沿海河流水动力模型中堰闸孔流模拟技术分析

刘融融 查 红 王 琪

（江苏省水文水资源勘测局盐城分局 盐城 224051）

1 引言

江苏海岸线全长954km（其中盐城582km，占61%），入海河流众多，沿海建闸118座。入海河流水动力模型中沿海涵闸以联系要素（控制条件要素）来模拟，其出流模拟技术方法直接影响模型水位、流量等水文要素的模拟精度。目前用于构建河流水动力模型的应用软件，堰闸堰流模拟多采用《水力学》课本上的理论计算公式。而孔流模拟亦采用堰流计算公式，用开启度来模拟堰闸开启孔数和开高两要素带来的综合影响，孔流流量系数采用经验值（取常数），此种模拟方法在应用上存在一定的局限性。本文根据多年水文监测分析经验，提出应用水文部门堰闸流量多年综合率定成果来模拟堰闸孔流，以提高堰闸出流的模拟精度。在具体应用上，包括公式形式及流量系数相关因素的选择，综合流量系数率定成果的应用。

2 盐城市沿海涵闸运行简介

盐城市废黄河接淤黄河以南均为里下河平原水网区，面积约14854km2，占全市总面积87.5%，该区域地势低洼，上游来水通畅，引江水能自流输送到沿海涵闸，因沿海港道容易发生淤积，在调度涵闸排水时闸门正常全部提出水面，出流形态为淹没式堰流；但境内废黄河、苏北灌溉总渠及东台堤东地区河道河床地势较高，江水不能自流汇入，除遇区域暴雨闸门全部提出水面抢排洪涝水外，其他时间闸门多处于关闭状态，蓄保水源；出于改善河流水质提升水环境的需要，亦会不定期开闸泄流，但一般都是节制性开闸，开部分闸孔，闸门不全提出水面，出流形态为淹没式孔流。

3 典型涵闸孔流流量率定分析

盐城沿海境内在高水河道上布设有4处水文站，分别为滨海新闸站、六垛南闸站、梁垛河闸站和梁垛河闸站，本文选取滨海新闸站和梁垛河闸站作代表性分析。

3.1 滨海新闸站孔流流量系数分析

滨海新闸孔流采用公式Q=M2·Be△Z0.5推算流量。历年采用e/ΔZ～M2率定关系线推流，选取最近连续5年（2011～2015年）实测e/ΔZ～M2关系点据进行综合定线分析。5年点据综合定线公式为：

式中：M2为流量系数；ΔZ为闸上、闸下水位差，ΔZ=Z1-Z2。

对综合线做符号检验、适线检验和偏离检验，三种检验均合格（见表1）。随机不确定度9.0%，达到一类站精度。实测关系点据对综合线相对误差小于10%，达98.7%，相对误差小于15%，达100%。各年关系线与综合线高、中、低点据相对偏离误差在0.3～9.0%之间，平均3.2%，满足二类站精度要求。

综上分析，滨海新闸孔流多年流量系数关系稳定，综合关系较好，满足定线精度要求。

3.2 梁垛河闸孔流流量系数分析

梁垛河闸孔流亦采用公式Q=M2·Be△Z0.5推算流量。历年采用e/ΔZ～M2率定关系线推流，选取最近连续5年（2011～2015年）实测e/ΔZ～M2关系点据进行综合定线分析。5年点据综合定线公式为：

表1 滨海新闸站淹没式孔流关系线三项检验成果表

表2 梁垛河闸站淹没式孔流关系线三项检验成果表

对综合线做符号检验、适线检验和偏离检验，三种检验均合格（见表2）。随机不确定度11.6%，达到一类站精度。实测关系点据对综合线相对误差小于10%，达91.4%，相对误差小于15%，达100%。各年关系线与综合线高、中、低点据相对偏离误差在0.4%～13.6%之间，平均0.6%，满足二类站精度要求。

综上分析，梁垛河闸孔流多年流量系数关系稳定，综合关系较好，满足定线精度要求。

4 误差分析

模型软件模拟涵闸孔流，其流量系数多根据经验取常数，而滨海新闸和梁垛河闸站流量率定实践表明，对某个涵闸而言其出流流量系数是个变量，需找准相关因子，建立相关关系，再用于推流才能提高推算流量的精度。根据率定测次的相关因素值分别选取大、中、小三个率定测次，对上述两种方法流量误差进行对比分析，见表3。

表3 模型经验常数法与水文流量率定误差对照表

从表3可以看出，模型经验常数法2站3测次流量系数误差均超过实测率定误差，可见模型经验常数法由于对流量系数进行了均值概化，推算得流量存在一定误差，但2站误差均在±15%之内，有应用的可行性。

5 涵闸孔流流量率定成果应用可行性分析

要实现水文率定成果应用，只需对软件程序增加一层e/ΔZ～M2关系求解嵌套，如此瞬时流量的模拟精度将得到保证，且可避免因流量系数估值发生偏离带来流量系统偏差。因此，涵闸孔流流量率定成果应用是可行的，也是必要的。

6 结语

目前河流水文水动力模型已广泛应用于工程规划设计、洪水调度、洪水预报和水资源管理，摸索高精度的模拟技术是模型构建永恒的追求，也是技术难点。本文以典型站为案例，分析涵闸孔流流量综合率定成果应用于河流涵闸出流模拟的可行性和必要性，这对改进软件涵闸孔流模拟的技术方法，提高构建模型的模拟精度具有重要意义