灌区分水闸门流量系数率定的试验研究

牛晓宇，孙耀民，吴文勇，张超波，龚时宏，许 虎

(1.太原理工大学 水利科学与工程学院，山西 太原 030000；2.运城市尊村引黄灌溉服务中心，山西 运城 044000；3.中国水利水电科学研究院，北京 100048；4.石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000)

灌区进水闸引水量的计算和水资源的优化配置需要对闸门的流量系数进行准确率定，国际上有很多学者都对此进行了研究。

Buyalsk[1]在美国垦务局多年观测的实验数据基础上，通过分析流量系数、上、下游水位差、闸门开启高度三者之间的相关性，绘制出关系曲线，采用查图法直接获得淹没孔流的流量系数。党九社[2]在研究桃曲坡水库高洞平板闸门流量系数时，通过分析流量Q和综合流量系数A得出闸门边界条件对流量小的约束影响大，对流量大的影响约束小，在其以下流量部分，Q增大，A值变化量大；Q增大，A值变化量减小。Ferrod[3]基于π定理的量纲分析法，得出关于平板闸的闸孔出流流量计算公式。齐清兰[4]由曲线拟合的方法得到了曲线型实用堰上弧形闸门的流量系数的计算公式，通过与现有公式比较其计算简单且精度高，更适合在水力计算中使用。Shahrokhnia[5]基于π定理的量纲分析法和不完全自相似理论，得出关于弧形闸在自由出流和淹没出流工况下的流量计算公式。

冯国一[6]认为平板闸门的流量系数公式形式应随着闸前闸后的水流条件的不同而不同，对于不同的类别应采取相应的流量系数公式计算。黄晓川[7]通过研究浏洋水库认为平板闸门前有涵洞比没有涵洞的平板闸门的流量系数要大。张月霞[8]建立了水力翻板闸门流量系数与闸门处相对过流面积及过流系数之间的关系式，提出了一种利用水力翻板闸门过流系数估算闸门流量的新公式。吴宇峰[9]在泄水涵洞中平板闸门流量系数的试验研究中认为，涵洞中的闸门流量系数主要与涵洞前水库水深和涵洞的高度有关，其值比堰顶的流量系数大，比管嘴出流的流量系数小。刘晓庆[10]以沙溪电航枢纽工程为例，认为液控和水力自控开启方式下堰孔泄流时，采用流量系数与相对开度的多项式函数关系式确定水力翻板闸门的流量系数精度高。流量系数的影响因素取决于闸孔出流的水力条件，在不同的水流流态下应采用不同的流量计算模型[11]。通过分析大量的实测数据与模型应用情况得出结论：幂函数公式能够更好地符合流量系数计算的实际情况[12]。王法猛[13]针对平面弧形双开闸门这种新型闸门进行研究，认为闸门入口处断面平均弗劳德数与流量系数呈线性关系，且此线性关系与闸门开度无关。高玉军[14]通过对吉林省公主岭市南崴子灌区渠首段进行水文测验，经过统计计算分析了流量系数与闸门上下游水位差、流量系数与闸门相对开度以及流量系数与下游流量之间的关系。邱春[15]指出非恒定流流量系数随闸门开启速度的加快及堰顶水头的降低而减小，并给出不同开启速度和堰顶水头情况下适于过渡式及平稳式水流的流量系数经验公式。李睿[16]提出了新的基于闸后水流收缩断面特性来确定无坎宽顶堰闸孔自由出流流量系数的计算公式，并对该流量系数公式进行合理性验证。田甜[17]按照弗劳德相似准则制作比例为1∶2的正态测控一体化闸门模型，通过流量系数率定试验，确定了测控一体化闸门流量系数计算公式，认为自由出流时为薛朝阳经验公式，淹没出流时为拟合的线性函数。

从图1可以看出，安邦河分水闸位于和平灌区的上游段，是所有支渠(除十六支、一支渠)水资源的进水口，拟利用在干渠渠道水文监测获得水位、流量、闸门开度等基础数据，研究闸门系数与上下游水位差、闸门相对开度和下游流量之间的统计关系，分析对闸门流量系数影响的因素有哪些并准确确定安邦河进水闸门的流量系数，从而为灌区渠道引水量的计算和渠道优化输配水提供理论支撑。

图1 和平灌区示意图

1 材料与方法

1.1 灌区概况

庆安县和平灌区位于黑龙江省中部的松嫩平原与小兴安岭余脉的交汇地带，呼兰河流域中上游，庆安县境内。地理位置介于东经127°20′～128°49′，北纬46°41′～47°4′之间。灌区整体沿呼兰河左岸呈长条形分布，东西长约11 km，南北宽约6 km；地势东北高，西南低，地面坡度在1/1000～1/3000；海拔高程在169～184 m之间。灌区属北温带半干旱半湿润、大陆性季风气候，春季风大干旱，夏季高温多雨，秋季降温快易早霜，冬季寒冷；多年平均降水量为608 mm，降水量年内分布不均，春季降水少，主要集中在6—9月，占全年70%以上；多年平均气温为1.6 ℃，年极端最高气温为36.2 ℃，年极端最低气温-39.0 ℃；多年平均水面蒸发量1285.6 mm。灌区内总土地面积1.53万hm2，其中：耕地1.22万hm2；实灌水田面积0.67万hm2。

庆安县和平灌区始建于20世纪五六十年代，骨干工程大部分建于20世纪七八十年代，渠首工程建于1962年。目前和平灌区共有3座渠首，第一渠首(李山屯渠首)位于铁力市境内双丰镇李山屯北呼兰河上;其他两座渠首(安邦河渠首、郑文举渠首)分别位于呼兰河一级支流安邦河、拉林清河上。和平灌区现有干渠1条，长45.0 km；灌区现有支渠16条、直属斗渠11条与3处扬水站支渠，总长61.3 km；排水干渠15条，总长51.2 km；现有补水井132眼。引水条件优越，灌区排水采取自流的方式运行。安邦河分水闸采用开敞式宽顶堰型式闸室，尺寸为3孔高为1.75 m、宽1.60 m的胸墙闸孔，高1.20 m、宽为1.60 m的铸铁闸门，10 t的手电两用启闭机。闸底板坐落在含细粒土砂层上，消力池型式为混凝土十字消力槛式，采用壅阻水流式消能。

1.2 研究方法

1.2.1 水位的监测

为了准确的测量安邦河分水闸门上、下游的水位变化情况，依据《灌溉渠道系统量水规范》GB/T 21303—2017要求，测量水点和断面设置应在水流平稳且不受行进水流流速以及水跃影响的地方。试验采用便携式不锈钢、刻度标记为1cm的国家标准水尺，闸前测水点确定在闸上游右侧混凝土挡水墙旁边，编号为F上；闸下游测水点确定在闸下游测桥的中点，测量点与消力池末端距离为闸门与消力池进口距离的五倍左右，编号为F下，见图2。下游观测点距离闸门相对较远，该处水面较稳定，作为闸下水位采用值较有代表性。

图2 水位测量观测点布设示意图

1.2.2 闸门流量系数的率定公式

由实测的流量数据和闸门流量的计算公式来推求闸门流量系数。其计算公式为：

(1)

式中：Cd为闸门流量系数；Q实测为实测流量，m3/s；n为闸门个数；b为闸门的的计算宽度，m；e为闸门开度，m；ΔH为上下游水位差，m。

2 结果与分析

2.1 流量的测定

基于水情监测主要用到的仪器为澳大利亚进口startflow6515多普勒超声波测流仪，LS-10B旋桨测流仪，灌区高效用水测控系统平台，钢卷尺等。对仪器使用进行率定选择，以和平灌区的六支为例，对旋桨测流仪与多普勒流量计进行流量对比如下图3和图4所示：

图3 下游水位-流量关系曲线图

图4 下游水位-断面平均流速关系曲线图

根据上图3～图4可知：多普勒流量计与旋桨测流仪测量得到的流量，误差在8%左右，水位与断面平均流速呈对数函数对应关系，随着水位的增大，断面平均流速增大，但是增大的趋势越来越小，水深越大，两者断面平均流速误差越小，又多普勒流量计测出的流速直接是垂线平均流速，避免了旋桨测流仪多点法测量的烦琐过程，因而在保证测量精度的情况下，故选择多普勒流量计进行对安邦河进水闸的流速进行测量。

渠道过水断面面积的测量采用测桥测量法进行测量，测深垂线间距为1.00 m，以控制断面的变化的转折点，同时为了满足数据的代表性和分析要求，根据闸门开启情况，上下游水位的不同组合均匀分布流量测次，按《河流流量测验规范》(GB 50179—2015)，每个流量级要实测1～4次。

2.2 试验结果

试验时间选择在和平灌区的七、八月份，整个测验分为四个阶段，第一阶段：分蘖期，7月2—6日，测次为第1～2次，流量相对较大，瞬时流量在6.00 m3/s左右；第二阶段：拔节孕穗期，7月12—29日，测次为第3～7次，因降雨因素，渠道瞬时流量在1.00 m3/s左右浮动；第三阶段：抽穗开花期，7月30日—8月11日，测次为第8～20次，生长期稻田需水量减弱，渠道水流量较小，流量为0.13～6.58 m3/s；第四阶段：乳熟期，8月14—26日，测次为第21～24次，成熟期稻田的需水量最小，流量在0.70 m3/s左右。实测流量结果见表1，其流量变化过程见图5，闸门上下游水位观测结果见图6。

图5 流量测验结果

图6 水位观测结果

表1 上下游水位差—实测流量—闸门流量系数的关系

通过查询水文数据得到和平灌区七、八月份的降水情况。分析灌区的七、八月降雨量与闸门开度的关系，由表1可知，在稻田需水量一定的前提下，降雨量越大，闸门的开度越小，闸门流量系数相应减小，其中最为明显的是7月25日降水量为132.9 mm，因降水形成的产汇流需要一定的时间和闸门管理人员对闸门的操作，在7月27日闸门开度变小为0.107 m，闸门流量系数减小。

2.3 试验分析

2.3.1 水位与流量的关系

渠道测量过水断面的位置在闸门下游的顺直渠段，流态可以大致接近于明渠均匀流，分析实测流量与下游水位之间的关系(图7)，通过相关数据分析得到下游水位(H下)与实测流量(Q实测)的相关系数为0.89，水位流量关系呈现直线关系，其关系式为

图7 实测流量与下游水位关系

H下=0.1101Q实测+0.6067

(2)

2.3.2 闸门流量系数与上下游水位差平方根的关系

安邦河进水闸门的流量系数与上、下游水位差平方根两者之间的相关系数达到了0.80，统计关系见图8和式(3)。此外由式(1)可知，闸门流量系数与上、下游水位差的平方根呈幂函数关系，所以上、下游的水位差越大，闸门流量系数越小，水能损失就越大，其关系式为

图8 闸门流量系数与上下游水位差平方根的关系

(3)

2.3.3 闸门流量系数与闸门相对开度的关系

闸门实际工作当中，闸门开度越小，上下游的水位差越大，水头损失量也会越大，导致闸门系数越小。闸门的实际开度与上、下游水位差之比称为闸门的相对开度，通过分析闸门流量系数与闸门相对开度的数据，得到相关系数是0.87，即闸门流量系数与相对开度之间是呈正线性相关关系(图9)，其关系式为

图9 闸门流量系数与闸门相对开度的关系

Cd=1.0593e/ΔH+0.2495

(4)

2.3.4 闸门流量系数与流量的关系

进行闸门流量系数与实测流量数据的相关关系的分析，得到如下结果(图10)和式(5)，两者的线性相关系数达到了0.96。其关系式为：

图10 闸门流量系数与实测流量的关系

Cd=0.1109Q实测+0.1858

(5)

3 讨 论

该研究结果与前人研究结果相似，采用了相近的研究方法和分析手段，结果分析不同的是闸门流量系数与上下游水位差平方根呈现幂函数关系。文章针对测量闸门前后水位、流量进行了详细的表述，并对两种测量流量的仪器进行了试验对比误差分析，加大了试验数据的可靠度。该次试验在研究闸门流量系数的同时利用灌区降水水文资料对闸门开度变化也做出了对应的分析，使得闸门开度试验的结果更加可靠，此外，对研究和平灌区在七、八月份水田灌溉利用水资源情况提供了信息，具有参考意义。该次试验并没有完全对整个灌区水资源优化调度的相关试验进行开展，只是针对安邦河进水闸进行了流量系数率定，所以要想实现全灌区水资源优化调度，还需要对和平灌区各个支渠水文资料进行试验监测。

和平灌区是多水源联合灌溉，干渠的首端李三屯渠首是从呼兰河引水进入干渠，中间由安邦河与拉林清河两条河流补给水源。考虑安邦河渠首上游只有十六支渠和一支渠，且一支渠距离安邦河进水闸很近，90%的支渠在安邦河分水闸下游，所以对安邦河分水闸门流量系数的率定是非常有必要的。拉林清河位于和平灌区的中上游，下一步研究郑文举进水闸闸门流量系数率定也是必要的，从而为真正实现灌区多水源引水流量的计算和渠道优化输配水提供理论基础。

4 结 论

(1)闸门流量系数与闸门相对开度和下游流量呈正线性相关关系，与闸门上下游水位差呈幂函数相关关系，而且相关系数均在0.80以上。

(2)和平灌区是多水源联合灌溉，干渠的首端李三屯渠首是从呼兰河引水进入干渠，中间由安邦河与拉林清河两条河流补给水源。考虑安邦河渠首上游只有十六支渠和一支渠，且一支渠距离安邦河进水闸很近，90%的支渠在安邦河进水闸下游，所以对安邦河进水闸门流量系数的率定是非常有必要的。拉林清河位于和平灌区的中上游，下一步研究郑文举进水闸闸门流量系数率定也是必要的，从而为真正实现灌区多水源引水流量的计算和渠道优化输配水提供理论基础。