临涣闸水文站水位流量关系单值化分析

徐根宝

（安徽省水文局宿州水文水资源局,安徽 宿州 234000）

由水力学原理中水工建筑物推流法可知,在淹没孔流流态下闸孔平均流速与上下游水位差之间存在着密切关系[1]。水文资料分析中用实测流量资料率定它们之间的关系,用于推算过闸流量,从而减轻后续测验工作强度,进而提高流量计算精准度[2]。本文以临涣闸水文站2015年～2021年实测流量资料为分析依据,采用CAD、Excel 和整编软件进行定线,在淹没孔流流态下率定出闸孔平均流速与上下游水位差之间的关系,并依据《水文资料整编规范》（SL 247-2020）,对关系线进行符号检验、适线检验和偏离数值检验。

1 基本概况

临涣闸为浍河主干上的大型节制闸,位于安徽省濉溪县韩村镇河涯村,集水面积2795 km2。临涣集水文站于1954年7 月设站,2011年1月由临涣集水文站下迁10 km迁至临涣闸,改为临涣闸水文站,为国家重要水文站、二类精度站。临涣闸位于测流断面上游280 m 处,结构型式：平底闸、平板闸门,共8 孔,每孔宽10.0 m,孔高11 m,闸底板高程18.50 m（85 黄海高程系）,见表1。受下游南坪闸蓄水影响,该闸一直为淹没出流。测验河段顺直,测验断面较稳定,测站控制较好。

表1 测站特性及水文特征值

2 单值化分析目的与意义

临涣闸水文站自设站以来,一直按连实测流量过程线进行流量测验与整编工作,年平均流量测次近一百二十次,任务较为艰巨,已不适应中国水文现代化建设的发展,为解放生产力,进一步提升水文监测能力,提高水文测验质量,对临涣闸水文站水位流量关系进行单值化分析十分必要。此前已分析2012年～2015年资料[3],点绘出关系线图,因人工点绘误差较大,线上流量与实测流量误差不符合水文资料整编规范,现对临涣闸水文站水位流量关系通过CAD 和整编软件重新定线。

3 水位流量关系分析

3.1 资料系列

临涣闸站本次水位流量关系分析采用的资料系列为：2015年～2021年实测流量资料共579 测次。2016年～2018年采用当年率定线推流,2019年、2020年、2021年采用历年率定线推流。本站迁站以来历年最高水位：闸上25.52 m（2018年8 月19 日）,闸下25.26 m（2018年8 月19 日）；最低水位：闸上21.45 m（2012年3 月18 日）,闸下20.81 m（2012年7 月26 日）；最大流量515 m3/s（2018年8 月19 日）,最小流量0 m3/s。

3.2 分析方法

水位流量关系的确定应以实测流量测次为依据,并参考水位过程线、断面变化等有关影响。分析逐时水位过程线、汛期洪峰水位过程线,可克服直接定线的盲目性。洪水期间变化复杂的水位流量关系线的确定,应结合测站特性、历史洪水等因素综合分析。临涣闸站水位流量关系采用的分析方法为：使用该站2015年～2021年实测流量成果资料,采用CAD 作图工具或Excel 和整编软件,配置相关关系线或关系表达式[4],检验相关关系是否符合有关规范要求。

3.3 闸孔平均流速率定

由水力学原理水工建筑物推流法可知,闸孔流速主要受闸门型式、出流方式、闸底板型式、上下游水位差或上游水头、闸门开启孔数和高度的影响。对平板闸门来说,淹没式出流上下游水位差直接影响着闸孔平均流速。根据临涣闸水文站实测流量成果,计算每一测次的水位差ΔZ（i=1,2……）,并反推相应水位差的闸孔平均流速 Vcpi（i=1,2……）可用关系式（1）计算：

式中：Vcp为闸孔平均流速,m/s；Q 为实测流量,m3/s；B 为闸门开启总宽,m；e 为闸门开启垂直高度,m。

3.4 定线

可采用CAD 或 Excel 数据处理生成闸孔流速与水位差之间关系的散点图,进行曲线绘制,推荐使用简单易操作的Excel 插入散点图法绘制[5],根据散点趋势生成关系曲线,检查曲线是否合理,对曲线进行适当修正,通过函数和VBA 宏程序编写拟合出幂函数表达公式。

3.5 关系式及三项检验

3.5.1 水位流量关系

经分析配置出临涣闸站孔流状态闸孔流速与上下游水位差的关系表达式为：

式中：Vcp为闸孔流速,m/s；ΔZ 为上下游水位差,m。

临涣闸（闸下游）站闸孔平均流速Vcp与上下游水位差ΔZ 关系图见图1,从图中可看出,历年关系曲线点群集中,各水位差实测点分布均匀,综合关系曲线较好。

图1 临涣闸（闸下游）站闸孔平均流速Vcp 与上下游水位差ΔZ 关系图

3.5.2 三项检验

水位流量关系曲线检验内容包括符号检验、适线检验和偏离数值检验三项。三项检验具体公式见《水文资料整编规范》（SL 247-2020）,在此不过多解释。关系曲线为单一曲线,使用时间较长的临时曲线及经单值化处理的单一线,且测点在10 个以上,应作关系曲线检验。

当三种检验结果全部接受原假设,则定线正确；若三种检验或任意一、二种检验结果拒绝原假设,应当分析拒绝原因,并对原线进行适度修改重做检验[6]。检验数据见表2。

表2 临涣闸（闸下游）水位流量关系曲线检验表

本次检验标本共558 次,其中K+284 次,K-274 次,符号变换260 次。符号变换次数小于0.5（n-1）,需做适线检验。

临涣闸站推流关系线精度检验结果见表3。从表3 可以看出,临涣闸站孔流状态推流关系线通过《水文资料整编规范》（SL 247-2020）要求的有关检验。

表3 临涣闸（闸下游）推流关系线检验结果表

（3）其它情况说明

在率定上述临涣闸闸孔出流关系线时,其中2015年4 次、2016年1 次、2017年3 次、2018年、2019年 各1 次,因 测验和闸门开启高度观测误差,实测点据与关系线偏离较大,舍去。2020年舍弃的8 次为ΔZ＜0.1 m,2021年舍弃的2 次为ΔZ＜0.1 m。

临涣闸闸孔出流关系线使用范围为：4.89 m＞ΔZ≥0.12 m。

4 结论与建议

4.1 建议

（1）因本次分析验证标本中最大流量为515 m3/s,水位差范围在0.12 m～4.89 m 之间,故建议在流量小于515 m3/s 或4.89 m＞ΔZ ≥0.12 m 时,实行校测。同时每年应对关系曲线进行检验,对偏离误差较大的测点和出现系统偏离的时段做出及时仔细地分析,并加密测次,确保水位流量关系曲线精度。

（2）进行闸门开高校正。对于闸坝站流量测验时,闸门开启高度直接影响闸门过水面积进而影响到流量系数,导致流量系数产生误差,为保证单值化分析的准确性,必须要确保闸门开高的准确度。

4.2 结论

（1）经分析和验证临涣闸水位流量关系的单值化,确定临涣闸站孔流状态闸孔流速与上下游水位差的关系表达式为：Vcp=3.27ΔZ0.49。经检验分析,临涣闸水文站淹没孔流状态水位流量关系表达式满足《水文资料整编规范》（SL 247-2020）的检验要求,各项指标误差较小,符合规范的误差标准,可以使用其推流。

（2）临涣闸水文站单值化的成功分析,实现流量“软在线”,为水文站的流量巡测、间测打下坚实的基础,为水文全要素自动监测的实现迈出重要一步。

（3）单值化分析的成功应用,使得流量测次适当降低,减轻了测验、报汛、整编任务。从而解放了人力,让有限的人才集中起来进行巡测,扩大水文业务范围,可为经济社会可持续发展提供优质的水文服务。