颍上闸水文站水位流量关系曲线校测分析

陈浩浩

（阜阳水文水资源局，安徽 阜阳 236000）

0 引言

水位流量关系反映出了江河渠道中某断面的流量和同时水位之间的对应关系，水位流量关系曲线用途非常广泛，因此需要对水文站水位流量关系曲线校测予以高度重视。文中就结合实际情况，对水文站水位流量关系曲线校测进行探讨。

1 概况

1.1 水文测站概况

颍上闸水文站位于安徽省颍上县城关镇詹岗村，于1981年5月设立，集水面积36606 km2，是省级重要水文站，属国家Ⅱ类精度水文站，颍河出口控制站，建立稳定的水位流量关系十分重要。设站目的为颍河防汛、抗旱、水质、水资源管理、航运等服务。测验项目有： 水位、流量、 降水量、地下水、水质等。颍上闸上、下游各设一组水尺断面观测水位 ， 并安装有遥测水位计 ， 闸下游500 m 处建有水文测流缆道。

1.2 水文气象特征

颍上闸水文站最大年降水量为1722.5 mm， 最小406.8 mm，多年平均降水量为946.4 mm， 年际分配不均。 颍上闸（闸上）站历年最高水位27.48 m，最低水位19.13 m。颍上闸（闸下）站历年最高水位27.38 m，最低水位河干；历年最大流量3020 m3/s，最小流量为0，多年平均流量186 m3/s，历年最大径流量129×108m3，最小径流量11.8×108m3，多年平均径流量58.8×108m3（以上数据为颍上闸建成后有资料年份内统计）。

1.3 测验河段控制及堰闸情况

本站上游约70 km处为阜阳闸，于下游45 km处汇入淮河，径流过程，上游受阜阳闸控制，下游受淮河正阳关水位顶托影响。颍上闸为24 孔平底闸，两边有引桥，闸底高程19.00 m，单孔宽5.0 m，引桥孔底高程25.00 m。

本站测验河段顺直，系人工开挖河道，河槽形状为梯形（见图1）。中、高水水面宽分别为200 m、320 m，两岸有堤防，高水无分流。缆道测流断面位于颍上闸下游 500 m 处（见图2）[1]，闸上游约 800 m 处有船闸引河入口。闸下水位在 24.50 m 以上开始漫滩，闸上水位 25.00 m 以上两边引桥孔开始过水，堰闸失去控制作用，形式如天然河道。淮河正阳关水位较高时，本站水位流量受其顶托影响，有时影响较严重，有短时期倒流现象。

图1 颍上闸水文站测验河段平面图

图2 颍上闸水文站测流断面大断面图

2 水位流量关系曲线校测分析

2.1 资料分析

为了有效解决沙颍河颍上段一线船闸通航能力不足的问题，于2015年～2017年期间，新建Ⅳ级船闸一座闸室尺度200 m×23 m×4 m（长×宽×门槛水深），并同时对颍上节制闸进行除险加固，同步改建现有跨闸公路桥和节制闸引桥。为了研究以上情况对颍上闸水文站水位流量关系的影响，将2018 年～2021 年期间实测资料数据与原水位流量关系曲线数据对比分析，探讨原关系曲线能否继续使用，通过分析确定现阶段颍上闸水文站常见流态下的水位流量关系特性。

根据水文规范对工程完工后的实测流量数据采用水工建筑物法进行分析，即用堰闸流量系数计算公式[2]分别计算出几种常见流态的流量系数，并与原关系曲线对应流态下的流量系数对比分析，计算出两者流量系数间的相对误差。

2.2 水位流量关系分析

（1）流态为自由式孔流，根据堰闸公式Q=M1Be（hu-hc)1/2[3]计算得流量系数M1与原关系曲线流量系数的相对误差（见表1），在e/hu一定的条件下，颍上复式船闸对本站水位流量关系有较大的影响，实测数据计算的流量系数与原关系曲线流量系数多数点偏差较大，并有普遍偏小的趋势。建议后续可注重此流态下的流量校测，形成一长系列、数据较广泛的分析资料，并结合船闸过闸流量数据，进一步探究水位流量特性关系，确定影响因素，根据整编规范要求确定稳定的水位流量关系曲线（其中，B为闸门开宽；e为闸门开高；hu为闸上游水头；hc为收缩断面水深）。

表1 自由式孔流流量系数关系曲线误差统计表

（2）流态为淹没式孔流，根据堰闸公式Q=M2BeZ1/2[3]计算得流量系数M2与原关系曲线流量系数的相对误差（见表2），在Z/e一定的条件下，通过用于校测检验时为原用确定水位流量关系曲线的流量测点对关系曲线的相对偏离值与校测的流量测点对上述同一曲线的相对偏离值作比对分析，大多数流量系数相对误差在5%范围内，符合水文规范要求，水位流量关系良好，船闸对此流态下的水位流量关系影响较小。因此对校测数据与原关系曲线数据进行t（学生氏）检验（见表3），|t|＜t1-α/2接受检验[3]，原定水位流量关系曲线可继续使用，无需另行定线，建议今后可根据不同水位级对关系曲线进行校测对比（其中，Z为上下游水位差；t为统计量；t1-α/2为临界值）。

表2 淹没式孔流流量系数关系曲线误差统计表

表3 淹没式孔流关系曲线误差统计表

（3）流态为淹没式堰流，根据原水位流量关系曲线得出淹没式堰流，上游水位Zu＜25.00 m、相关因素Z/hu×100≥2.00和上游水位Zu＞25.00 m、相关因素Z/hu×100≥1.00部分的点据较为紧密，水位流量关系曲线呈稳定的单一线。因此本文主要研究满足这两种条件下的校测数据与原曲线数据之间的流量系数相对误差分析（见表4、表5），校测数据流量系数与原曲线数据流量系数相对误差较大，且呈普遍偏小的趋势，并无明显变化规律。因本站淹没式堰流流态通常在主汛期上游来水较大条件下形成，可不考虑此期间船闸因素的影响，主要影响因素为上游来水及下游淮河水位的顶托作用。近2年主汛期淮河水位较高对本站水位顶托影响较为明显，导致实测流量系数相对原关系曲线流量系数普遍偏小，水位流量关系相对紊乱，无法形成稳定的单一线。建议今后在大水（淹堰）期间，使用水力因素法即连实测流量过程线法或连时序法定线推流（其中，Zu为闸上游水位）。

表4 淹没式堰流流量系数关系曲线误差统计表

表5 淹没式堰流过闸平均流速关系曲线误差统计表

（4）流态为自由式堰流，颍上闸水文站近些年资料累积中很少出现此流态，缺乏相关的测验资料，因此无法对原有水位流量关系曲线进行对比分析。建议今后积累有关资料，确定相关因素，再进行水位流量关系曲线的校测分析。

3 结论

通过上述分析，颍上复式船闸工程对颍上闸水文站原自由式孔流水位流量关系曲线有一定程度的影响，尤其是对较小流量影响更为明显，今后应注重该流态下的流量校测，加密实测点据、延长资料系列[1]、确定船闸过闸流量，进一步对自由式孔流水位流量关系进行分析率定。

对淹没式孔流出流，通过对校测资料流量系数与原定水位流量关系曲线流量系数的对比分析，得出在颍上船闸工程前后淹没式孔流水位流量关系曲线没有发生明显变化，仍能够满足整编规范精度要求，该关系曲线可继续使用，但定期仍需进行校测比对。

对淹没式堰流的分析，包括Zu＜25.00 m、Z/hu×100≥2.00和Zu＞25.00 m、Z/hu×100≥1.00 两条曲线的流量系数与校测数据流量系数的误差比对，得出两者的相对误差较大且无规律性。受上游阜阳闸来水影响和下游淮河正阳关水位顶托作用，因此堰流流态下的水位流量关系受综合因素影响，不能使用单一曲线法定线推流[2]，可作为河道站水位流量关系处理，使用水力因素法定线推流。