趙德友

水工建筑物測(cè)流技術(shù)在水資源配置工程中的應(yīng)用

趙德友

一、前言

水工建筑物測(cè)流是利用大、中、小各級(jí)河、渠、湖、庫(kù)上已建的堰閘、涵管（隧洞）、水電站、抽水站等水工建筑物，通過實(shí)測(cè)建筑物上下游水頭、水位差等水力因素及閘門開啟高度或電功率，經(jīng)分析確定流量系數(shù)，用以計(jì)算流量的一種方法。

江蘇省位于長(zhǎng)江與淮河的下游，總面積10.26萬(wàn)km2，其中平原水網(wǎng)區(qū)約占85%。全省水網(wǎng)密布，河湖眾多，水系復(fù)雜。為滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展而建設(shè)的各類水工程星羅棋布、錯(cuò)綜復(fù)雜。若按傳統(tǒng)思維模式及生產(chǎn)方式進(jìn)行水量監(jiān)測(cè)與控制，每處需建設(shè)完備的水文測(cè)驗(yàn)設(shè)施，其建設(shè)經(jīng)費(fèi)及運(yùn)行管理經(jīng)費(fèi)將難以承受。因此，必須創(chuàng)新思維，改變傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)方式，研究出一種符合水工建筑物出流特點(diǎn)的流量監(jiān)測(cè)技術(shù)。

本文立足于蘇北地區(qū)水資源配置監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)工程站點(diǎn)，分析研究其出流規(guī)律，旨在為類似工程或類似地區(qū)利用水工建筑物測(cè)流提供技術(shù)支持。

二、率定方法分析

根據(jù)堰閘形式、閘門開啟情況、出流流態(tài)等因素，依據(jù)水力學(xué)基本公式和實(shí)測(cè)資料，主要采用堰閘流量系數(shù)法、水電站效率系數(shù)法、圖解分析法，分析獲得不同出流情況下的水力因素與流量系數(shù)、效率系數(shù)的相關(guān)關(guān)系曲線或相關(guān)方程式，以推求堰閘、涵洞、水電站、電力抽水站等工程的出水流量。

1.流態(tài)判別方法

水工建筑物出流的流態(tài)有堰流和孔流之分，包括自由堰流、淹沒堰流、自由孔流和淹沒孔流。流態(tài)的判別按照下面的方法區(qū)分和控制。

（1）堰流和孔流的判別

根據(jù)堰閘類型和實(shí)測(cè)的閘門相對(duì)開度（e/H）值來(lái)判別，e/H≤（e/H）C時(shí)，為孔流；e/H≥（e/H）C時(shí)，為堰流。式中（e/H）C為孔、堰流分界的臨界值。

（2）自由堰流與淹沒堰流的判別

寬頂堰（平底閘）自由式堰流：（hL/H）<0.8；淹沒式堰流：（hL/H）>0.8。上述（hL/H）為下游水頭與上游總水頭之比。

實(shí)用堰閘在直接觀測(cè)判別有困難時(shí)，取用自由流的經(jīng)驗(yàn)流量系數(shù)和觀測(cè)的（hL/H）值來(lái)判別臨界淹沒點(diǎn)，（hL/H）小于臨界淹沒點(diǎn)即為自由流，（hL/H）大于臨界淹沒點(diǎn)為淹沒流。

（3）自由孔流與淹沒孔流的判別

寬頂堰閘（平底閘）閘下水頭小于閘門開高（hLe）時(shí)為淹沒孔流。

實(shí)用堰閘，水流過閘后水躍產(chǎn)生在堰以下，且堰下水位低于堰頂時(shí)為自由孔流；閘下水位高于閘門底邊，閘下出現(xiàn)淹沒水躍，水躍前端接觸閘門底邊時(shí)為淹沒孔流。

2.堰閘流量系數(shù)法

（1）自由式孔流

對(duì)于平底閘、寬頂堰閘平板及弧形閘門，其自由式孔流流量計(jì)算公式為：

其相關(guān)關(guān)系為e/hu～M1。

對(duì)于實(shí)用堰閘、平底閘，其自由式孔流流量計(jì)算公式為：

其相關(guān)關(guān)系為e/hu～M1。

（2）淹沒式孔流

對(duì)于一般堰閘、涵洞，其淹沒式孔流的流量計(jì)算公式采用公式為：

相關(guān)關(guān)系為 e/△Z～M2，e△Z～M2或e～M2。

（3）淹沒式堰流

對(duì)于一般堰閘（如平底閘、寬頂堰閘、實(shí)用堰閘），其淹沒式堰流的流量計(jì)算公式為：

相關(guān)關(guān)系為△Zhu～σC1，△Z～σC1或△Z/hu～σC1。

上述各式中：

M1、M2——自由、淹沒孔流流量系數(shù)；

C1——自由堰流流量系數(shù)；

Q——流量（m3/s）；

hu——上游水頭（m）；

hc——收縮斷面水深，hc=εe（ε為側(cè)收縮系數(shù)，可根據(jù)e/hu～ε關(guān)系表查得）；

△Z——閘上、下游水頭差（m）；

e——閘門開啟高度（m）；

B——閘門開啟總寬或開啟凈寬（m）；

σ——淹沒系數(shù)。

3.水電站與電力抽水站效率系數(shù)法

水電站流量計(jì)算采用公式：

電力抽水站流量計(jì)算采用公式：

相關(guān)因素為N～η或Ns/N'～η。

式中：

N——單機(jī)功率（kW）；

Ns——發(fā)電機(jī)組總功率（kW）；

N'——額定功率（kW）；

η、η'——綜合效率系數(shù)；

h——實(shí)測(cè)水頭（反擊式水輪機(jī)為站上、下游水頭差；沖擊式水輪機(jī)為站上水位與噴嘴中心高之差；m）。

4.圖解分析法

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)自變量，分別采用一元圖解與多元圖解方法，求得流量系數(shù)和指數(shù)，其計(jì)算公式如下：

式中：α、β——待定指數(shù)；

n——閘門開啟孔數(shù)或電站開機(jī)臺(tái)數(shù)。

三、關(guān)系曲線的確定

建筑物的實(shí)測(cè)流量資料進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)不同水工建筑物的情況選定相關(guān)因素，率定相關(guān)關(guān)系曲線或擬合相關(guān)方程式。部分站點(diǎn)水工建筑物測(cè)流分析成果詳見表1。

四、關(guān)系曲線的檢驗(yàn)

為了明確關(guān)系曲線的合理性和精確度，對(duì)率定或擬合成果進(jìn)行3種檢驗(yàn)，即符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)，并計(jì)算各相關(guān)關(guān)系曲線或關(guān)系式的精度，從而為率定成果的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1.3 種檢驗(yàn)

（1）符號(hào)檢驗(yàn)

符號(hào)檢驗(yàn)的目的主要是檢驗(yàn)相關(guān)曲線兩邊的測(cè)點(diǎn)數(shù)目分配是否均衡合理，借以檢查關(guān)系曲線是否正確。

（2）適線檢驗(yàn)

按水力因素遞增的順序，檢驗(yàn)實(shí)測(cè)點(diǎn)偏離曲線正負(fù)號(hào)的排列情況，借以檢查定線有無(wú)明顯系統(tǒng)偏離。

（3）偏離數(shù)值檢驗(yàn)

檢驗(yàn)測(cè)點(diǎn)偏離關(guān)系曲線的平均偏離值（即平均相對(duì)誤差）是否在合理范圍內(nèi)，借以用數(shù)據(jù)論證曲線定得是否合理。

2.精度評(píng)定

流量定線精度指標(biāo)是指關(guān)系點(diǎn)分布成帶狀，無(wú)明顯系統(tǒng)偏離，75%以上的測(cè)點(diǎn)與關(guān)系線的偏離相對(duì)誤差限度通常用隨機(jī)不確定度和系統(tǒng)誤差的大小來(lái)衡量。

表1 水工建筑物測(cè)流分析成果表

表2 水工建筑物測(cè)流關(guān)系曲線綜合評(píng)定成果表

（1）隨機(jī)不確定度

隨機(jī)不確定度XQ'=2Se，其中：

式中：Se——實(shí)測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差；

n——測(cè)點(diǎn)數(shù)；

XQ'——置信水平95%的隨機(jī)不確定度；

Qi、Mi——實(shí)測(cè)流量（m3/s）、實(shí)測(cè)流量系數(shù)；

Qci、Mci——與Qi、Mi相應(yīng)的曲線（式）上的流量（m3/s）、流量系數(shù)。

（2）系統(tǒng)誤差

關(guān)系線的系統(tǒng)誤差計(jì)算公式為：

式中，e為系統(tǒng)誤差。

選取部分測(cè)站流量關(guān)系曲線（式）的3種檢驗(yàn)結(jié)果及率定精度做綜合評(píng)定，水工建筑物測(cè)流關(guān)系曲線綜合評(píng)定成果見表2。

表2中符號(hào)檢驗(yàn)給定顯著性水平α=0.25，查表可得臨界值 u1-α/2，計(jì)算統(tǒng)計(jì)量小于臨界值時(shí)認(rèn)為定線合理；適線檢驗(yàn)給定顯著性水平α=0.05，查表得臨界值u1-α，計(jì)算統(tǒng)計(jì)量小于臨界值時(shí)認(rèn)為定線合理；偏離數(shù)值檢驗(yàn)給定顯著性水平 α=0.10,查表得臨界值 t1-α/2，計(jì)算統(tǒng)計(jì)量絕對(duì)值小于臨界值時(shí)認(rèn)為定線合理，適線檢驗(yàn)當(dāng)k>0.5（n-1）時(shí)免檢。3種檢驗(yàn)結(jié)果均合理時(shí)認(rèn)定定線正確，本文選用的42處測(cè)站中，36處定線合理，其余認(rèn)為可以定線。

在已率定的42處站點(diǎn)中，根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》對(duì)堰閘站進(jìn)行不同站類的劃分標(biāo)準(zhǔn)，滿足一類精度站標(biāo)準(zhǔn)的31處，二類精度站8處，三類精度站3處，分別占已率定站數(shù)的73.8%、19.1%、7.1%。由此可見，本文的流量率定成果具有較高的精度，同時(shí)也說(shuō)明水工建筑物是一種良好的量水建筑物。通過采集水工建筑物上、下游實(shí)時(shí)水位和閘位，而非實(shí)測(cè)流量，即可實(shí)時(shí)在線完成流量測(cè)驗(yàn)工作。

五、結(jié)語(yǔ)

（1）本次率定的成果，對(duì)于國(guó)家基本站，其實(shí)測(cè)相關(guān)因素變幅基本控制了本站實(shí)際發(fā)生值的95%以上，代表性好；對(duì)于新設(shè)專用站，大部分專用站實(shí)測(cè)相關(guān)因素的變幅控制了實(shí)際發(fā)生值的75%以上，具有較好的代表性。

（2）確定了穩(wěn)定的關(guān)系曲線和關(guān)系式，今后可以利用水工建筑物泄流過程的水位和開啟度資料來(lái)推出流量過程，為供用水計(jì)量以及水文測(cè)驗(yàn)工作提供依據(jù)。

（3）各站點(diǎn)率定的流量關(guān)系曲線依據(jù)的是實(shí)時(shí)水情、工情條件，有一定的流態(tài)、水力邊界和水力因素限制，當(dāng)超出上述流態(tài)、相關(guān)因素變幅時(shí)，必須進(jìn)行實(shí)測(cè)，進(jìn)一步分析水工情變化對(duì)出流量的影響，以期校正、完善各站流量關(guān)系曲線、關(guān)系式。

（4）從供水計(jì)量角度分析，水工建筑物測(cè)流精度能滿足供用水計(jì)量要求，且方法簡(jiǎn)單，成本低，便于管理，減輕了水量量測(cè)工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)高效收集各項(xiàng)水文信息、優(yōu)化水資源配置、防汛抗旱以及工程管理等具有重要意義，同時(shí)也在蘇北地區(qū)水資源配置監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)工程的順利實(shí)施中發(fā)揮了重要作用

江蘇省水文水資源勘測(cè)局 210029）