常州市老城區(qū)小型泵閘站過閘流量估算方法

陶曉明， 朱東明， 莊 楊， 曹 琦， 劉晨燁

(常州市城市防洪工程管理處， 江蘇 常州 213022)

常州市坐落于江蘇省南部，地屬太湖流域，地勢高低相間，變化幅度平緩，北靠長江，南銜太湖，腹部有洮鬲兩湖，河網(wǎng)密布[1]。目前，常州市城市防洪工程管理處統(tǒng)管16座防洪包圍圈水利樞紐以及34座市區(qū)小型泵閘站，包括：殷家橋泵站、花園后塘河泵站、后塘河西站、三井河西站、三井河?xùn)|站、龍游河北站、龍游河南站等。

2017年7月，常州市政府政務(wù)會議審議通過《常州市運北片主城區(qū)“暢流活水”總體方案》，通過引調(diào)長江水，新建4座活動堰，致力于增強市區(qū)內(nèi)部水流的調(diào)控能力，提高小河道水體流動性，并于2018年和2019年持續(xù)開展市區(qū)調(diào)換水工作，在水質(zhì)整治工作上投入了大量人力、物力和財力。

但是大部分城區(qū)小型泵閘站建成已久，建設(shè)資料缺失，且未安裝流量檢測設(shè)備，日常管理人員又不具備自主選擇流量公式以及各項計算系數(shù)的專業(yè)知識，一直難以對實際過閘流量進行較為準確的估算?？紤]到河道的實際過流情況與河道水體改善效果直接相關(guān)，該項數(shù)據(jù)的缺失既不利于對市區(qū)換水效果進行有效評估，也不利于實現(xiàn)科學(xué)管理。本文擬探尋常州市老城區(qū)小型泵閘站適用的過閘流量估算方法，為推算河道過流能力，評估換水工作實際效果提供理論依據(jù)。

1 概況

1.1 國內(nèi)外研究進展

1.2 工程概括

常州市區(qū)小型泵閘站水閘前、后水位落差小。目前，水利工程管理單位已經(jīng)完成了水利信息自動化兩級管理平臺的基礎(chǔ)創(chuàng)建工作，平臺從2014年開始通過超聲波水位儀、攝像機、PLC控制柜等智能化設(shè)備，能自動檢測水位、監(jiān)管廠房、河道情況，確保了水情、雨情的實時監(jiān)控，為探尋小型泵閘站過閘流量的簡便計算方法積攢了長期的水位數(shù)據(jù)。

2 過閘流量的簡易算法

2.1 傳統(tǒng)水力學(xué)公式

常州市小型泵閘站大多屬于開敞式小型節(jié)制閘。影響閘孔過流能力的因素眾多，包括閘孔寬度、閘門類型、閘門相對開度、閘門底坎形式、上下游水深以及水位差等[3]。為了針對實際情況選取合適的計算公式，首先要對水閘的過流情況進行分類，通常閘上的水流形式分為堰流和閘孔出流，判別標準是閘門開度與堰上水頭的比值，當e/H>0.65時，水流為堰流，當判斷水流為堰流的情況時，流量方程[4]如下：

(1)

式中：Q為過閘流量，m3/s；ε為側(cè)收縮系數(shù)；m為堰流的流量系數(shù)；b為閘門寬度，m；g為重力加速度，m/s2；H0為堰頂水頭，m；a為墩形系數(shù)；P為上游堰高，m；H為堰上水頭，m；B為閘口總凈寬，m；φ為流速系數(shù)；k為反映堰頂水流垂直收縮系數(shù)；ξ為修正系數(shù)。

(2)

(3)

式中：σs為閘孔淹沒出流時的淹沒系數(shù)；μ0為流量系數(shù)，其值受閘門形式的影響，以上系數(shù)均可查表確定。在無側(cè)收縮的條件下，閘門的垂直收縮系數(shù)k與閘門的相對開度e/H存在相關(guān)性，φ為流速系數(shù)。

由上可見，用傳統(tǒng)水力公式計算過閘流量，除了區(qū)分水流形態(tài)，不同的出流狀態(tài)對應(yīng)不同的流量計算公式以外，還要根據(jù)閘門情況和閘底坎形式以及閘門開度等實際情況，選取計算流量系數(shù)的不同經(jīng)驗公式，或者查表選取各項系數(shù)，這種方法在一線實際應(yīng)用中過于復(fù)雜，部分數(shù)據(jù)不易獲取，對專業(yè)知識的掌握程度也要求較高。

2.2 簡化傳統(tǒng)水力學(xué)公式

鑒于老市區(qū)小型泵閘站通常為開敞式單孔構(gòu)造，閘門為平面鋼閘門，調(diào)度運行又多采取全開和關(guān)閉兩種狀態(tài)，可以將過閘水流簡單歸類于寬頂堰自由出流狀態(tài)。

在這樣的前提條件下，使用公式(1)計算過閘流量，根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL265—2016)和《水力計算手冊》對公式中的各系數(shù)進行賦值，當堰下游水位升高到影響寬頂堰溢流能力時，及下游堰上水深與堰頂總水頭的比值大于0.8時，需查表確定淹沒系數(shù)，但考慮到實際應(yīng)用過程中，工程現(xiàn)場不具備獲取下游堰上水深和堰頂總水頭的條件，故直接將σs設(shè)定為1；根據(jù)小型泵閘站實際情況，經(jīng)查表將單孔堰的側(cè)收縮系數(shù)ε定為0.912；m在未考慮水流的行近流速的狀態(tài)下，受堰的進口形狀和相對高度的影響，取值范圍為0.32～0.385。過閘流量計算公式系數(shù)賦值表見表1。

表1 過閘流量計算公式系數(shù)賦值表

計算可得：

3 校核簡化公式的可行性

常州市城市防洪工程管理處2018年曾聘請江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司繪制了運北片防洪包圍圈上15水利樞紐的節(jié)制閘流量與水位關(guān)系曲線圖(堰流)，以北塘河樞紐節(jié)制閘為例，過閘流量與上下游水位差存在如圖所示的曲線關(guān)系(圖1)。

圖1 北塘河樞紐節(jié)制閘水位與流量關(guān)系曲線圖(堰流)

常州地區(qū)的節(jié)制閘工程管理規(guī)范要求水閘控制最大水位差均小于0.4 m。本文擬根據(jù)15座樞紐2018年全年月平均水位統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分別對水位差為0.1 m、0.2 m、0.3 m的3種情況從其水位與流量關(guān)系曲線圖上獲得相應(yīng)的過閘流量，同時用簡化的寬頂堰自由出流流量公式代入上游側(cè)水尺讀數(shù)計算相應(yīng)的過閘流量，分類繪圖，進行比較，以此驗證簡化公式的實用性。

其中，15座節(jié)制閘孔寬列表見表2，2018年15座水利樞紐月平均水位統(tǒng)計表見表3。不同水位差時計算所得各樞紐過閘流量見圖2～4。

圖2 水位差為0.1m時讀圖和公式計算所得各樞紐過閘流量

圖3 水位差為0.2m時讀圖和公式計算所得各樞紐過閘流量

剔除個別因統(tǒng)計失常造成的錯誤水位記錄后，得到不同水位差時計算所得各樞紐過閘流量見圖2～4。由圖2～4可知，按照太湖水利規(guī)水位流量曲線圖獲得的過閘流量與簡化后的傳統(tǒng)水力學(xué)公式計算結(jié)果走向大體一致。m為0.385時計算所得結(jié)果大體大于讀圖結(jié)果，m為0.32時計算流量則略小于讀圖所得過閘流量，符合正常規(guī)律，由此推斷通過改變相關(guān)系數(shù)的取值可以使得簡化公式的計算結(jié)果與水位流量曲線圖的過閘流量更加接近，以m為例進行2種過閘流量計算方法的相關(guān)性分析(圖5～10)。

表2 15座節(jié)制閘孔寬列表 (單位： m)

表3 2018年15座水利樞紐月平均水位統(tǒng)計結(jié)果 (單位： m)

(續(xù)表3)

樞紐水位1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月糜家塘樞紐內(nèi)河平均水位3.003.293.643.723.583.693.843.953.893.783.723.23相應(yīng)外河水位3.393.413.703.813.783.824.024.154.053.883.783.69童子河閘站內(nèi)河平均水位3.553.553.543.423.653.733.753.713.903.703.673.68相應(yīng)外河水位3.443.463.663.543.763.843.953.913.903.703.683.66西界河閘站內(nèi)河平均水位3.553.373.543.423.553.633.743.713.903.703.683.67相應(yīng)外河水位3.443.463.663.543.763.843.953.913.903.703.683.55永匯河樞紐內(nèi)河平均水位3.483.483.693.583.693.743.883.953.873.733.653.50相應(yīng)外河水位3.483.373.693.583.583.533.673.753.663.623.553.62澡港河南樞紐內(nèi)河平均水位3.483.383.583.573.843.653.743.743.813.623.733.70相應(yīng)外河水位3.403.493.693.473.733.763.943.953.923.523.743.72

圖4 水位差為0.3m時讀圖和公式計算所得各樞紐過閘流量

圖5 水位差為0.1m m=0.385時的相關(guān)性分析

圖6 水位差為0.1m m=0.32時的相關(guān)性分析

圖7 水位差為0.2m m=0.385時的相關(guān)性分析

圖8 水位差為0.2m m=0.32時的相關(guān)性分析

圖9 水位差為0.3m m=0.385時的相關(guān)性分析

圖10 水位差為0.3m m=0.32時的相關(guān)性分析