运用Matlab拟合方法分析闸门的水位流量关系

刘述伊

( 黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

0 引 言

在水文学的防汛、防洪中，对于下游的来说，上游所监测的水位和流量数据通常是下游地区进行泄洪、除险、调度、分流等决策的重要依据。因此对于水资源的流量测量有着重大的意义。常见的流量测量有流量计测流法、流速面积法等。

1 过闸水流的流态分类

过闸水流的流态有堰流和孔流两种，视泄流时闸门底缘是否与水流表面接触而判定。当闸门底缘在水面以下，对泄水起控制作用时，称为孔流; 当闸门底缘脱离水流，对泄水不起控制作用时，称为堰流。判定堰流与孔流的分界点至关重要，它与堰顶形式、闸门类型、上下游水位条件以及闸门相对开度等因素有关。

以闸门常用的低坎宽顶堰为例: 当e/H ＞0.65时，为闸孔出流;当e/H ＞0.65，为堰流( e 为闸门开度; H 为闸前水位) 。

2 闸孔出流的流量计算

实际工程中的闸门大多为宽顶堰或曲线型实用堰，闸门型式则主要有平板闸门及弧形闸门。当闸门部分开启，出闸水流受到闸门的控制为闸孔出流。以平板闸门宽顶堰型闸孔自由出 流为例，流过闸孔的流量计算公式为:

式中: m 为闸孔出流的流量系数; b 为闸门宽度; e 为闸门开度; H0为闸孔全水头。

2.1 流量系数的拟合

宽顶堰的进口主要有圆角和平角进口。本文中以孔流圆角进口宽顶堰闸门为例( 当，r/H ≥0.2，r为进口圆弧半径) 。由上式可知，影响流量的主要因素是流量系数，根据别列津斯基经验公式，圆角进口宽顶堰的流量系数m 为:

式中: p 为堰高; H 为闸前水位。

我们每隔0.1 的间距取p/H 计算得到流量系数m 的值，见表1。做出散点图见图1，由散点图得出拟合曲线为:

表1 流量系数m 的计算值

图1 散点图

2.2 淹没系数的拟合

当堰流下游水位较高，水流由急流变为缓流。下游干扰波向上游传播，称为淹没式溢流:

式中: σ 为淹没系数; b 为闸门宽度; e 为闸门开度;H 为闸前水深。

淹没系数与闸门两侧水位差值以及堰前水位的高度比有关，见表2。表格所列出的是根据试验所得的离散的流量淹没系数:

表2 离散的流量淹没系数

2.3 流量的计算

至此，由闸门的上下游水位( H，h) 、闸门开度( e) 、堰顶高程( p) 和堰宽( b) ，通过公式编写程序，可实时求得流过闸门的瞬时流量大小。实测流量与计算流量对比见表3。

表3 过闸实测流量与计算流量对比表

3 结 论

通过对水位流量参数的拟合，可实时监控闸门的流量，实时快速地计算出流量瞬时值，从而可以针对不同的情况有效地控制闸门的开度。但是计算流量的过程中也存在一定的误差: ①闸前水位特别是洪水、大水时候的变化频率非常快，如果不能实时高精度地测量水位，那么流量测量就会有很大的误差，因此必须保证闸前水位测量的高精度和实时性; ②数学模型与实际的流量变化模型还不能完全吻合，拟合的与实际的也有一定差值，但是相对于手绘和人工做图，已经精确了很多。

［1］江苏省水利勘测设计研究院.SL265—2001 水闸设计规范［S］. 北京:中国水利水电出版社，2001.