樅陽閘水文站堰閘流量巡測(cè)可行性論證分析

包 晶

（安慶水文水資源局，安徽 安慶 246003）

0 引言

隨著中小河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)驗(yàn)收完成，站網(wǎng)密度顯著提高，按照水利部（水文[2005]70）《水文現(xiàn)代化建設(shè)指導(dǎo)意見》精神，積極推進(jìn)水文測(cè)驗(yàn)方式改革,實(shí)現(xiàn)測(cè)站有人看管，無人值守，定期檢查巡測(cè)，實(shí)現(xiàn)駐測(cè)、巡測(cè)、間測(cè)和水文調(diào)查相結(jié)合。樅陽閘水文站采用2011 年河道清淤后的水文資料系列分析率定，確定該站是否滿足不同流態(tài)的流量巡測(cè)要求，研究和推進(jìn)水文測(cè)驗(yàn)方式改革。

1 測(cè)站概況

圖1 樅陽閘站水系及站點(diǎn)分布圖

樅陽閘水文站建成于1951 年，位于安徽省樅陽縣樅陽鎮(zhèn)，是菜子湖流域出口控制站，積水面積3340 km2，為國(guó)家重要水文站，一類精度站。流量測(cè)驗(yàn)斷面位于閘上游157 m 處，測(cè)驗(yàn)方式為水文纜道，右岸為樅陽大堤，左岸為樅陽縣城防洪堤，斷面控制作用較好。測(cè)驗(yàn)斷面流量受水利工程調(diào)度的影響，多采用堰閘流量系數(shù)法推求流量。堰閘為進(jìn)水閘（平底閘）閘門型式及堰頂形狀為直升，矩形，共10 孔，每孔寬4.5 m，閘底高程為6.75 m。流域內(nèi)現(xiàn)有20 個(gè)雨量站，流域主源大沙河出山口處設(shè)有沙河埠水文站，菜子湖區(qū)設(shè)有車富嶺水位站。樅陽閘水文測(cè)區(qū)覆蓋樅陽縣，包含橫埠河、楊市河、錢橋河、羅昌河、樅陽河。境內(nèi)陳瑤湖、白蕩湖、菜子湖和“兩賽”（神靈賽、羹膾賽兩湖）4 大流域，河網(wǎng)密度0.22 km/km2，總水面達(dá)42000 hm2。水系及站點(diǎn)分布圖見圖1。

2 樅陽閘水文站單值化分析

2.1 測(cè)站特性及測(cè)驗(yàn)河段情況

樅陽閘上游山區(qū)地形陡峻，匯集白兔湖3340 km2來水，降水量集中。菜子湖樅陽閘站、白蕩湖白蕩閘站都位于樅陽閘縣境內(nèi)，山地和平原崗地過渡地段，流域地理情況相似，洪水主要由降水形成，洪水的季節(jié)特點(diǎn)、時(shí)空變化與本地區(qū)降水一致。每年4 月～5 月份就有洪水發(fā)生，6 月～8 月份為洪水的主要季節(jié)。暴雨洪水季節(jié)，長(zhǎng)江同時(shí)處于高水位期，樅陽閘出流受長(zhǎng)江水位影響。通常情況下，汛期白兔湖水位上漲，非汛期長(zhǎng)江水位不影響樅陽閘出流時(shí)，開閘泄出汛期囤蓄于湖泊的洪水，白兔湖水位緩慢下降。過閘流量受上、下游水位及工程調(diào)度的綜合影響，采用現(xiàn)場(chǎng)率定堰閘流量系數(shù)法推求流量。流量測(cè)驗(yàn)河段較順直，兩岸有圩提能控制高水位，水位在10.9 m 以上左岸漫灘，灘地寬24 m，水位在12.3 m 以上右岸漫灘，灘地寬25 m。河床為純粘土組成，較穩(wěn)定。

2.2 流態(tài)說明

根據(jù)閘門變動(dòng)情況，樅陽閘出流流態(tài)分別為自由堰流、淹沒堰流、自由孔流和淹沒孔流。當(dāng)e/hu≤0.65 時(shí)，為孔流；e/hu＞0.65 時(shí)，為堰流。

堰流分析：平底閘自由出流時(shí)hl/hu＜0.8；淹沒出流時(shí)hl/hu＞0.8，下游水位高于堰頂，下游水面無明顯跌落現(xiàn)象。

孔流分析：自由出流時(shí)閘下水位低于閘門底邊，即閘下水頭小于閘門開啟高度（hl＜e）；淹沒出流時(shí)閘下水頭高于閘門底邊，即閘下水頭大于閘門開啟高度（hl＞e）。

其中，e 為閘門開高；hu為上游水頭；hl為下游水頭。

2.3 堰閘流量系數(shù)分析

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》要求，該站自由堰流、淹沒堰流、自由孔流、淹沒孔流的計(jì)算公式分別為：

自由式堰流計(jì)算公式：Q=C1BH3/2；

淹沒式堰流計(jì)算公式：Q=δC1BH3/2；

淹沒式孔流計(jì)算公式：Q=VBe。

式中：Q 為過閘流量，m3/s；C1為自由式堰流流量系數(shù)；B 為閘孔開啟凈寬，m；H 為上游水頭,m；e 為閘門開啟高度，m；V 為閘門過水平均流速。根據(jù)上述公式可用實(shí)測(cè)資料推求自由式堰流、淹沒堰流、淹沒式孔流流量系數(shù)。

2.4 分析資料的選用情況

樅陽閘站為堰閘站，流量測(cè)驗(yàn)工作按照《水工建筑物與堰槽測(cè)流規(guī)范》要求，采用纜道測(cè)流（纜道出現(xiàn)故障時(shí)，采用ADCP 測(cè)流），纜道測(cè)流斷面10 孔全開進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，水流相對(duì)穩(wěn)定，采用堰閘流量系數(shù)法推求流量。按《水文巡測(cè)規(guī)范》（SL 195-2015）第4.4.3 要求,對(duì)需要巡測(cè)的各水文站的流量資料進(jìn)行分析整理與誤差分析分析實(shí)行巡測(cè)的各項(xiàng)誤差所需資料應(yīng)符合下列規(guī)定：①應(yīng)有5 年以上連續(xù)的資料系列并宜包括高中低水年和不同水情資料；②在各水位級(jí)內(nèi)用于計(jì)算誤差的樣本不宜少于30 個(gè)。因2011 年河道整治、斷面清淤，水工建筑物因素改變，故本次分析資料序列采用2012 年～2019 年不同流態(tài)實(shí)測(cè)資料對(duì)樅陽閘率定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算并檢驗(yàn)。

樅陽閘站2012 年～2019 年實(shí)測(cè)流量資料中，自由堰流74次，淹沒堰流170 次，自由孔流0 次、淹沒孔流120 次，取各流態(tài)實(shí)測(cè)資料，分別繪制歷年關(guān)系綜合線，進(jìn)行單值化分析，為樅陽閘站流量測(cè)驗(yàn)方式提供技術(shù)依據(jù)。

2.5 多年綜合系數(shù)線的率定分析

分析歷年資料中，閘門開啟孔數(shù)為1～10 孔不等，開啟高度不等或提出水面。自由堰流實(shí)測(cè)相關(guān)因素hu變幅為0.32～2.18；淹沒堰流實(shí)測(cè)相關(guān)因素hl/hu變幅為0.817～0.998；自由孔流實(shí)測(cè)相關(guān)因素hu變幅為0.47～5.10（因樅陽閘自由式孔流出現(xiàn)概率較小，故在本篇中不做分析）；淹沒孔流實(shí)測(cè)相關(guān)因素ΔZ 變幅為0.05～2.72，且測(cè)點(diǎn)分布均勻，具有很強(qiáng)的代表性。建立樅陽閘站綜合hu-C、hl/hu-δ、ΔZ-V 相關(guān)關(guān)系見圖2～圖4。

圖2 2012年～2019 年綜合自由堰流系數(shù)線

圖3 2012 年～2019 年綜合淹沒堰流系數(shù)線

圖4 2012 年～2019 年綜合淹沒孔流系數(shù)線

從圖2～圖4 可以看出，自由堰流綜合關(guān)系線相關(guān)性顯著，測(cè)點(diǎn)基本成帶狀，通過點(diǎn)群中心所得關(guān)系線兩邊測(cè)點(diǎn)分布均勻，無明顯系統(tǒng)偏差，且測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差較小。其中淹沒堰流綜合關(guān)系線相關(guān)因素0.995 下部曲線均勻穩(wěn)定，符合淹沒堰流關(guān)系特征。因沿途水頭損失受水工建筑物影響因素不大，故近幾年淹沒式堰流在大淹沒度的測(cè)點(diǎn)偏離該線。

2.6 誤差分析

樅陽閘站屬一類精度水文站，流量測(cè)驗(yàn)布置以滿足定線、推求逐日流量和各項(xiàng)特征值為原則。樅陽閘水文站流量測(cè)驗(yàn)設(shè)施現(xiàn)有水文纜道、走航式ADCP，適用于所有水位級(jí)，其相關(guān)因素定線允許誤差依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》，且巡測(cè)站定線隨機(jī)不確定度可增大2%～4%。

根據(jù)現(xiàn)行誤差檢驗(yàn)方法，對(duì)測(cè)驗(yàn)成果分別進(jìn)行系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度計(jì)算，進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)。經(jīng)計(jì)算分析，誤差計(jì)算成果表見表1～表3。

表1 樅陽閘2012 年～2019 年自由堰流系數(shù)線檢驗(yàn)成果表

表2 樅陽閘2012 年～2019 年淹沒堰流系數(shù)線檢驗(yàn)成果表

表3 樅陽閘2012 年～2019 年淹沒孔流系數(shù)線檢驗(yàn)成果表

2.7 堰閘流量關(guān)系曲線精度評(píng)價(jià)

通過歷年的堰閘流量關(guān)系曲線與2012 年～2019 年綜合關(guān)系曲線比較計(jì)算出相對(duì)誤差，參照《水文巡測(cè)規(guī)范》第4.5.6條水工建筑物測(cè)流及潮流（含感潮）站水力因素或流量系數(shù)相關(guān)定線允許隨機(jī)不確定度規(guī)定，除自由堰流，樅陽閘水文站歷年系數(shù)關(guān)系曲線與歷年綜合系數(shù)線的偏離值超過了規(guī)定的允許誤差，計(jì)算結(jié)果見表4。

2.8 徑流年內(nèi)分配分析

根據(jù)樅陽陽閘水文站2012 年～2019 年8 a 實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：該站徑流量年內(nèi)分配差異顯著，豐枯特征明顯，該站多年平均徑流量及月分配情況見圖5 和表5。

圖5 樅陽閘水文站多年平均月徑流量分配圖

表4 樅陽閘流量系數(shù)關(guān)系曲線誤差統(tǒng)計(jì)表

表5 樅陽閘水文站多年平均月徑流量和月分配表

多年平均月徑流量占全年徑流量比例數(shù)值：7 月、8 月和9月權(quán)重較大，分別占比為25.9%、15.7%和15.4%，累計(jì)占為56.9%；2 月、4 月和5 月權(quán)重較小，占比分別為2.9%、3.2%和3.3%。從時(shí)段統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見表6）看：1 月～5 月累計(jì)徑流量占全年徑流量的比例為24.8%，6 月～9 月累計(jì)徑流量占全年徑流量的比例為53.7%，10 月～12 月累計(jì)徑流量占全年徑流量的比例為21.6%，10 月～次年5 月累計(jì)徑流量占全年徑流量的比例為46.3%。根據(jù)河道徑流量年內(nèi)分配統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，該站主汛期可確定為6 月～9 月，主汛期可根據(jù)閘門變動(dòng)情況和流態(tài)變化合理安排測(cè)次。

表6 樅陽閘站多年月平均不同時(shí)段徑流量占年徑流量比例表單位：%

3 結(jié)論

通過以上分析，樅陽閘水文站自由堰流、淹沒堰流、淹沒孔流三種流態(tài)對(duì)應(yīng)《水文資料整編規(guī)范》1 號(hào)、2 號(hào)、18 號(hào)流量計(jì)算公式經(jīng)過單值化處理。自由堰流在相關(guān)因素上游水頭0 m～2.4 m 變幅范圍相關(guān)性比較穩(wěn)定，呈單一線且三線檢驗(yàn)成果均在系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)，可實(shí)行校測(cè)或間測(cè)。淹沒堰流和淹沒孔流誤差分析均不在系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)，這兩種流態(tài)在超出的范圍內(nèi)均應(yīng)按《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》常規(guī)測(cè)流,主汛期根據(jù)閘門變動(dòng)情況和流態(tài)變化合理安排測(cè)次。

綜上所述, 從樅陽閘水文站實(shí)際情況及相關(guān)因素和流量系數(shù)特性分析角度考慮，測(cè)站需常年駐站進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測(cè)，流態(tài)為自由堰流時(shí)，可實(shí)行校測(cè)或停測(cè)；流態(tài)為淹沒堰流、自由孔流和淹沒孔流時(shí)，需進(jìn)行常規(guī)測(cè)流。