周建偉 王慶斌 張建國 張文利 李鳳軍 陳文鵬

引黃涵閘泄流曲線率定技術設計

周建偉 王慶斌 張建國 張文利 李鳳軍 陳文鵬

（黃河水利委員會山東水文水資源局 山東濟南 250100）

隨著黃河水資源供需矛盾的日益突出，水資源需求管理是水資源可持續(xù)利用的必由之路。水資源需求管理的主要內(nèi)容涉及水資源管理中的有關法規(guī)、管理體制、經(jīng)濟效益與調(diào)節(jié)手段、機構能力建設以及相關的科學技術手段等。本文結合黃河水資源統(tǒng)一調(diào)度的管理要求，利用水力學的基本原理，從加強引黃涵閘泄流科學管理入手，探討了引黃涵閘泄流曲線的率定方法，為水量調(diào)度管理機構科學、合理地監(jiān)管各引黃涵閘的泄流情況提供科學依據(jù)，對于水資源的科學調(diào)度，優(yōu)化水資源的配置，確保水資源的合理利用具有重要的指導作用。

黃河 涵閘 泄流曲線 方法 研究

1 前言

黃河作為我國西北、華北地區(qū)的重要水源，以其占全國河川徑流2%的有限資源，承擔著本流域內(nèi)及下游引黃灌區(qū)占全國15%的耕地面積（2.5億畝）的灌溉任務，并且還承擔著全國12%的人口（約1.4億）、50多座大中城市及晉、陜、蒙能源基地及中原勝利油田的供水任務，同時還有向流域外的河北、天津地區(qū)遠距離調(diào)水的任務。隨著黃河流域社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對黃河水資源需求不斷增加，黃河水資源供需矛盾日益加重。

由于黃河下游河南、山東河段引黃涵閘眾多，引黃能力和年實際引水量很大。如何準確監(jiān)控涵閘引水量，合理分配水資源，切實算清黃河水帳成為水調(diào)管理部門思考的問題。但自1982年以來，由于多種原因，黃河下游各引黃涵閘的測驗方法和手段，曲線的率定存在很大差別，直接影響了引黃水量的計算精度和河段水量平衡。隨著黃河下游引黃涵閘監(jiān)控系統(tǒng)的實施，開展黃河下游引黃涵閘流量比測及流量系數(shù)、關系曲線率定成為保持水資源可持續(xù)利用的必然。

2 泄流公式及其原理

2.1河道水文資料整編方法

河道水位流量關系，一般是指基本水尺斷面的水位與通過該斷面或測流斷面（距離基本水尺斷面不遠，其間無支流匯入或水量分出）的流量建立關系。但由于河道的沖淤、回水的變動、洪水的漲落、水生植物的壅堵及凌汛期冰凌的影響，都會對水位流量關系產(chǎn)生一定的影響，造成關系曲線發(fā)生不同程度的變化。水位流量關系曲線的穩(wěn)定與否，主要取決于影響流量的各水力因素是否穩(wěn)定，根據(jù)曼寧公式：

上兩式中，Q為流量（m3/s）；A為斷面面積（m2）；V為斷面平均流速（m/s）；n為河床糙率；R為水力半徑（m）；S為水面比降。

要使水位流量關系曲線保持穩(wěn)定，必須在測站控制良好的情況下，同一水位的斷面面積、水力半徑、河床糙率、水面比降等因素均保持不變，或者各因素雖有變化，但能集中反映在斷面面積、斷面平均流速兩因素能互相補償，使同一水位只有一個相應流量，其關系就成為單一曲線。

對于單一的閘門來說，在一定時期內(nèi)，其泄流渠道的各水力因素一般是穩(wěn)定的，對于泄流曲線的率定可以采用此方法。一般可以根據(jù)閘門的情況建立閘下（或閘上）水位～流量（面積）或閘下（或閘上）水頭～流量關系曲線。

2.1.1 閘下（或閘上）水位～流量（面積）關系曲線

各相關單一曲線多項式形式如下：

以上式中，Q為涵閘下泄流量（m3/s）；Z為閘下（或閘上）基本水尺水位（m）；A為閘下（或閘上）測流斷面過水面積（m2）。

a1、b1、c1；a2、b2、c2；a3、b3、c3：常數(shù)項

2.1.2 閘下（或閘上）水頭～流量關系曲線

單一曲線的公式形式：多項式形式：

乘冪形式：

上兩式中，Z0為涵閘閘底板高程，其他符號同2.1.1。

2.2水力學法

2.2.1 流量系數(shù)法

這種方法的原理是通過實測流量率定的流量系數(shù)，根據(jù)堰閘形式、閘門開啟情況、流態(tài)等因素，按水力學基本公式分析獲得的不同出流情況下的水力因素與流量系數(shù)的相關關系曲線或關系方程式，以推算堰閘的過水流量。

根據(jù)流態(tài)的不同，各種條件下的流量計算公式形式為：

根據(jù)流態(tài)的不同，各種條件下的流量系數(shù)與相關因素的關系為：

以上式中，hu為上游水頭，單位m；hl為下游水頭，單位m；e為閘門開啟高度，單位m；B為閘門總寬，單位m；△Z為水頭差，單位m；

M、M1、C、C1為不同流態(tài)的綜合流量系數(shù)，可由實測流量利用以上公式進行反算。

2.2.2 經(jīng)驗系數(shù)法

這種方法的原理是根據(jù)不同流態(tài)以水力學公式為基礎，用回歸分析法擬合相應的關系方程式或經(jīng)驗公式，進而推求閘門過水流量。

根據(jù)流態(tài)的不同，各種擬合關系方程式形式為：

3 泄流曲線的率定方法及要求

3.1水位流量關系曲線法

3.1.1 閘下（上）基本水尺水位～流量關系

（1）率定方法。根據(jù)各閘的實際情況，應用實測流量資料，點繪出閘下（或閘上）基本水尺斷面的水位～流量關系曲線和水位～面積關系曲線，進而擬合出多項式關系方程式，以推算堰閘的過水流量。

（2）要求。應用此方法建立關系曲線推流，測流斷面不應有較大的沖淤變化，斷面位置應有較好的代表性，流量測驗方法正確，符合規(guī)范要求，能夠準確反映出閘門的實際過水流量；基本水尺斷面水位應與遙測水位計水位高程系統(tǒng)相一致且二者水位誤差符合水位觀測規(guī)范要求。

3.1.2 閘（上）下水頭～流量關系

（1）率定方法。由于用水位～流量關系曲線法擬合的關系方程式，水位是高程數(shù)據(jù)，造成公式的常數(shù)項明顯較大，在實際應用時易造成概念誤解，且存在著較大的誤差。因此有必要對該公式形式進行一些必要的變形，建立閘（上）下基本水尺水位與閘底板高程之差（Z-Z0）的閘下水頭hl與流量（Q）的關系。

（2）要求。應用閘下水頭～流量關系法擬合的函數(shù)方程式，除具有閘下（上）基本水尺水位～流量關系曲線法擬合函數(shù)方程式的一般要求外，閘上、閘下基本水尺水位與閘上、閘下的遙測水位計水位及閘底板高程系統(tǒng)相一致，水位觀測誤差以及與遙測水位計的對比觀測誤差符合水位觀測規(guī)范要求。

3.2水力學法

3.2.1 水流流態(tài)的分類及判斷

有沖淤變化的測流斷面，宜用水力學法。在運用水力學法進行率定時，首先要進行流態(tài)判別。黃河下游引黃涵閘下泄水流的流態(tài)一般有四種：即自由堰流、淹沒堰流、自由孔流和淹沒孔流。

（1）自由堰流條件：e＞hu，hl/ hu≤0.8；

（2）淹沒堰流條件：e＞hu，hl/ hu≥0.8；或Q=C1Bhu3/2

（3）自由孔流條件：hu＞e＞hl；

（4）淹沒孔流條件: hu＞e＜hl

以上各流態(tài)公式及符號同式（8）～式（12）3.2.2 流量系數(shù)法

（1）率定方法。用流量系數(shù)法進行泄流曲線率定時，應用閘門的實測流量資料，首先進行流態(tài)的判別，根據(jù)不同的流態(tài)，選取相應的公式，建立流量系數(shù)與相關因素關系的擬合方程式，然后將流量系數(shù)擬合的方程式代入相應流態(tài)的計算公式計算流量，

（2）要求。應用流量系數(shù)法進行泄流曲線率定時，除應具有3.1.1與3.1.2的相關要求外，流態(tài)判斷應準確，不同的流態(tài)應選用不同的相關因素率定流量系數(shù)公式，閘門開啟高度、寬度應準確。

3.2.3 經(jīng)驗系數(shù)法

（1）率定方法。用經(jīng)驗系數(shù)法進行泄流曲線率定時，需要根據(jù)閘門類型、開啟情況、流態(tài)和實測流量資料，選取相應的流量計算公式，建立流量與相關因素相關關系的擬合經(jīng)驗公式計算流量。

（2）要求。應用經(jīng)驗系數(shù)法進行泄流曲線率定時，除應具有3.1.1、3.1.2和3.2.2的相關要求外，不同的流態(tài)應選用不同的相關因素與流量建立相關關系擬合經(jīng)驗方程式。

4 率定曲線的合理性檢驗

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-1999）的有關規(guī)定，對于關系曲線為單一曲線，使用時間較長的臨時曲線及經(jīng)單值化處理的單一線，且測點在10個以上者，應做符號檢驗、適線檢驗和偏離數(shù)值檢驗，并應符合下列規(guī)定。

4.1符號檢驗

進行符號檢驗時，應分別統(tǒng)計測點偏離曲線的正、負號個數(shù)（偏離值為零者，作為正、負號測點各半分配），按公式（21）計算統(tǒng)計量u值并將其與用給定的顯著性水平α查表1所得的u1?α/2值比較，當計算的u

以上式中，u為統(tǒng)計量；n為測點總數(shù)；k為正號或負號個數(shù)；p、q為正、負號概率，各為0.5。

表1 臨界值u1?α/2與u1?α/2

符號檢驗時，α值采用0.25，臨界值按表1確定。

4.2適線檢驗

進行適線檢驗時應按測點水位由低至高排列順序，從第二點開始統(tǒng)計偏離正負符號變換，變換符號記1，否則記0。統(tǒng)計記“1”的次數(shù)，按公式（22）計算u值并與給定的顯著性水平α查表1的uα?1比較，當u＜uα?1則認為合理，即接受檢驗；否則應拒絕原架設。

以上式中，u為統(tǒng)計量；n為測點總數(shù)；k為變換符號次數(shù)，k<0.5(n-1)時作檢驗，否則不作此檢驗；p、q分別為變換、不變換符號的概率，各為0.5。

適線檢驗時，α值采用0.05～0.10，臨界值按表1確定。

4.3偏離數(shù)值檢驗

進行偏離數(shù)值檢驗時應按公式（23）、式（24）分別計算t值，值，并將t值與（3）取水、放空設施整治方案調(diào)整后，更便于大壩的運行管理，同時有利于保障大壩的安全。用給定顯著性水平α查表2的t1?α/2值比較，當|t|

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1672-2469(2014)06-0044-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.06.015

周建偉（1966—），男，高級工程師。