 綜合能耗系數(shù)Er＞1的Xr和e/H分布

以綜合能耗系數(shù)Er作為預(yù)測(cè)和劃分淹沒孔流流態(tài)的辨識(shí)參數(shù)，給出閘孔出流不同流態(tài)的辨識(shí)方法：①h3≤h″c為自由孔流；②h3＞h″c，且Er＜1為部分淹沒孔流，收縮斷面的Fr＞1.5，閘后近似為完全水躍；③h3＞h″c，且Er≥1為完全淹沒孔流，收縮斷面的Fr＜1.5，閘后為波狀水躍或無水躍。上游水位h1和閘門開度e一定的條件下，隨著下游水位h3的增加，水流流態(tài)依次經(jīng)歷：自由孔流→部分淹沒孔流→完全淹沒孔流（如圖6）。

圖6 閘孔出流的流態(tài)

3.2 不同流態(tài)的模型結(jié)構(gòu)對(duì)于閘孔出流的不同流態(tài)，流量系數(shù)的影響因素也不同，應(yīng)分別采用不同的計(jì)算模型結(jié)構(gòu)。大量現(xiàn)場(chǎng)率定和模型實(shí)測(cè)資料表明，流量系數(shù)關(guān)系采用冪函數(shù)形式更能符合流量測(cè)算的實(shí)際情況[20-21］。

（1）自由孔流。根據(jù)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型，弧形閘門自由孔流的流量系數(shù)μ0與閘門開啟角θ（cosθ=（P-e）/R）和相對(duì)開度e/H有關(guān)，其計(jì)算模型可假定為如下結(jié)構(gòu)形式

（2）高Fr的部分淹沒孔流。綜合能耗系數(shù)Er＜1，弗勞德數(shù)較大（Fr＞1.5），閘后水躍紊動(dòng)、摻混作用強(qiáng)烈，消能效果顯著，上下游水頭損失不僅包含閘門邊界引起的局部水頭損失，而且包含淹沒水躍劇烈紊動(dòng)、摻混所產(chǎn)生的水頭損失，此時(shí)，淹沒系數(shù)σ與潛流比Xr的相關(guān)性較好，如圖7。因此，部分淹沒孔流的流量系數(shù)μs與閘門開啟角θ、相對(duì)開度e/H和潛流比Xr有關(guān)，其計(jì)算模型可假定為

（3）低Fr的完全淹沒孔流。綜合能耗系數(shù)Er≥1，弗勞德數(shù)較?。‵r＜1.5），過閘水流不能形成充分摻混的水躍，消能效果不顯著，上下游水頭損失主要為閘門邊界阻力引起的局部水頭損失。對(duì)上下游斷面建立能量方程進(jìn)行分析可知，下游斷面的流速系數(shù)φ與相對(duì)開度e/H的相關(guān)性較好，如圖8。

圖7 高Fr部分淹沒孔流的Xr與σ的關(guān)系

圖8 低Fr完全淹沒孔流的φ與e/H的關(guān)系

因此，完全淹沒孔流的流量系數(shù)μs與相對(duì)開度e/H和相對(duì)水頭損失η有關(guān)，其計(jì)算模型可假定為

其中a0、b1、b2、b3為待定系數(shù)。

3.3 模型參數(shù)估計(jì)和驗(yàn)證采用文獻(xiàn)[6］Buyalski的弧形閘門試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)上述流量系數(shù)計(jì)算模型中的待定系數(shù)進(jìn)行最小二乘估計(jì)[22］，不同流態(tài)的擬合結(jié)果如下：

自由孔流：

部分淹沒孔流：

完全淹沒孔流：

將流態(tài)辨識(shí)模型與經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模型和量綱分析模型的流量預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，見表2和圖9、圖10。

表2 不同模型預(yù)測(cè)流量相對(duì)誤差EQ的參數(shù)統(tǒng)計(jì)

（1）自由孔流，三種模型的流量預(yù)測(cè)精度均較好，80%預(yù)測(cè)流量的相對(duì)誤差|EQ|＜7%，其中流態(tài)辨識(shí)模型的|EQ|＜4%，預(yù)測(cè)結(jié)果最優(yōu)。

（2）高Fr部分淹沒孔流（Fr＞1.5，Er＜1），三種模型的流量預(yù)測(cè)精度均較好，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模型80%的|EQ|＜10%，量綱分析模型80%的|EQ|＜20%，流態(tài)辨識(shí)模型80%的|EQ|＜7%，流態(tài)辨識(shí)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果最優(yōu)，EQ較大的數(shù)據(jù)為高Fr和低Fr的過渡區(qū)間。

（3）低Fr完全淹沒孔流（Fr＜1.5，Er＞1），現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模型和量綱分析模型的EQ較大，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模型80%的|EQ|＜65%，量綱分析模型80%的|EQ|＜55%，這是由于模型沒有對(duì)淹沒孔流的流態(tài)進(jìn)行細(xì)分，對(duì)低Fr的淹沒出流使用同高Fr相同的計(jì)算公式，然而兩種流態(tài)下水頭損失的機(jī)理不同，高Fr區(qū)主要為水躍消能，低Fr區(qū)為閘門邊界阻力消能，相應(yīng)的流量計(jì)算也應(yīng)采用不同的公式。流態(tài)辨識(shí)模型對(duì)低Fr完全淹沒孔流單獨(dú)建立計(jì)算公式，預(yù)測(cè)精度較高，80%數(shù)據(jù)的|EQ|＜15%，|EQ|較大的數(shù)據(jù)潛流比Xr→1，該區(qū)域上下游水頭差較小，由于水位測(cè)量誤差引起的流量不確定度較大。

流態(tài)辨識(shí)模型以綜合能耗系數(shù)Er=1為分界值對(duì)淹沒孔流的流態(tài)進(jìn)一步辨識(shí)，分別給出適用于自由孔流、部分淹沒孔流和完全淹沒孔流的計(jì)算模型，采用最小二乘法進(jìn)行模型參數(shù)的估計(jì)，實(shí)例驗(yàn)證表明模型整體的預(yù)測(cè)精度較高，80%的|EQ|＜10%，且EQ近似呈正態(tài)分布，優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模型的|EQ|＜50%，和量綱分析模型的|EQ|＜45%。

圖9 預(yù)測(cè)流量誤差EQ的箱形圖

圖10 不同模型閘孔出流的EQ隨Fr的變化關(guān)系（包含自由孔流、部分淹沒孔流和完全淹沒孔流）

4 結(jié)論

現(xiàn)有弧形閘門過流計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模型和量綱分析模型，在低Fr的淹沒孔流條件下（集中于相對(duì)開度e/H＞0.5或潛流比Xr＞0.8），流量預(yù)測(cè)存在較大的誤差。研究在分析現(xiàn)有模型各影響因素的基礎(chǔ)上，給出新的流態(tài)辨識(shí)方法和流量計(jì)算模型，主要成果如下：

（1）提出了新的閘孔淹沒出流的高Fr區(qū)和低Fr區(qū)的判別參數(shù)——綜合能耗系數(shù)Er=e/H+Xr，相應(yīng)的判別條件為：綜合能耗系數(shù)Er＜1為高弗勞德數(shù)（Fr＞1.5）的部分淹沒出流；綜合能耗系數(shù)Er＞1為低弗勞德數(shù)（Fr＜1.5）的完全淹沒出流。該判據(jù)的建立為過閘流量的精確計(jì)算提供了理論支撐。

（2）針對(duì)閘孔出流的不同流區(qū)，即自由孔流、部分淹沒孔流和完全淹沒孔流，分別建立相應(yīng)的流量系數(shù)計(jì)算模型，采用最小二乘辨識(shí)進(jìn)行模型參數(shù)估計(jì)。實(shí)例驗(yàn)證表明流態(tài)辨識(shí)模型整體的預(yù)測(cè)精度較高，80%預(yù)測(cè)流量的相對(duì)誤差|EQ|＜10%，且EQ近似呈正態(tài)分布，優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模型的|EQ|＜50%，和量綱分析模型的|EQ|＜45%。

研究所用實(shí)例數(shù)據(jù)為平底板單孔弧形閘門，此即式（16）—式（18）的適用條件?，F(xiàn)實(shí)工程中節(jié)制閘多為下游渠道變寬的多孔閘門，且存在不對(duì)稱開啟運(yùn)行等復(fù)雜工況，此時(shí)辨識(shí)模型中系數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)重新進(jìn)行擬合率定，以保證過閘流量的計(jì)算精度，并為閘門的運(yùn)行控制、調(diào)度決策提供依據(jù)。