水工建筑物测流技术在水资源配置工程中的应用

赵德友

水工建筑物测流技术在水资源配置工程中的应用

赵德友

一、前言

水工建筑物测流是利用大、中、小各级河、渠、湖、库上已建的堰闸、涵管（隧洞）、水电站、抽水站等水工建筑物，通过实测建筑物上下游水头、水位差等水力因素及闸门开启高度或电功率，经分析确定流量系数，用以计算流量的一种方法。

江苏省位于长江与淮河的下游，总面积10.26万km2，其中平原水网区约占85%。全省水网密布，河湖众多，水系复杂。为满足经济社会发展而建设的各类水工程星罗棋布、错综复杂。若按传统思维模式及生产方式进行水量监测与控制，每处需建设完备的水文测验设施，其建设经费及运行管理经费将难以承受。因此，必须创新思维，改变传统测验方式，研究出一种符合水工建筑物出流特点的流量监测技术。

本文立足于苏北地区水资源配置监控调度系统工程站点，分析研究其出流规律，旨在为类似工程或类似地区利用水工建筑物测流提供技术支持。

二、率定方法分析

根据堰闸形式、闸门开启情况、出流流态等因素，依据水力学基本公式和实测资料，主要采用堰闸流量系数法、水电站效率系数法、图解分析法，分析获得不同出流情况下的水力因素与流量系数、效率系数的相关关系曲线或相关方程式，以推求堰闸、涵洞、水电站、电力抽水站等工程的出水流量。

1.流态判别方法

水工建筑物出流的流态有堰流和孔流之分，包括自由堰流、淹没堰流、自由孔流和淹没孔流。流态的判别按照下面的方法区分和控制。

（1）堰流和孔流的判别

根据堰闸类型和实测的闸门相对开度（e/H）值来判别，e/H≤（e/H）C时，为孔流；e/H≥（e/H）C时，为堰流。式中（e/H）C为孔、堰流分界的临界值。

（2）自由堰流与淹没堰流的判别

宽顶堰（平底闸）自由式堰流：（hL/H）<0.8；淹没式堰流：（hL/H）>0.8。上述（hL/H）为下游水头与上游总水头之比。

实用堰闸在直接观测判别有困难时，取用自由流的经验流量系数和观测的（hL/H）值来判别临界淹没点，（hL/H）小于临界淹没点即为自由流，（hL/H）大于临界淹没点为淹没流。

（3）自由孔流与淹没孔流的判别

宽顶堰闸（平底闸）闸下水头小于闸门开高（hLe）时为淹没孔流。

实用堰闸，水流过闸后水跃产生在堰以下，且堰下水位低于堰顶时为自由孔流；闸下水位高于闸门底边，闸下出现淹没水跃，水跃前端接触闸门底边时为淹没孔流。

2.堰闸流量系数法

（1）自由式孔流

对于平底闸、宽顶堰闸平板及弧形闸门，其自由式孔流流量计算公式为：

其相关关系为e/hu～M1。

对于实用堰闸、平底闸，其自由式孔流流量计算公式为：

其相关关系为e/hu～M1。

（2）淹没式孔流

对于一般堰闸、涵洞，其淹没式孔流的流量计算公式采用公式为：

相关关系为 e/△Z～M2，e△Z～M2或e～M2。

（3）淹没式堰流

对于一般堰闸（如平底闸、宽顶堰闸、实用堰闸），其淹没式堰流的流量计算公式为：

相关关系为△Zhu～σC1，△Z～σC1或△Z/hu～σC1。

上述各式中：

M1、M2——自由、淹没孔流流量系数；

C1——自由堰流流量系数；

Q——流量（m3/s）；

hu——上游水头（m）；

hc——收缩断面水深，hc=εe（ε为侧收缩系数，可根据e/hu～ε关系表查得）；

△Z——闸上、下游水头差（m）；

e——闸门开启高度（m）；

B——闸门开启总宽或开启净宽（m）；

σ——淹没系数。

3.水电站与电力抽水站效率系数法

水电站流量计算采用公式：

电力抽水站流量计算采用公式：

相关因素为N～η或Ns/N'～η。

式中：

N——单机功率（kW）；

Ns——发电机组总功率（kW）；

N'——额定功率（kW）；

η、η'——综合效率系数；

h——实测水头（反击式水轮机为站上、下游水头差；冲击式水轮机为站上水位与喷嘴中心高之差；m）。

4.图解分析法

根据一个或多个自变量，分别采用一元图解与多元图解方法，求得流量系数和指数，其计算公式如下：

式中：α、β——待定指数；

n——闸门开启孔数或电站开机台数。

三、关系曲线的确定

建筑物的实测流量资料进行分析计算，根据不同水工建筑物的情况选定相关因素，率定相关关系曲线或拟合相关方程式。部分站点水工建筑物测流分析成果详见表1。

四、关系曲线的检验

为了明确关系曲线的合理性和精确度，对率定或拟合成果进行3种检验，即符号检验、适线检验和偏离数值检验，并计算各相关关系曲线或关系式的精度，从而为率定成果的应用提供科学依据。

1.3 种检验

（1）符号检验

符号检验的目的主要是检验相关曲线两边的测点数目分配是否均衡合理，借以检查关系曲线是否正确。

（2）适线检验

按水力因素递增的顺序，检验实测点偏离曲线正负号的排列情况，借以检查定线有无明显系统偏离。

（3）偏离数值检验

检验测点偏离关系曲线的平均偏离值（即平均相对误差）是否在合理范围内，借以用数据论证曲线定得是否合理。

2.精度评定

流量定线精度指标是指关系点分布成带状，无明显系统偏离，75%以上的测点与关系线的偏离相对误差限度通常用随机不确定度和系统误差的大小来衡量。

表1 水工建筑物测流分析成果表

表2 水工建筑物测流关系曲线综合评定成果表

（1）随机不确定度

随机不确定度XQ'=2Se，其中：

式中：Se——实测点标准差；

n——测点数；

XQ'——置信水平95%的随机不确定度；

Qi、Mi——实测流量（m3/s）、实测流量系数；

Qci、Mci——与Qi、Mi相应的曲线（式）上的流量（m3/s）、流量系数。

（2）系统误差

关系线的系统误差计算公式为：

式中，e为系统误差。

选取部分测站流量关系曲线（式）的3种检验结果及率定精度做综合评定，水工建筑物测流关系曲线综合评定成果见表2。

表2中符号检验给定显著性水平α=0.25，查表可得临界值 u1-α/2，计算统计量小于临界值时认为定线合理；适线检验给定显著性水平α=0.05，查表得临界值u1-α，计算统计量小于临界值时认为定线合理；偏离数值检验给定显著性水平 α=0.10,查表得临界值 t1-α/2，计算统计量绝对值小于临界值时认为定线合理，适线检验当k>0.5（n-1）时免检。3种检验结果均合理时认定定线正确，本文选用的42处测站中，36处定线合理，其余认为可以定线。

在已率定的42处站点中，根据《水文资料整编规范》对堰闸站进行不同站类的划分标准，满足一类精度站标准的31处，二类精度站8处，三类精度站3处，分别占已率定站数的73.8%、19.1%、7.1%。由此可见，本文的流量率定成果具有较高的精度，同时也说明水工建筑物是一种良好的量水建筑物。通过采集水工建筑物上、下游实时水位和闸位，而非实测流量，即可实时在线完成流量测验工作。

五、结语

（1）本次率定的成果，对于国家基本站，其实测相关因素变幅基本控制了本站实际发生值的95%以上，代表性好；对于新设专用站，大部分专用站实测相关因素的变幅控制了实际发生值的75%以上，具有较好的代表性。

（2）确定了稳定的关系曲线和关系式，今后可以利用水工建筑物泄流过程的水位和开启度资料来推出流量过程，为供用水计量以及水文测验工作提供依据。

（3）各站点率定的流量关系曲线依据的是实时水情、工情条件，有一定的流态、水力边界和水力因素限制，当超出上述流态、相关因素变幅时，必须进行实测，进一步分析水工情变化对出流量的影响，以期校正、完善各站流量关系曲线、关系式。

（4）从供水计量角度分析，水工建筑物测流精度能满足供用水计量要求，且方法简单，成本低，便于管理，减轻了水量量测工作的劳动强度，对高效收集各项水文信息、优化水资源配置、防汛抗旱以及工程管理等具有重要意义，同时也在苏北地区水资源配置监控调度系统工程的顺利实施中发挥了重要作用

江苏省水文水资源勘测局 210029）