常州市老城区小型泵闸站过闸流量估算方法

陶晓明， 朱东明， 庄 杨， 曹 琦， 刘晨烨

(常州市城市防洪工程管理处， 江苏 常州 213022)

常州市坐落于江苏省南部，地属太湖流域，地势高低相间，变化幅度平缓，北靠长江，南衔太湖，腹部有洮鬲两湖，河网密布[1]。目前，常州市城市防洪工程管理处统管16座防洪包围圈水利枢纽以及34座市区小型泵闸站，包括：殷家桥泵站、花园后塘河泵站、后塘河西站、三井河西站、三井河东站、龙游河北站、龙游河南站等。

2017年7月，常州市政府政务会议审议通过《常州市运北片主城区“畅流活水”总体方案》，通过引调长江水，新建4座活动堰，致力于增强市区内部水流的调控能力，提高小河道水体流动性，并于2018年和2019年持续开展市区调换水工作，在水质整治工作上投入了大量人力、物力和财力。

但是大部分城区小型泵闸站建成已久，建设资料缺失，且未安装流量检测设备，日常管理人员又不具备自主选择流量公式以及各项计算系数的专业知识，一直难以对实际过闸流量进行较为准确的估算。考虑到河道的实际过流情况与河道水体改善效果直接相关，该项数据的缺失既不利于对市区换水效果进行有效评估，也不利于实现科学管理。本文拟探寻常州市老城区小型泵闸站适用的过闸流量估算方法，为推算河道过流能力，评估换水工作实际效果提供理论依据。

1 概况

1.1 国内外研究进展

1.2 工程概括

常州市区小型泵闸站水闸前、后水位落差小。目前，水利工程管理单位已经完成了水利信息自动化两级管理平台的基础创建工作，平台从2014年开始通过超声波水位仪、摄像机、PLC控制柜等智能化设备，能自动检测水位、监管厂房、河道情况，确保了水情、雨情的实时监控，为探寻小型泵闸站过闸流量的简便计算方法积攒了长期的水位数据。

2 过闸流量的简易算法

2.1 传统水力学公式

常州市小型泵闸站大多属于开敞式小型节制闸。影响闸孔过流能力的因素众多，包括闸孔宽度、闸门类型、闸门相对开度、闸门底坎形式、上下游水深以及水位差等[3]。为了针对实际情况选取合适的计算公式，首先要对水闸的过流情况进行分类，通常闸上的水流形式分为堰流和闸孔出流，判别标准是闸门开度与堰上水头的比值，当e/H>0.65时，水流为堰流，当判断水流为堰流的情况时，流量方程[4]如下：

(1)

式中：Q为过闸流量，m3/s；ε为侧收缩系数；m为堰流的流量系数；b为闸门宽度，m；g为重力加速度，m/s2；H0为堰顶水头，m；a为墩形系数；P为上游堰高，m；H为堰上水头，m；B为闸口总净宽，m；φ为流速系数；k为反映堰顶水流垂直收缩系数；ξ为修正系数。

(2)

(3)

式中：σs为闸孔淹没出流时的淹没系数；μ0为流量系数，其值受闸门形式的影响，以上系数均可查表确定。在无侧收缩的条件下，闸门的垂直收缩系数k与闸门的相对开度e/H存在相关性，φ为流速系数。

由上可见，用传统水力公式计算过闸流量，除了区分水流形态，不同的出流状态对应不同的流量计算公式以外，还要根据闸门情况和闸底坎形式以及闸门开度等实际情况，选取计算流量系数的不同经验公式，或者查表选取各项系数，这种方法在一线实际应用中过于复杂，部分数据不易获取，对专业知识的掌握程度也要求较高。

2.2 简化传统水力学公式

鉴于老市区小型泵闸站通常为开敞式单孔构造，闸门为平面钢闸门，调度运行又多采取全开和关闭两种状态，可以将过闸水流简单归类于宽顶堰自由出流状态。

在这样的前提条件下，使用公式(1)计算过闸流量，根据《水闸设计规范》(SL265—2016)和《水力计算手册》对公式中的各系数进行赋值，当堰下游水位升高到影响宽顶堰溢流能力时，及下游堰上水深与堰顶总水头的比值大于0.8时，需查表确定淹没系数，但考虑到实际应用过程中，工程现场不具备获取下游堰上水深和堰顶总水头的条件，故直接将σs设定为1；根据小型泵闸站实际情况，经查表将单孔堰的侧收缩系数ε定为0.912；m在未考虑水流的行近流速的状态下，受堰的进口形状和相对高度的影响，取值范围为0.32～0.385。过闸流量计算公式系数赋值表见表1。

表1 过闸流量计算公式系数赋值表

计算可得：

3 校核简化公式的可行性

常州市城市防洪工程管理处2018年曾聘请江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司绘制了运北片防洪包围圈上15水利枢纽的节制闸流量与水位关系曲线图(堰流)，以北塘河枢纽节制闸为例，过闸流量与上下游水位差存在如图所示的曲线关系(图1)。

图1 北塘河枢纽节制闸水位与流量关系曲线图(堰流)

常州地区的节制闸工程管理规范要求水闸控制最大水位差均小于0.4 m。本文拟根据15座枢纽2018年全年月平均水位统计数据，分别对水位差为0.1 m、0.2 m、0.3 m的3种情况从其水位与流量关系曲线图上获得相应的过闸流量，同时用简化的宽顶堰自由出流流量公式代入上游侧水尺读数计算相应的过闸流量，分类绘图，进行比较，以此验证简化公式的实用性。

其中，15座节制闸孔宽列表见表2，2018年15座水利枢纽月平均水位统计表见表3。不同水位差时计算所得各枢纽过闸流量见图2～4。

图2 水位差为0.1m时读图和公式计算所得各枢纽过闸流量

图3 水位差为0.2m时读图和公式计算所得各枢纽过闸流量

剔除个别因统计失常造成的错误水位记录后，得到不同水位差时计算所得各枢纽过闸流量见图2～4。由图2～4可知，按照太湖水利规水位流量曲线图获得的过闸流量与简化后的传统水力学公式计算结果走向大体一致。m为0.385时计算所得结果大体大于读图结果，m为0.32时计算流量则略小于读图所得过闸流量，符合正常规律，由此推断通过改变相关系数的取值可以使得简化公式的计算结果与水位流量曲线图的过闸流量更加接近，以m为例进行2种过闸流量计算方法的相关性分析(图5～10)。

表2 15座节制闸孔宽列表 (单位： m)

表3 2018年15座水利枢纽月平均水位统计结果 (单位： m)

(续表3)

枢纽水位1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月糜家塘枢纽内河平均水位3.003.293.643.723.583.693.843.953.893.783.723.23相应外河水位3.393.413.703.813.783.824.024.154.053.883.783.69童子河闸站内河平均水位3.553.553.543.423.653.733.753.713.903.703.673.68相应外河水位3.443.463.663.543.763.843.953.913.903.703.683.66西界河闸站内河平均水位3.553.373.543.423.553.633.743.713.903.703.683.67相应外河水位3.443.463.663.543.763.843.953.913.903.703.683.55永汇河枢纽内河平均水位3.483.483.693.583.693.743.883.953.873.733.653.50相应外河水位3.483.373.693.583.583.533.673.753.663.623.553.62澡港河南枢纽内河平均水位3.483.383.583.573.843.653.743.743.813.623.733.70相应外河水位3.403.493.693.473.733.763.943.953.923.523.743.72

图4 水位差为0.3m时读图和公式计算所得各枢纽过闸流量

图5 水位差为0.1m m=0.385时的相关性分析

图6 水位差为0.1m m=0.32时的相关性分析

图7 水位差为0.2m m=0.385时的相关性分析

图8 水位差为0.2m m=0.32时的相关性分析

图9 水位差为0.3m m=0.385时的相关性分析

图10 水位差为0.3m m=0.32时的相关性分析