潁上閘水文站水位流量關(guān)系曲線(xiàn)校測(cè)分析

陳浩浩

（阜陽(yáng)水文水資源局，安徽 阜陽(yáng) 236000）

0 引言

水位流量關(guān)系反映出了江河渠道中某斷面的流量和同時(shí)水位之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，水位流量關(guān)系曲線(xiàn)用途非常廣泛，因此需要對(duì)水文站水位流量關(guān)系曲線(xiàn)校測(cè)予以高度重視。文中就結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)水文站水位流量關(guān)系曲線(xiàn)校測(cè)進(jìn)行探討。

1 概況

1.1 水文測(cè)站概況

潁上閘水文站位于安徽省潁上縣城關(guān)鎮(zhèn)詹崗村，于1981年5月設(shè)立，集水面積36606 km2，是省級(jí)重要水文站，屬?lài)?guó)家Ⅱ類(lèi)精度水文站，潁河出口控制站，建立穩(wěn)定的水位流量關(guān)系十分重要。設(shè)站目的為潁河防汛、抗旱、水質(zhì)、水資源管理、航運(yùn)等服務(wù)。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有： 水位、流量、 降水量、地下水、水質(zhì)等。潁上閘上、下游各設(shè)一組水尺斷面觀測(cè)水位 ， 并安裝有遙測(cè)水位計(jì) ， 閘下游500 m 處建有水文測(cè)流纜道。

1.2 水文氣象特征

潁上閘水文站最大年降水量為1722.5 mm， 最小406.8 mm，多年平均降水量為946.4 mm， 年際分配不均。 潁上閘（閘上）站歷年最高水位27.48 m，最低水位19.13 m。潁上閘（閘下）站歷年最高水位27.38 m，最低水位河干；歷年最大流量3020 m3/s，最小流量為0，多年平均流量186 m3/s，歷年最大徑流量129×108m3，最小徑流量11.8×108m3，多年平均徑流量58.8×108m3（以上數(shù)據(jù)為潁上閘建成后有資料年份內(nèi)統(tǒng)計(jì)）。

1.3 測(cè)驗(yàn)河段控制及堰閘情況

本站上游約70 km處為阜陽(yáng)閘，于下游45 km處匯入淮河，徑流過(guò)程，上游受阜陽(yáng)閘控制，下游受淮河正陽(yáng)關(guān)水位頂托影響。潁上閘為24 孔平底閘，兩邊有引橋，閘底高程19.00 m，單孔寬5.0 m，引橋孔底高程25.00 m。

本站測(cè)驗(yàn)河段順直，系人工開(kāi)挖河道，河槽形狀為梯形（見(jiàn)圖1）。中、高水水面寬分別為200 m、320 m，兩岸有堤防，高水無(wú)分流。纜道測(cè)流斷面位于潁上閘下游 500 m 處（見(jiàn)圖2）[1]，閘上游約 800 m 處有船閘引河入口。閘下水位在 24.50 m 以上開(kāi)始漫灘，閘上水位 25.00 m 以上兩邊引橋孔開(kāi)始過(guò)水，堰閘失去控制作用，形式如天然河道?；春诱?yáng)關(guān)水位較高時(shí)，本站水位流量受其頂托影響，有時(shí)影響較嚴(yán)重，有短時(shí)期倒流現(xiàn)象。

圖1 潁上閘水文站測(cè)驗(yàn)河段平面圖

圖2 潁上閘水文站測(cè)流斷面大斷面圖

2 水位流量關(guān)系曲線(xiàn)校測(cè)分析

2.1 資料分析

為了有效解決沙潁河潁上段一線(xiàn)船閘通航能力不足的問(wèn)題，于2015年～2017年期間，新建Ⅳ級(jí)船閘一座閘室尺度200 m×23 m×4 m（長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深），并同時(shí)對(duì)潁上節(jié)制閘進(jìn)行除險(xiǎn)加固，同步改建現(xiàn)有跨閘公路橋和節(jié)制閘引橋。為了研究以上情況對(duì)潁上閘水文站水位流量關(guān)系的影響，將2018 年～2021 年期間實(shí)測(cè)資料數(shù)據(jù)與原水位流量關(guān)系曲線(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，探討原關(guān)系曲線(xiàn)能否繼續(xù)使用，通過(guò)分析確定現(xiàn)階段潁上閘水文站常見(jiàn)流態(tài)下的水位流量關(guān)系特性。

根據(jù)水文規(guī)范對(duì)工程完工后的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)采用水工建筑物法進(jìn)行分析，即用堰閘流量系數(shù)計(jì)算公式[2]分別計(jì)算出幾種常見(jiàn)流態(tài)的流量系數(shù)，并與原關(guān)系曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)流態(tài)下的流量系數(shù)對(duì)比分析，計(jì)算出兩者流量系數(shù)間的相對(duì)誤差。

2.2 水位流量關(guān)系分析

（1）流態(tài)為自由式孔流，根據(jù)堰閘公式Q=M1Be（hu-hc)1/2[3]計(jì)算得流量系數(shù)M1與原關(guān)系曲線(xiàn)流量系數(shù)的相對(duì)誤差（見(jiàn)表1），在e/hu一定的條件下，潁上復(fù)式船閘對(duì)本站水位流量關(guān)系有較大的影響，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的流量系數(shù)與原關(guān)系曲線(xiàn)流量系數(shù)多數(shù)點(diǎn)偏差較大，并有普遍偏小的趨勢(shì)。建議后續(xù)可注重此流態(tài)下的流量校測(cè)，形成一長(zhǎng)系列、數(shù)據(jù)較廣泛的分析資料，并結(jié)合船閘過(guò)閘流量數(shù)據(jù)，進(jìn)一步探究水位流量特性關(guān)系，確定影響因素，根據(jù)整編規(guī)范要求確定穩(wěn)定的水位流量關(guān)系曲線(xiàn)（其中，B為閘門(mén)開(kāi)寬；e為閘門(mén)開(kāi)高；hu為閘上游水頭；hc為收縮斷面水深）。

表1 自由式孔流流量系數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)誤差統(tǒng)計(jì)表

（2）流態(tài)為淹沒(méi)式孔流，根據(jù)堰閘公式Q=M2BeZ1/2[3]計(jì)算得流量系數(shù)M2與原關(guān)系曲線(xiàn)流量系數(shù)的相對(duì)誤差（見(jiàn)表2），在Z/e一定的條件下，通過(guò)用于校測(cè)檢驗(yàn)時(shí)為原用確定水位流量關(guān)系曲線(xiàn)的流量測(cè)點(diǎn)對(duì)關(guān)系曲線(xiàn)的相對(duì)偏離值與校測(cè)的流量測(cè)點(diǎn)對(duì)上述同一曲線(xiàn)的相對(duì)偏離值作比對(duì)分析，大多數(shù)流量系數(shù)相對(duì)誤差在5%范圍內(nèi)，符合水文規(guī)范要求，水位流量關(guān)系良好，船閘對(duì)此流態(tài)下的水位流量關(guān)系影響較小。因此對(duì)校測(cè)數(shù)據(jù)與原關(guān)系曲線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行t（學(xué)生氏）檢驗(yàn)（見(jiàn)表3），|t|＜t1-α/2接受檢驗(yàn)[3]，原定水位流量關(guān)系曲線(xiàn)可繼續(xù)使用，無(wú)需另行定線(xiàn)，建議今后可根據(jù)不同水位級(jí)對(duì)關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行校測(cè)對(duì)比（其中，Z為上下游水位差；t為統(tǒng)計(jì)量；t1-α/2為臨界值）。

表2 淹沒(méi)式孔流流量系數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)誤差統(tǒng)計(jì)表

表3 淹沒(méi)式孔流關(guān)系曲線(xiàn)誤差統(tǒng)計(jì)表

（3）流態(tài)為淹沒(méi)式堰流，根據(jù)原水位流量關(guān)系曲線(xiàn)得出淹沒(méi)式堰流，上游水位Zu＜25.00 m、相關(guān)因素Z/hu×100≥2.00和上游水位Zu＞25.00 m、相關(guān)因素Z/hu×100≥1.00部分的點(diǎn)據(jù)較為緊密，水位流量關(guān)系曲線(xiàn)呈穩(wěn)定的單一線(xiàn)。因此本文主要研究滿(mǎn)足這兩種條件下的校測(cè)數(shù)據(jù)與原曲線(xiàn)數(shù)據(jù)之間的流量系數(shù)相對(duì)誤差分析（見(jiàn)表4、表5），校測(cè)數(shù)據(jù)流量系數(shù)與原曲線(xiàn)數(shù)據(jù)流量系數(shù)相對(duì)誤差較大，且呈普遍偏小的趨勢(shì)，并無(wú)明顯變化規(guī)律。因本站淹沒(méi)式堰流流態(tài)通常在主汛期上游來(lái)水較大條件下形成，可不考慮此期間船閘因素的影響，主要影響因素為上游來(lái)水及下游淮河水位的頂托作用。近2年主汛期淮河水位較高對(duì)本站水位頂托影響較為明顯，導(dǎo)致實(shí)測(cè)流量系數(shù)相對(duì)原關(guān)系曲線(xiàn)流量系數(shù)普遍偏小，水位流量關(guān)系相對(duì)紊亂，無(wú)法形成穩(wěn)定的單一線(xiàn)。建議今后在大水（淹堰）期間，使用水力因素法即連實(shí)測(cè)流量過(guò)程線(xiàn)法或連時(shí)序法定線(xiàn)推流（其中，Zu為閘上游水位）。

表4 淹沒(méi)式堰流流量系數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)誤差統(tǒng)計(jì)表

表5 淹沒(méi)式堰流過(guò)閘平均流速關(guān)系曲線(xiàn)誤差統(tǒng)計(jì)表

（4）流態(tài)為自由式堰流，潁上閘水文站近些年資料累積中很少出現(xiàn)此流態(tài)，缺乏相關(guān)的測(cè)驗(yàn)資料，因此無(wú)法對(duì)原有水位流量關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析。建議今后積累有關(guān)資料，確定相關(guān)因素，再進(jìn)行水位流量關(guān)系曲線(xiàn)的校測(cè)分析。

3 結(jié)論

通過(guò)上述分析，潁上復(fù)式船閘工程對(duì)潁上閘水文站原自由式孔流水位流量關(guān)系曲線(xiàn)有一定程度的影響，尤其是對(duì)較小流量影響更為明顯，今后應(yīng)注重該流態(tài)下的流量校測(cè)，加密實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)、延長(zhǎng)資料系列[1]、確定船閘過(guò)閘流量，進(jìn)一步對(duì)自由式孔流水位流量關(guān)系進(jìn)行分析率定。

對(duì)淹沒(méi)式孔流出流，通過(guò)對(duì)校測(cè)資料流量系數(shù)與原定水位流量關(guān)系曲線(xiàn)流量系數(shù)的對(duì)比分析，得出在潁上船閘工程前后淹沒(méi)式孔流水位流量關(guān)系曲線(xiàn)沒(méi)有發(fā)生明顯變化，仍能夠滿(mǎn)足整編規(guī)范精度要求，該關(guān)系曲線(xiàn)可繼續(xù)使用，但定期仍需進(jìn)行校測(cè)比對(duì)。

對(duì)淹沒(méi)式堰流的分析，包括Zu＜25.00 m、Z/hu×100≥2.00和Zu＞25.00 m、Z/hu×100≥1.00 兩條曲線(xiàn)的流量系數(shù)與校測(cè)數(shù)據(jù)流量系數(shù)的誤差比對(duì)，得出兩者的相對(duì)誤差較大且無(wú)規(guī)律性。受上游阜陽(yáng)閘來(lái)水影響和下游淮河正陽(yáng)關(guān)水位頂托作用，因此堰流流態(tài)下的水位流量關(guān)系受綜合因素影響，不能使用單一曲線(xiàn)法定線(xiàn)推流[2]，可作為河道站水位流量關(guān)系處理，使用水力因素法定線(xiàn)推流。