臨渙閘水文站水位流量關(guān)系單值化分析

徐根寶

（安徽省水文局宿州水文水資源局,安徽 宿州 234000）

由水力學(xué)原理中水工建筑物推流法可知,在淹沒(méi)孔流流態(tài)下閘孔平均流速與上下游水位差之間存在著密切關(guān)系[1]。水文資料分析中用實(shí)測(cè)流量資料率定它們之間的關(guān)系,用于推算過(guò)閘流量,從而減輕后續(xù)測(cè)驗(yàn)工作強(qiáng)度,進(jìn)而提高流量計(jì)算精準(zhǔn)度[2]。本文以臨渙閘水文站2015年～2021年實(shí)測(cè)流量資料為分析依據(jù),采用CAD、Excel 和整編軟件進(jìn)行定線,在淹沒(méi)孔流流態(tài)下率定出閘孔平均流速與上下游水位差之間的關(guān)系,并依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2020）,對(duì)關(guān)系線進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)。

1 基本概況

臨渙閘為澮河主干上的大型節(jié)制閘,位于安徽省濉溪縣韓村鎮(zhèn)河涯村,集水面積2795 km2。臨渙集水文站于1954年7 月設(shè)站,2011年1月由臨渙集水文站下遷10 km遷至臨渙閘,改為臨渙閘水文站,為國(guó)家重要水文站、二類(lèi)精度站。臨渙閘位于測(cè)流斷面上游280 m 處,結(jié)構(gòu)型式：平底閘、平板閘門(mén),共8 孔,每孔寬10.0 m,孔高11 m,閘底板高程18.50 m（85 黃海高程系）,見(jiàn)表1。受下游南坪閘蓄水影響,該閘一直為淹沒(méi)出流。測(cè)驗(yàn)河段順直,測(cè)驗(yàn)斷面較穩(wěn)定,測(cè)站控制較好。

表1 測(cè)站特性及水文特征值

2 單值化分析目的與意義

臨渙閘水文站自設(shè)站以來(lái),一直按連實(shí)測(cè)流量過(guò)程線進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)與整編工作,年平均流量測(cè)次近一百二十次,任務(wù)較為艱巨,已不適應(yīng)中國(guó)水文現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展,為解放生產(chǎn)力,進(jìn)一步提升水文監(jiān)測(cè)能力,提高水文測(cè)驗(yàn)質(zhì)量,對(duì)臨渙閘水文站水位流量關(guān)系進(jìn)行單值化分析十分必要。此前已分析2012年～2015年資料[3],點(diǎn)繪出關(guān)系線圖,因人工點(diǎn)繪誤差較大,線上流量與實(shí)測(cè)流量誤差不符合水文資料整編規(guī)范,現(xiàn)對(duì)臨渙閘水文站水位流量關(guān)系通過(guò)CAD 和整編軟件重新定線。

3 水位流量關(guān)系分析

3.1 資料系列

臨渙閘站本次水位流量關(guān)系分析采用的資料系列為：2015年～2021年實(shí)測(cè)流量資料共579 測(cè)次。2016年～2018年采用當(dāng)年率定線推流,2019年、2020年、2021年采用歷年率定線推流。本站遷站以來(lái)歷年最高水位：閘上25.52 m（2018年8 月19 日）,閘下25.26 m（2018年8 月19 日）；最低水位：閘上21.45 m（2012年3 月18 日）,閘下20.81 m（2012年7 月26 日）；最大流量515 m3/s（2018年8 月19 日）,最小流量0 m3/s。

3.2 分析方法

水位流量關(guān)系的確定應(yīng)以實(shí)測(cè)流量測(cè)次為依據(jù),并參考水位過(guò)程線、斷面變化等有關(guān)影響。分析逐時(shí)水位過(guò)程線、汛期洪峰水位過(guò)程線,可克服直接定線的盲目性。洪水期間變化復(fù)雜的水位流量關(guān)系線的確定,應(yīng)結(jié)合測(cè)站特性、歷史洪水等因素綜合分析。臨渙閘站水位流量關(guān)系采用的分析方法為：使用該站2015年～2021年實(shí)測(cè)流量成果資料,采用CAD 作圖工具或Excel 和整編軟件,配置相關(guān)關(guān)系線或關(guān)系表達(dá)式[4],檢驗(yàn)相關(guān)關(guān)系是否符合有關(guān)規(guī)范要求。

3.3 閘孔平均流速率定

由水力學(xué)原理水工建筑物推流法可知,閘孔流速主要受閘門(mén)型式、出流方式、閘底板型式、上下游水位差或上游水頭、閘門(mén)開(kāi)啟孔數(shù)和高度的影響。對(duì)平板閘門(mén)來(lái)說(shuō),淹沒(méi)式出流上下游水位差直接影響著閘孔平均流速。根據(jù)臨渙閘水文站實(shí)測(cè)流量成果,計(jì)算每一測(cè)次的水位差ΔZ（i=1,2……）,并反推相應(yīng)水位差的閘孔平均流速 Vcpi（i=1,2……）可用關(guān)系式（1）計(jì)算：

式中：Vcp為閘孔平均流速,m/s；Q 為實(shí)測(cè)流量,m3/s；B 為閘門(mén)開(kāi)啟總寬,m；e 為閘門(mén)開(kāi)啟垂直高度,m。

3.4 定線

可采用CAD 或 Excel 數(shù)據(jù)處理生成閘孔流速與水位差之間關(guān)系的散點(diǎn)圖,進(jìn)行曲線繪制,推薦使用簡(jiǎn)單易操作的Excel 插入散點(diǎn)圖法繪制[5],根據(jù)散點(diǎn)趨勢(shì)生成關(guān)系曲線,檢查曲線是否合理,對(duì)曲線進(jìn)行適當(dāng)修正,通過(guò)函數(shù)和VBA 宏程序編寫(xiě)擬合出冪函數(shù)表達(dá)公式。

3.5 關(guān)系式及三項(xiàng)檢驗(yàn)

3.5.1 水位流量關(guān)系

經(jīng)分析配置出臨渙閘站孔流狀態(tài)閘孔流速與上下游水位差的關(guān)系表達(dá)式為：

式中：Vcp為閘孔流速,m/s；ΔZ 為上下游水位差,m。

臨渙閘（閘下游）站閘孔平均流速Vcp與上下游水位差ΔZ 關(guān)系圖見(jiàn)圖1,從圖中可看出,歷年關(guān)系曲線點(diǎn)群集中,各水位差實(shí)測(cè)點(diǎn)分布均勻,綜合關(guān)系曲線較好。

圖1 臨渙閘（閘下游）站閘孔平均流速Vcp 與上下游水位差ΔZ 關(guān)系圖

3.5.2 三項(xiàng)檢驗(yàn)

水位流量關(guān)系曲線檢驗(yàn)內(nèi)容包括符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)三項(xiàng)。三項(xiàng)檢驗(yàn)具體公式見(jiàn)《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2020）,在此不過(guò)多解釋。關(guān)系曲線為單一曲線,使用時(shí)間較長(zhǎng)的臨時(shí)曲線及經(jīng)單值化處理的單一線,且測(cè)點(diǎn)在10 個(gè)以上,應(yīng)作關(guān)系曲線檢驗(yàn)。

當(dāng)三種檢驗(yàn)結(jié)果全部接受原假設(shè),則定線正確；若三種檢驗(yàn)或任意一、二種檢驗(yàn)結(jié)果拒絕原假設(shè),應(yīng)當(dāng)分析拒絕原因,并對(duì)原線進(jìn)行適度修改重做檢驗(yàn)[6]。檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 臨渙閘（閘下游）水位流量關(guān)系曲線檢驗(yàn)表

本次檢驗(yàn)標(biāo)本共558 次,其中K+284 次,K-274 次,符號(hào)變換260 次。符號(hào)變換次數(shù)小于0.5（n-1）,需做適線檢驗(yàn)。

臨渙閘站推流關(guān)系線精度檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3 可以看出,臨渙閘站孔流狀態(tài)推流關(guān)系線通過(guò)《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2020）要求的有關(guān)檢驗(yàn)。

表3 臨渙閘（閘下游）推流關(guān)系線檢驗(yàn)結(jié)果表

（3）其它情況說(shuō)明

在率定上述臨渙閘閘孔出流關(guān)系線時(shí),其中2015年4 次、2016年1 次、2017年3 次、2018年、2019年 各1 次,因 測(cè)驗(yàn)和閘門(mén)開(kāi)啟高度觀測(cè)誤差,實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)與關(guān)系線偏離較大,舍去。2020年舍棄的8 次為ΔZ＜0.1 m,2021年舍棄的2 次為ΔZ＜0.1 m。

臨渙閘閘孔出流關(guān)系線使用范圍為：4.89 m＞ΔZ≥0.12 m。

4 結(jié)論與建議

4.1 建議

（1）因本次分析驗(yàn)證標(biāo)本中最大流量為515 m3/s,水位差范圍在0.12 m～4.89 m 之間,故建議在流量小于515 m3/s 或4.89 m＞ΔZ ≥0.12 m 時(shí),實(shí)行校測(cè)。同時(shí)每年應(yīng)對(duì)關(guān)系曲線進(jìn)行檢驗(yàn),對(duì)偏離誤差較大的測(cè)點(diǎn)和出現(xiàn)系統(tǒng)偏離的時(shí)段做出及時(shí)仔細(xì)地分析,并加密測(cè)次,確保水位流量關(guān)系曲線精度。

（2）進(jìn)行閘門(mén)開(kāi)高校正。對(duì)于閘壩站流量測(cè)驗(yàn)時(shí),閘門(mén)開(kāi)啟高度直接影響閘門(mén)過(guò)水面積進(jìn)而影響到流量系數(shù),導(dǎo)致流量系數(shù)產(chǎn)生誤差,為保證單值化分析的準(zhǔn)確性,必須要確保閘門(mén)開(kāi)高的準(zhǔn)確度。

4.2 結(jié)論

（1）經(jīng)分析和驗(yàn)證臨渙閘水位流量關(guān)系的單值化,確定臨渙閘站孔流狀態(tài)閘孔流速與上下游水位差的關(guān)系表達(dá)式為：Vcp=3.27ΔZ0.49。經(jīng)檢驗(yàn)分析,臨渙閘水文站淹沒(méi)孔流狀態(tài)水位流量關(guān)系表達(dá)式滿(mǎn)足《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2020）的檢驗(yàn)要求,各項(xiàng)指標(biāo)誤差較小,符合規(guī)范的誤差標(biāo)準(zhǔn),可以使用其推流。

（2）臨渙閘水文站單值化的成功分析,實(shí)現(xiàn)流量“軟在線”,為水文站的流量巡測(cè)、間測(cè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),為水文全要素自動(dòng)監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)邁出重要一步。

（3）單值化分析的成功應(yīng)用,使得流量測(cè)次適當(dāng)降低,減輕了測(cè)驗(yàn)、報(bào)汛、整編任務(wù)。從而解放了人力,讓有限的人才集中起來(lái)進(jìn)行巡測(cè),擴(kuò)大水文業(yè)務(wù)范圍,可為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供優(yōu)質(zhì)的水文服務(wù)。