嘉峪关水文站堰闸推流探讨

张文春，蒋 憬，吴锦奎

(1.甘肃省酒泉水文水资源勘测局，甘肃嘉峪关735100；2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所流域水文及应用生态实验室，甘肃兰州730000)

嘉峪关水文站堰闸推流探讨

张文春1，蒋 憬1，吴锦奎2

(1.甘肃省酒泉水文水资源勘测局，甘肃嘉峪关735100；2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所流域水文及应用生态实验室，甘肃兰州730000)

针对讨赖河嘉峪关水文站堰闸推流方法做了详细的分析论证。根据实测资料，绘制出堰闸前水头hu—流量系数C1、溢洪坝上游水头hu—流量系数C1及闸门开启高度与闸前水头之比e/hu—孔流流量系数M等关系曲线图，找出堰闸出流规律，确定出流流量计算公式，推求自由式堰流和孔流流量系数及溢洪坝流量系数，并率定得出经验公式。在Excel电子表格中编制出孔流流量计算模块，完成推流计算，解决了复杂的测验和整编过程。

自由式堰流；孔流；溢洪坝；流量系数；推流；嘉峪关水文站

0 引 言

堰闸流量的水力学推算与堰闸上游水头hu、闸门开度e、闸下水头、闸上下游河床稳定性、闸门和堰坝及闸墩等结构形式有关[1]。在过闸流量计算中，自由堰流流量Q因是hu的单值函数，hu—Q或hu—C1(自由式堰流流量系数)关系线一般都较稳定且便于单站综合；而自由孔流流量不仅与hu有关，还与e有关，直接建立e/hu—M相关(e/hu为相对开启高度，M为自由孔流流量系数)，有些堰闸其相关性往往不够理想。当测次较少且分布不均匀时，定线任意性较大，甚至无法定线，给推流带来困难。特别是小开启高度情况下，测点常位于曲线下端，因变率较大，又没有明显的控制界限，不宜作曲线延长，流量计算精度往往得不到保证[2]。

讨赖河是内陆河流域黑河水系黑河一级支流，嘉峪关水文站是唯一监测讨赖河水情变化的国家一级流量控制站，集水面积为7 095 km2。本站肩负着讨赖河水文测验、原始资料收集的任务，承担着向中央防汛办、甘肃省防汛办以及嘉峪关、酒泉市肃州区和金塔县抗旱防汛提供可靠水文信息的重任，并对三地工农业水资源量分配和评价都具有重要意义。本站有6个测验断面，其中堰闸测验是重点。河道3个堰闸测流断面根据闸门提起高度分为堰流和孔流。堰流时，当水位超过堰闸中间导流墙时，用流速仪测流无法进行，用浮标测流因受流向不顺直的影响而无法正常施测，用堰流公式推流是最有效的选择，因此水位超过导流墙时的堰流、堰闸自由孔流和溢流坝推流计算是本研究的主要内容。

1 基本原理

1.1 堰闸类型

河道闸室和导流槽(渠)底成一水平面，没有堰坝建筑物，本站一、二、三闸即为平底闸。溢流坝闸舌为流线型的堰闸建筑物，故为实用堰闸。

1.2 出流状态

由于河道堰闸下端消力池比闸室高程低0.5 m，消力池跌水断面高于下游河道1.8 m，跌水处水位低于闸前水位，不影响堰闸出流大小，故为自由式堰闸。根据闸门提起水面高度的情况，又分为自由式堰流和自由式孔流二种；溢流坝堰顶高程远高于坝下高程，其高差为5.0 m，闸舌为流线型的堰闸建筑物，故为自由式实用堰闸。

1.3 出流公式

根据本站测验情况确定自由式堰流和自由式实用堰闸的推流公式为[3]

(1)

自由式孔流的推流公式为[3]

(2)

式中，B为闸门总宽度，m。

2 河道堰闸自由式堰流流量推求

对于堰闸来说，自由式堰流流量推求从式(1)可知，B是已知的，hu可从上游水位资料中获得，只有C1是未知量，因此C1值的推求是计算堰流流量的关键。C1值的确定分为有无实测资料和有实测资料两种情况。

2.1 无实测资料情况下推求C1

本站建站初期没有实测资料，因此需根据无实测资料情况下进行C1的推求。一般堰闸流量Q与上游水头hu(或上游水位Z)具有稳定的单值关系，但由于Z—Q资料在实际中难以实测，往往需要经验公式[3]来推求

C1=(2/3)×(2g)1/2μ即C1=2.95μ

(3)

式中，μ=φε，μ为堰闸综合系数；φ为流速系数；ε为收缩系数。

(1)收缩系数ε、流速系数φ的确定。ε值，由于三个堰闸的流向、流速分布的不同，所取值也不同。根据本站测站控制特点，再结合《水文测验手册》[4]，一闸取0.95，二闸取0.92，三闸取0.88。φ值，一闸取1.00，二闸取0.95，三闸取0.88。

(2)流量系数C1值计算。利用式(3)计算可得，一闸C1值为2.80，二闸C1值为2.58，三闸C1值为2.28。

2.2 有实测资料情况下推求C1

选取2003年和2007年一闸和三闸水位大于4.00 m(水位超过导流墙)以上的资料进行分析。因一闸、三闸在堰流状态下出流所受因素不同，分别进行研究。其步骤为：

(1)选取实测流量Q及相应的Z和B资料，建立Z—Q关系曲线(图略)。

(2)用Qc、hu和B资料计算C1，即

(4)

(3)点绘相关因素Z-C1关系曲线图。

(4)在Z(hu) —C1上查出各级上游水位下的C1值直接代入(1)式计算出流量。

图1 讨赖河嘉峪关(一闸)站C1 ～ hu高水关系曲线

2.3 结果分析

(1)在测站控制特性和堰流状态下，当遇到超过导流墙的大洪水时，只开一个或二个闸门、或全开时，此情形均属于自由堰流，是本文讨论的主要堰流状态。

(2)三个堰闸闸门同时开启时，水位一般情况下从三闸到一闸依次降低；三闸水流扰动较小，二闸水流扰动较大，一闸水流扰动最大。

(3)根据一闸Z—C1关系分析，当遇各闸部分开启时，水位超过导流墙时，在各闸的扰动水流作用下和闸门关闭产生壅水情况下，致使Z—C1关系曲线图与自由式堰流一般线形不一致。

(4)流量系数C1由于各闸水流情况的不同而不同。一闸C1值与闸上水位(Z或hu)有关，并随Z或hu的升高而减小(图2)；三闸C1值与Z或hu无关，其值为常数2.27，这与无实测资料情况下采用的C1值2.28基本相同，进一步说明了C1值的准确性。

(5)二闸无实测资料，流量系数C1可根据无实测资料情况下推求，进行合理性检查是否正确，最后确定C1值。

(6)一闸和三闸的C1值，经生产中应用验证是合理正确的，为了资料的准确性和可靠性，应继续收集较高水位下的资料进一步验证分析，得出较精确的C1值或变化规律。

图2 讨赖河 嘉峪关(一闸)站 Z — C1 高水关系曲线

测次施测时间月日起止时分时分闸上水位H/mhu/me/mB/m实测流量/m3·s-1Me/huQ/(Beh1/2u)17148∶249∶306.363.760.286.07.620.0742.34271516∶0017∶006.303.700.466.012.40.1242.34371717∶1818∶126.483.880.386.010.80.0982.4048111∶0011∶485.903.300.356.09.160.1062.4058816∶1816∶546.433.830.256.07.000.0652.38682610∶3611∶006.583.980.086.02.330.0202.43782611∶3012∶006.543.940.136.03.720.0332.40882710∶3011∶006.523.920.286.08.180.0712.46982716∶0016∶246.423.820.176.04.890.0452.45108289∶009∶246.563.960.056.01.620.0132.711183110∶3011∶006.403.800.266.07.180.0682.36

2.4 河道堰闸自由式堰流流量推求

根据已确定的C1值或C1值公式，代入式(1)就可算出堰闸流量Q，或利用Z(hu) —Q工作曲线，直接用Z(hu)在图上查得流量。

3 河道自由式孔流流量推求

从式(2)可知，推算流量Q的水文要素是hu、e、B和M。hu、e、B数据均可实测得到，是推求M值的关键。

3.1 自由孔流资料选取和一致性分析

选取2003年～2004年流速仪法、浮标法和堰闸孔流公式法进行比测的42份原始资料分析探讨，部分比测试验资料见表1。需要指出的是，研究中是将3个闸孔的资料放在一起分析的。因为在自由孔流状态下，往往都是南北干渠引水期，水位被抬高，水流缓慢，没有横比降，各闸孔的出流约束条件一致，影响因素相近，故3个闸孔的流量系数M推理也具有一致性、相近性[7]。

3.2 自由式孔流流量系数M的推求步骤

(1)根据本站成果表中的资料，计算出hu、e/hu。

(2)依据实测的流量Q，用式(2)反求M值，即

(5)

(3)点绘e/hu～M关系图(图略)，手工定线，并反点绘出M～e/hu标准曲线图(见图3)，率定出M～e/hu计算式。

图3 讨赖河 嘉峪关站 孔流相关因素M ～ e/hu 标准关系曲线

3.3 流量系数(M)结果讨论

(1)从图4可看出，e/hu—M关系点群分布走向符合自由式孔流关系线形的一般规律，即随e/hu值的增大，M值逐渐减小，且当e/hu值大于0.5时，M值稳定等于2.29，这完全符合《水文资料整编规范》[5]的要求。

(2)按常规本应建立e/hu—M关系曲线图，绘出e/hu—M曲线，以查e/hu对应的M值。考虑到实际工作中手工查读计算不便，故将曲线率定为M—e/hu公式，在电子表格中应用方便。

(3)经分析M=f(e/hu)函数的六次多项式[6]，能准确描述M—e/hu曲线的曲度变化情况。当e/hu<0.5时，M=98.746(e/hu)6-319.83(e/hu)5+357.67(e/hu)4-190.41(e/hu)3+52.773(e/hu)2-7.528 6(e/hu)+2.768 3。当e/hu≥0.5时，M=2.29。此成果现已在生产中开始使用，经对比分析、合理性检查，资料正确连续可靠。

(4)从e/hu—M关系线误差分析看，最大相对误差为+7.8%，累积相对误差为10.5%，平均相对误差为0.3%，符号检验“+”号19个，“-”号21个，线上2个，完全能达到《水文资料整编规范》[5]定线允许误差的要求。

(5)曾根据2006年讨赖河渠首水管所堰闸自动化控制系统测得的自由孔流流量分析反推M值，各级M值与我站的分析成果基本一致，符合孔流堰闸系数的基本规律。

(6)根据本测站特性，三个闸孔M—e/hu率定公式可通用。

3.4 自由式孔流流量推求

(1)根据已测得的Z、e算出hu、e/hu值。

(2)依据e/hu值的大小，判定是否大于等于0.5，再选用率定的M—e/hu公式或常数，计算出M值。

4 溢流坝自由式堰流流量推求

4.1 溢流坝流量系数C1公式推求

由于此溢流坝前水面宽阔(180 m)，各溢流孔过水断面均为矩形断面。当溢流坝溢流时，假定各闸孔同一水位上，各条垂线平均流速处处相等，由实测水位流速资料推求流量，并应用单宽流量的概念反求C1值。

其计算式为

(7)

(8)

其中，A为总过水面积；V为垂线平均流速。

4.2 溢流坝用流量系数C1推流方法

(1)用实测流速V及相应的hu资料，按式(8)计算C1值。

(2)点绘hu—C1关系测点，建立hu—C1关系曲线图(见图4)。

图4 讨赖河 嘉峪关(溢)站hu — C1关系曲线

图5 讨赖河 嘉峪关(溢)站 C1— hu关系曲线

4.3 结果分析

(1)从hu—V关系图上看(图略)，hu随垂线平均流速V增大而增大，完全符合水位流速关系曲线的一般规律特性。

(2) 从hu—C1关系图(见图4)上看，C1随hu增大而增大，曲线下端稍弯曲，完全符合堰流出流系数的一般性规律。

(4)根据《水文测验手册》，对堰流无实测资料流量系数的分析，本站C1值曾选用2.06(C1=0.95×2.17)，与实测值hu≥0.35 m时，C1=2.05情况完全一致，正确合理。

(5)从《水文资料整编规范》[5]中实用堰平底闸C1值一般在2.0左右，本站中、高水位(hu≥0.35 m)实测值C1值等于2.05与《规范》要求相一致，完全可以在生产中应用。

(7) 从hu—C1关系线误差分析看，最大的相对误差为-7.8%，累积相对误差为1.4%，平均相对误差为0.1%，符号检验“+”号6个，“-”号6个，完全能达到《水文资料整编规范》[5]定线允许误差的要求。

4.4 溢流坝自由式堰流流量推求

5 结 语

从以上分析研究看，本站河道堰流在多种复杂情况下实测资料偏少，有待继续收集资料进一步分析研究，以使流量系数更加接近真值或变化规律；从溢流坝出流系数C1值分析看，成果可靠准确；从实测资料数量看，孔流e/hu～M关系完全可以满足定线要求，推求流量可以达到《水文资料整编规范》[5]要求的测验精度。

[1]潘飞， 王耀武. 堰闸自由孔流流量计算的一种间接方法[J]. 水文， 2000， 20(3)： 51- 52．

[2]陈光， 陆海萍， 凌燕. 德清大闸洪水期堰闸推流研究[J]. 浙江水利科技， 2011(6)： 28- 29．

[3]水利水电部水文司. 水文测验手册(第一册)[M]. 北京： 水利电力出版社， 1975．

[4]水利水电部水文司. 水文测验手册(第三册)[M]. 北京： 水利电力出版社， 1975.

[5]水利部长江水利委员会水文局. 水文资料整编规范[M]. 北京： 水利电力出版社， 2000.

[6]林传真， 周忠远. 水文测验与查勘[M]. 南京： 河海大学出版社， 1987.

[7]陕西省水利学校. 水力学[M]. 北京： 水利出版社， 1978．

(责任编辑 陈 萍)

Weir Gate Plug Flow Analysis at Jiayuguan Hydrologic Station

ZHANG Wenchun1, JIANG Jing1, WU Jinkui2

(1. Jiuquan Hydrology and Water Resources Bureau of Gansu Province, Jiayuguan 735100, Gansu, China;2. Laboratory of Watershed Hydrology and Ecology, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Gansu; China)

The approaches for analyzing weir gate plug flow at Jiayuguang Hydrologic Station on Taolai River are analyzed and argumented. Based on actual measurement data, the dependence graphs for water headhu-flow coefficientC1in front of gate, water headhu-flow coefficientC1in the upstream of overflow dam, as well as the ratio between the height of gate opening and water head in front of the gatee/hu-hole flow coefficientMare protracted. The law of outflow at the gates is found out, the computation formula for outflow is determined, and the values of freestyle weir flow coefficient, overflow dam flow coefficient and freestyle hole flow coefficient are derived. The empirical formula is finally calibrated. The flow calculation module is compiled in an Excel spreadsheet to complete the calculation of plug flow. The complicated testing and reorganization of measurement data for the Station is solved．

freestyle weir flow; orifice flow; overflow dam; flow coefficient; plug flow; Jiayuguan Hydrologic Station

2014- 10- 20

国家重大科学研究计划项目(2013CBA01806)；国家科技支撑计划(2013BA05B03)

张文春(1966—)，男，甘肃酒泉人，高级工程师，从事水文水资源监测、资料整编、水资源调查论证和水情预报工作．

TV132；P336(242)

A

0559- 9342(2015)11- 0029- 05