枞阳闸水文站堰闸流量巡测可行性论证分析

包 晶

（安庆水文水资源局，安徽 安庆 246003）

0 引言

随着中小河流监测系统建设验收完成，站网密度显著提高，按照水利部（水文[2005]70）《水文现代化建设指导意见》精神，积极推进水文测验方式改革,实现测站有人看管，无人值守，定期检查巡测，实现驻测、巡测、间测和水文调查相结合。枞阳闸水文站采用2011 年河道清淤后的水文资料系列分析率定，确定该站是否满足不同流态的流量巡测要求，研究和推进水文测验方式改革。

1 测站概况

图1 枞阳闸站水系及站点分布图

枞阳闸水文站建成于1951 年，位于安徽省枞阳县枞阳镇，是菜子湖流域出口控制站，积水面积3340 km2，为国家重要水文站，一类精度站。流量测验断面位于闸上游157 m 处，测验方式为水文缆道，右岸为枞阳大堤，左岸为枞阳县城防洪堤，断面控制作用较好。测验断面流量受水利工程调度的影响，多采用堰闸流量系数法推求流量。堰闸为进水闸（平底闸）闸门型式及堰顶形状为直升，矩形，共10 孔，每孔宽4.5 m，闸底高程为6.75 m。流域内现有20 个雨量站，流域主源大沙河出山口处设有沙河埠水文站，菜子湖区设有车富岭水位站。枞阳闸水文测区覆盖枞阳县，包含横埠河、杨市河、钱桥河、罗昌河、枞阳河。境内陈瑶湖、白荡湖、菜子湖和“两赛”（神灵赛、羹脍赛两湖）4 大流域，河网密度0.22 km/km2，总水面达42000 hm2。水系及站点分布图见图1。

2 枞阳闸水文站单值化分析

2.1 测站特性及测验河段情况

枞阳闸上游山区地形陡峻，汇集白兔湖3340 km2来水，降水量集中。菜子湖枞阳闸站、白荡湖白荡闸站都位于枞阳闸县境内，山地和平原岗地过渡地段，流域地理情况相似，洪水主要由降水形成，洪水的季节特点、时空变化与本地区降水一致。每年4 月～5 月份就有洪水发生，6 月～8 月份为洪水的主要季节。暴雨洪水季节，长江同时处于高水位期，枞阳闸出流受长江水位影响。通常情况下，汛期白兔湖水位上涨，非汛期长江水位不影响枞阳闸出流时，开闸泄出汛期囤蓄于湖泊的洪水，白兔湖水位缓慢下降。过闸流量受上、下游水位及工程调度的综合影响，采用现场率定堰闸流量系数法推求流量。流量测验河段较顺直，两岸有圩提能控制高水位，水位在10.9 m 以上左岸漫滩，滩地宽24 m，水位在12.3 m 以上右岸漫滩，滩地宽25 m。河床为纯粘土组成，较稳定。

2.2 流态说明

根据闸门变动情况，枞阳闸出流流态分别为自由堰流、淹没堰流、自由孔流和淹没孔流。当e/hu≤0.65 时，为孔流；e/hu＞0.65 时，为堰流。

堰流分析：平底闸自由出流时hl/hu＜0.8；淹没出流时hl/hu＞0.8，下游水位高于堰顶，下游水面无明显跌落现象。

孔流分析：自由出流时闸下水位低于闸门底边，即闸下水头小于闸门开启高度（hl＜e）；淹没出流时闸下水头高于闸门底边，即闸下水头大于闸门开启高度（hl＞e）。

其中，e 为闸门开高；hu为上游水头；hl为下游水头。

2.3 堰闸流量系数分析

根据《水文资料整编规范》要求，该站自由堰流、淹没堰流、自由孔流、淹没孔流的计算公式分别为：

自由式堰流计算公式：Q=C1BH3/2；

淹没式堰流计算公式：Q=δC1BH3/2；

淹没式孔流计算公式：Q=VBe。

式中：Q 为过闸流量，m3/s；C1为自由式堰流流量系数；B 为闸孔开启净宽，m；H 为上游水头,m；e 为闸门开启高度，m；V 为闸门过水平均流速。根据上述公式可用实测资料推求自由式堰流、淹没堰流、淹没式孔流流量系数。

2.4 分析资料的选用情况

枞阳闸站为堰闸站，流量测验工作按照《水工建筑物与堰槽测流规范》要求，采用缆道测流（缆道出现故障时，采用ADCP 测流），缆道测流断面10 孔全开进行流量测验，水流相对稳定，采用堰闸流量系数法推求流量。按《水文巡测规范》（SL 195-2015）第4.4.3 要求,对需要巡测的各水文站的流量资料进行分析整理与误差分析分析实行巡测的各项误差所需资料应符合下列规定：①应有5 年以上连续的资料系列并宜包括高中低水年和不同水情资料；②在各水位级内用于计算误差的样本不宜少于30 个。因2011 年河道整治、断面清淤，水工建筑物因素改变，故本次分析资料序列采用2012 年～2019 年不同流态实测资料对枞阳闸率定系数进行计算并检验。

枞阳闸站2012 年～2019 年实测流量资料中，自由堰流74次，淹没堰流170 次，自由孔流0 次、淹没孔流120 次，取各流态实测资料，分别绘制历年关系综合线，进行单值化分析，为枞阳闸站流量测验方式提供技术依据。

2.5 多年综合系数线的率定分析

分析历年资料中，闸门开启孔数为1～10 孔不等，开启高度不等或提出水面。自由堰流实测相关因素hu变幅为0.32～2.18；淹没堰流实测相关因素hl/hu变幅为0.817～0.998；自由孔流实测相关因素hu变幅为0.47～5.10（因枞阳闸自由式孔流出现概率较小，故在本篇中不做分析）；淹没孔流实测相关因素ΔZ 变幅为0.05～2.72，且测点分布均匀，具有很强的代表性。建立枞阳闸站综合hu-C、hl/hu-δ、ΔZ-V 相关关系见图2～图4。

图2 2012年～2019 年综合自由堰流系数线

图3 2012 年～2019 年综合淹没堰流系数线

图4 2012 年～2019 年综合淹没孔流系数线

从图2～图4 可以看出，自由堰流综合关系线相关性显著，测点基本成带状，通过点群中心所得关系线两边测点分布均匀，无明显系统偏差，且测点相对误差较小。其中淹没堰流综合关系线相关因素0.995 下部曲线均匀稳定，符合淹没堰流关系特征。因沿途水头损失受水工建筑物影响因素不大，故近几年淹没式堰流在大淹没度的测点偏离该线。

2.6 误差分析

枞阳闸站属一类精度水文站，流量测验布置以满足定线、推求逐日流量和各项特征值为原则。枞阳闸水文站流量测验设施现有水文缆道、走航式ADCP，适用于所有水位级，其相关因素定线允许误差依据《水文资料整编规范》，且巡测站定线随机不确定度可增大2%～4%。

根据现行误差检验方法，对测验成果分别进行系统误差、随机不确定度计算，进行符号检验、适线检验和偏离数值检验。经计算分析，误差计算成果表见表1～表3。

表1 枞阳闸2012 年～2019 年自由堰流系数线检验成果表

表2 枞阳闸2012 年～2019 年淹没堰流系数线检验成果表

表3 枞阳闸2012 年～2019 年淹没孔流系数线检验成果表

2.7 堰闸流量关系曲线精度评价

通过历年的堰闸流量关系曲线与2012 年～2019 年综合关系曲线比较计算出相对误差，参照《水文巡测规范》第4.5.6条水工建筑物测流及潮流（含感潮）站水力因素或流量系数相关定线允许随机不确定度规定，除自由堰流，枞阳闸水文站历年系数关系曲线与历年综合系数线的偏离值超过了规定的允许误差，计算结果见表4。

2.8 径流年内分配分析

根据枞阳阳闸水文站2012 年～2019 年8 a 实测资料统计结果可以看出：该站径流量年内分配差异显著，丰枯特征明显，该站多年平均径流量及月分配情况见图5 和表5。

图5 枞阳闸水文站多年平均月径流量分配图

表4 枞阳闸流量系数关系曲线误差统计表

表5 枞阳闸水文站多年平均月径流量和月分配表

多年平均月径流量占全年径流量比例数值：7 月、8 月和9月权重较大，分别占比为25.9%、15.7%和15.4%，累计占为56.9%；2 月、4 月和5 月权重较小，占比分别为2.9%、3.2%和3.3%。从时段统计结果（见表6）看：1 月～5 月累计径流量占全年径流量的比例为24.8%，6 月～9 月累计径流量占全年径流量的比例为53.7%，10 月～12 月累计径流量占全年径流量的比例为21.6%，10 月～次年5 月累计径流量占全年径流量的比例为46.3%。根据河道径流量年内分配统计数据可知，该站主汛期可确定为6 月～9 月，主汛期可根据闸门变动情况和流态变化合理安排测次。

表6 枞阳闸站多年月平均不同时段径流量占年径流量比例表单位：%

3 结论

通过以上分析，枞阳闸水文站自由堰流、淹没堰流、淹没孔流三种流态对应《水文资料整编规范》1 号、2 号、18 号流量计算公式经过单值化处理。自由堰流在相关因素上游水头0 m～2.4 m 变幅范围相关性比较稳定，呈单一线且三线检验成果均在系统误差范围内，可实行校测或间测。淹没堰流和淹没孔流误差分析均不在系统误差范围内，这两种流态在超出的范围内均应按《河流流量测验规范》常规测流,主汛期根据闸门变动情况和流态变化合理安排测次。

综上所述, 从枞阳闸水文站实际情况及相关因素和流量系数特性分析角度考虑，测站需常年驻站进行常规监测，流态为自由堰流时，可实行校测或停测；流态为淹没堰流、自由孔流和淹没孔流时，需进行常规测流。