基于補(bǔ)償水頭差的沿江口門引排流量計(jì)算方法研究

摘要：長江支流口門多建有節(jié)制閘，利用漲落潮過程自行引排水，而引排水流態(tài)的復(fù)雜性使得引排流量過程難以精準(zhǔn)確定。以太湖流域楊林塘口門為例，通過分析引排水調(diào)度方式及流態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)漲潮時(shí)開啟中孔閘門引水，內(nèi)河側(cè)流態(tài)復(fù)雜且附近水位差別大，而落潮時(shí)開啟全部閘門排水，外江側(cè)流態(tài)復(fù)雜且附近水位有所差別。為此，提出了一種基于補(bǔ)償水頭差的沿江口門引排流量計(jì)算方法。該方法通過設(shè)置系列補(bǔ)償水頭差修正堰流公式中的水位，統(tǒng)計(jì)了計(jì)算流量與實(shí)測流量偏差值，進(jìn)而建立了流量偏差值與補(bǔ)償水頭差的相關(guān)關(guān)系，最終確定適宜的補(bǔ)償水頭差，從而建立適宜沿江口門引排流量計(jì)算公式。結(jié)果表明：利用該方法預(yù)測的引水流量誤差減小40%～50%，排水流量誤差減小3%～6%。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供工程設(shè)計(jì)人員及閘管單位運(yùn)行管理人員借鑒。

關(guān) 鍵 詞：引排水；補(bǔ)償水頭差；流量過程；漲落潮；太湖流域；長江

中圖法分類號(hào)：TV61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.08.025

0 引 言

中國重要入海河流如長江、珠江、黃河、錢塘江等兩岸支流口門區(qū)域，相繼修建了大量兼具引排水和航運(yùn)功能的樞紐工程，支撐區(qū)域水資源需求和航運(yùn)條件的改善^［1］，為區(qū)域的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。水位控制是水利工程調(diào)度運(yùn)行的關(guān)鍵，其中流量調(diào)節(jié)控制對工程的安全至關(guān)重要。長江干流的水位變化直接影響支流口門的引排流量。在洪水季節(jié)，長江水位上升，可能導(dǎo)致支流排水困難，反之亦然^［2］。入海河流受到徑潮流交匯作用，導(dǎo)致支流口門在利用漲落潮以及閘門調(diào)度進(jìn)行引排水時(shí)，口門區(qū)流態(tài)變得復(fù)雜，從而導(dǎo)致河床^［3］以及含沙量^［4］發(fā)生改變。在此條件下如何準(zhǔn)確獲取實(shí)時(shí)引排流量過程，對水資源調(diào)度及航道安全運(yùn)維具有重要意義^［5］。

感潮閘壩位于感潮河段支流口門處，受潮汐、降雨及閘門開度等因素影響，流量實(shí)時(shí)變化，非常復(fù)雜。從水位控制角度，楊開華等^［6］制定了一套科學(xué)合理的水位動(dòng)態(tài)控制方案，對汛期運(yùn)行水位進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制調(diào)節(jié)。王競敏等^［2］以黃池溝配水樞紐為例，構(gòu)建水位動(dòng)態(tài)控制模型，提出了不同工況下水位動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制策略，保障工程運(yùn)行安全。從調(diào)度運(yùn)行優(yōu)化角度^［7］、水資源利用的角度^［8］，專家學(xué)者更關(guān)注平均流量及總水量。Jain等^［9］針對印度的一個(gè)跨流域調(diào)水工程水庫群系統(tǒng)，從水資源分配方面進(jìn)行分析，通過規(guī)劃連接系統(tǒng)，滿足各區(qū)域需水。

長江感潮閘壩水文站引排水量推算基本采用“一潮推流法”^［10］，感潮河道開閘排水期的平均流量、最大流量與潮汐要素（潮位、潮差，漲落潮（開關(guān)閘）歷時(shí)等）密切相關(guān)，若將兩者之間建立一定的相關(guān)關(guān)系，即可根據(jù)感潮河道每潮的潮汐要素，推算一潮平均流量與引排水量。仲兆林等^［11］在“一潮推流法”的基礎(chǔ)上開展淹沒堰閘流量計(jì)算公式的研究，運(yùn)用已有流量成果反推堰閘流量計(jì)算公式的淹沒流量系數(shù)，從而建立淹沒流量系數(shù)與下游開閘水位之間的關(guān)系。萬曉凌等^［12］研究了淹沒式孔流，以水力學(xué)公式為基礎(chǔ)，用回歸分析法擬合相應(yīng)的關(guān)系方程式，采用水位差與流量建立關(guān)系，以水位差與閘門開啟高度作為相關(guān)因子來率定關(guān)系。仲兆林^［13］借助“一潮推流法”，運(yùn)用圖解法直接率定了德勝河1997～2005年逐年引排水量的計(jì)算公式。由于“一潮推流法”工作量大，且相關(guān)關(guān)系為指數(shù)關(guān)系，定線計(jì)算較復(fù)雜，每年需要施測，率定系數(shù)多，任曉東等^［14］以楊林閘（閘上游）水文站為例，提出了雙高推流法計(jì)算引排水量（該方法的核心思想是一潮最高水位與波高之和與平均流量直線相關(guān)），為沿江感潮閘壩水文站的引排水量推算、統(tǒng)計(jì)提供一種簡易可行的方法。

然而上述方法將一個(gè)納排潮過程看作整體，建立平均流量及引排總水量與相關(guān)因素的關(guān)系，易受引排水時(shí)復(fù)雜流態(tài)的影響^［15］，尚無法給出納排潮過程中瞬時(shí)流量過程，針對類似過程，有專家學(xué)者提出過“干擾流量”^［16］的概念。本文以楊林塘口門為例，分析引排水調(diào)度方式及流態(tài)特征，針對感潮河段口門流態(tài)復(fù)雜帶來的引排流量計(jì)算偏差問題，提出利用補(bǔ)償水頭差計(jì)算引排口門流量過程的方法。

1 區(qū)域概況

1.1 地理位置

楊林塘是太湖流域陽澄水網(wǎng)的一條重要通江河道，位于蘇州市東部，西起陽澄湖鰻鯉涇，向東至太倉浮橋，于楊林口入長江，流經(jīng)昆山、太倉二市（圖1）。河道全長40.25 km，其中昆山段長14.45 km，太倉段長25.8 km，集水與排澇面積746.7 km²。楊林塘樞紐位于楊林塘入江口，是江蘇省“兩縱五橫”干線航道網(wǎng)中連接蘇南運(yùn)河和長江的重要節(jié)點(diǎn)樞紐。

1.2 工程布置

楊林塘樞紐包括船閘和節(jié)制閘兩部分（圖2），船閘按三級(jí)通航建筑物標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，樞紐距離入江口1 800 m。楊林塘船閘閘室凈寬23.0 m，長230 m；節(jié)制閘位于船閘南側(cè)，中心線與船閘中心線平行，相距90 m。節(jié)制閘與船閘下閘首平齊，分3孔，兩邊孔凈寬10 m，中間孔16 m。節(jié)制閘排澇流量為313 m³/s，引水流量383 m³/s，自建成以來，保持高強(qiáng)度高效率運(yùn)行，利用漲落潮差引排水，年均引排水約200潮次，樞紐發(fā)揮著通航、防洪排澇、調(diào)節(jié)水環(huán)境等綜合效益。

1.3 水文條件

楊林塘與長江相連，受潮汐影響，每天兩漲兩落，一般漲潮歷時(shí)4 h左右，落潮歷時(shí)8 h左右，并有較明顯日潮不等現(xiàn)象，如圖3所示。楊林塘所處河網(wǎng)區(qū)域^［17］地勢平坦，水面比降小，河網(wǎng)密布，受降雨中心及引排水影響，流向往復(fù)不定。多年來，河網(wǎng)的最高水位為2.252 m，最低水位為0.832 m，每年1～6月水位逐漸上漲，此后開始下降，在年末出現(xiàn)輕微抬升^［18］。船閘上、下游引航道口門處設(shè)有兩個(gè)水位計(jì)（圖2），用于實(shí)時(shí)觀測水位。節(jié)制閘內(nèi)河側(cè)建有楊林水文站（圖2），用于觀測引排水的最大流量、最大水位及引水總量。

2 引排水調(diào)度方式及流態(tài)特征

2.1 引排水時(shí)機(jī)

基于2020年9月節(jié)制閘內(nèi)外水位變化情況及閘門調(diào)度記錄資料，分析得出引排水水位如圖3所示，引排水瞬時(shí)最大流量及引排水量特征如圖4所示。漲潮時(shí)段，外江水位高于內(nèi)河水位0.5 m左右時(shí)，開啟閘門引水，由于高潮峰值大，僅開啟閘門中孔引水，引水時(shí)間4～6 h，日瞬時(shí)最大流量為300 m³/s，日引水量最高達(dá)400萬m³。落潮時(shí)段，外江水位低于內(nèi)河水位1 m左右時(shí)，開啟閘門排水，由于低潮谷值小，開啟3孔閘門排水，排水時(shí)間4～6 h，日瞬時(shí)最大流量250 m³/s，日排水量最高達(dá)到350萬m³。

2.2 引水流態(tài)

根據(jù)節(jié)制閘實(shí)際引排調(diào)度，引水時(shí)只保留中孔正常引排，很少情況下會(huì)開啟左右兩側(cè)閘孔。引水時(shí)流態(tài)^［19］如圖5所示，引水時(shí)內(nèi)河水位迅速上漲，流態(tài)紊亂，內(nèi)河側(cè)水位測量點(diǎn)區(qū)域易產(chǎn)生回流，此時(shí)水位波動(dòng)性大，測量水位精準(zhǔn)度低。內(nèi)河水位測量點(diǎn)流態(tài)復(fù)雜，因?yàn)樘幱诨亓鲄^(qū)域，位置不同會(huì)產(chǎn)生不同的水流差。外江側(cè)流態(tài)平順，水位差別不大；內(nèi)河流態(tài)復(fù)雜，水位差別大。

2.3 排水流態(tài)

根據(jù)節(jié)制閘實(shí)際引排調(diào)度，排水時(shí)3個(gè)閘孔全開。排水時(shí)流態(tài)^［19］如圖6所示，內(nèi)河側(cè)水位測量點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生明顯回流但回流程度明顯小于引水時(shí)段。內(nèi)河側(cè)流態(tài)平順，水位差別不大；外江測略有復(fù)雜流態(tài)，水位略有差別。

3 引水補(bǔ)償水頭差

3.1 引水流量計(jì)算

內(nèi)河側(cè)及外江測水位計(jì)均安裝在船閘口門區(qū)，可實(shí)時(shí)記錄引水過程的內(nèi)河水位H₂和外江測水位H₁。調(diào)度過程中同步記錄了節(jié)制閘調(diào)控方式，包括閘門開啟數(shù)目、閘門開啟和關(guān)閉時(shí)間、閘門開啟高度等。

針對節(jié)制閘2021年1月實(shí)際引水過程，利用堰流公式^［20］初步計(jì)算引水流量Q：

式中：q為流量系數(shù)，ε為側(cè)收縮系數(shù)，δ為淹沒系數(shù)，x為閘門開孔數(shù)，b為堰頂過水凈寬，H₁、H₂為外江和內(nèi)河水位。計(jì)算的日最大流量與水文站實(shí)測最大流量對比結(jié)果如圖7及表1所示。由于外江側(cè)流態(tài)平順，水位測量值與實(shí)際值相比差別不大；而內(nèi)河流態(tài)復(fù)雜，水位測量值與實(shí)際值相比差別較大，計(jì)算的日最大流量僅為實(shí)測流量的50%，平均差值ΔQ^-=-170 m³/s。出現(xiàn)偏差的主要原因?yàn)橐畷r(shí)閘門內(nèi)河流態(tài)復(fù)雜，水位差別大，為系統(tǒng)性誤差，需要采用補(bǔ)償水頭差進(jìn)行修正。

3.2 引水補(bǔ)償水頭差計(jì)算

本文將利用補(bǔ)償水頭差修正水位，從而提高計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性。當(dāng)堰流公式計(jì)算所得流量與實(shí)測流量平均差ΔQlt;0時(shí)，設(shè)置以0.05 m為增幅的系列補(bǔ)償水頭差，根據(jù)堰流公式進(jìn)行計(jì)算，獲得修正水位后的計(jì)算日最大流量與實(shí)測日最大流量之間均方差S，進(jìn)一步建立均方差與補(bǔ)償水頭差的關(guān)系曲線，如圖8所示?？梢?，當(dāng)補(bǔ)償水頭差ΔH為0.27 m時(shí)，流量差值均方差最小，即計(jì)算引水流量最接近實(shí)測引水流量，從而獲得引水流量計(jì)算公式：

采用該公式計(jì)算的日最大流量與實(shí)測值的對比如圖9所示，可見計(jì)算值與實(shí)測值在趨勢和量值上均吻合較好。

采用2021年3月的引水過程驗(yàn)證上述公式的合理性。2021年3月引水流量最高達(dá)到400 m³/s，引水總量共1 032萬m³。未考慮補(bǔ)償水頭差時(shí)的計(jì)算值與實(shí)測值對比如圖10所示，最大偏差達(dá)200 m³/s；而考慮補(bǔ)償水頭差時(shí)的計(jì)算值與實(shí)測值對比如圖11所示，誤差減小40%～50%?？梢娪?jì)算值與實(shí)測值吻合較好，提出的基于補(bǔ)償水頭差的引水流量計(jì)算公式可用于楊林塘口門引水流量的精確計(jì)算。

4 排水補(bǔ)償水頭差

4.1 排水流量計(jì)算

針對節(jié)制閘2020年7月實(shí)際排水過程，利用堰流公式^［20］初步計(jì)算排水流量：

計(jì)算的排水日最大流量與水文站實(shí)測最大流量對比結(jié)果如表2及圖12所示。由于排水時(shí)內(nèi)河側(cè)流態(tài)平順，水位差別不大；而外江側(cè)流態(tài)略復(fù)雜，水位差略有差別，計(jì)算出的最大流量高于實(shí)測流量3%左右，平均差值ΔQ=8 m³/s，為系統(tǒng)性誤差，需要減小上下游水位差進(jìn)行計(jì)算補(bǔ)償。

4.2 排水補(bǔ)償水頭差計(jì)算

當(dāng)排水計(jì)算日最大流量與實(shí)際日最大流量差的平均值ΔQgt;0時(shí)，設(shè)置以-0.01 m為增幅的系列補(bǔ)償水頭差，根據(jù)堰流公式進(jìn)行計(jì)算，獲得減小補(bǔ)償水位差后的計(jì)算日最大流量與實(shí)測日最大流量之間的均方差S，進(jìn)一步建立均方差與補(bǔ)償水頭差之間的關(guān)系曲線。如圖13所示?？梢?，當(dāng)補(bǔ)償水頭差為-0.05 m時(shí)，流量差值均方差最小，即計(jì)算排水流量最接近實(shí)測排水流量，從而獲得排水流量計(jì)算公式：

采用該公式計(jì)算的日最大流量與實(shí)測值的對比如圖14所示，誤差減小了3%。可見計(jì)算值與實(shí)測值在趨勢和量值上均吻合較好。

進(jìn)一步采用2020年6月的排水流量過程驗(yàn)證上述公式的合理性，該月排水流量最高達(dá)到300 m³/s，排水水量共6 725萬m³。未考慮補(bǔ)償水頭差時(shí)的計(jì)算值與實(shí)測值對比如圖15所示，計(jì)算值與實(shí)測值最大偏差達(dá)100 m³/s；而考慮補(bǔ)償水頭差后的計(jì)算值與實(shí)測值對比如圖16所示?？梢娪?jì)算值與實(shí)測值吻合較好，說明提出的基于補(bǔ)償水頭差的引水流量計(jì)算公式可用于楊林塘口門排水流量計(jì)算。

5 結(jié)論及建議

（1）楊林塘節(jié)制閘引水過程中僅開啟中孔閘門，而排水過程中開啟全部閘門。引水時(shí)外江側(cè)流態(tài)平順，水位差別不大；而內(nèi)河流態(tài)復(fù)雜，水位差別大。排水時(shí)內(nèi)河側(cè)流態(tài)平順，水位差別不大；而外江測流態(tài)復(fù)雜，水位差略有差別。引排水復(fù)雜流態(tài)下，堰流公式計(jì)算流量與實(shí)測流量之間存在明顯偏差。

（2）補(bǔ)償水頭差為水位計(jì)所處位置處不良流態(tài)造成的系統(tǒng)性水位差，在計(jì)算流量偏小情形下取為正值，計(jì)算流量偏大情形下取為負(fù)值。補(bǔ)償水位水頭差的數(shù)值可通過建立流量均方差與系列補(bǔ)償水頭差之間的相關(guān)關(guān)系獲得，流量均方差最小時(shí)對應(yīng)的補(bǔ)償水頭差即為最適宜的補(bǔ)償水頭差。

（3）楊林塘口門引水補(bǔ)償水頭差為0.27 m，排水補(bǔ)償水頭差為-0.05 m，根據(jù)計(jì)算提出了適宜的排水流量計(jì)算公式，預(yù)測的引排水流量誤差分別減小40%～50%和3%～6%。

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（編輯：胡旭東）

Calculation method of diversion and drainage discharge through entrances of tributaries to

Changjiang River based on compensated water head difference

ZHANG Rui，LI Shouqian，WANG Zhili，ZHU Mingcheng，LU Yan

（Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

Abstract：There are many control gates at the entrances of tributaries to the Changjiang River，which use the process of flood and ebb tide to divert and drain water by themselves.However，the complexity flow pattern makes it difficult to accurately determine the process of diversion and drainage.Taking the Yanglintang estuary in the Taihu Lake Basin as an example，by analyzing the diversion and drainage scheduling methods and flow characteristics，we find that when the middle-hole gate is opened for water diversion during the flood tide，the flow pattern on the inland river side is complex and the water level near it is quite uneven；when all gates are opened for drainage during the ebb tide，the flow pattern on the outer river side is complex and the water level near is also uneven.Therefore，a calculation method for the diversion and drainage flow process of the estuary along the Changjiang River based on compensating for head difference is proposed.In this method，the water level in the weir flow formula was corrected by setting a series of compensated water head difference，and the deviation value between the calculated flow and the measured flow was counted，and then the correlation between the flow deviation value and the compensated water head difference was established.Finally，the appropriate compensated water head difference was determined，so as to establish a calculation formula suitable for the diversion and discharge process of the gates on the Changjiang River tributaries.The results showed that the error of diversion flow calculated by this method was reduced by 40%～50%，and the error of drainage flow was reduced by 3%～6%.Relevant experiences can be used as reference for engineering designers and operation and maintenance personnel of gate management units.

Key words：diversion and drainage; compensated water head difference; flow process; flood and ebb tide; Taihu Lake Basin; Changjiang River