周建伟 王庆斌 张建国 张文利 李凤军 陈文鹏

引黄涵闸泄流曲线率定技术设计

周建伟 王庆斌 张建国 张文利 李凤军 陈文鹏

（黄河水利委员会山东水文水资源局 山东济南 250100）

随着黄河水资源供需矛盾的日益突出，水资源需求管理是水资源可持续利用的必由之路。水资源需求管理的主要内容涉及水资源管理中的有关法规、管理体制、经济效益与调节手段、机构能力建设以及相关的科学技术手段等。本文结合黄河水资源统一调度的管理要求，利用水力学的基本原理，从加强引黄涵闸泄流科学管理入手，探讨了引黄涵闸泄流曲线的率定方法，为水量调度管理机构科学、合理地监管各引黄涵闸的泄流情况提供科学依据，对于水资源的科学调度，优化水资源的配置，确保水资源的合理利用具有重要的指导作用。

黄河 涵闸 泄流曲线 方法 研究

1 前言

黄河作为我国西北、华北地区的重要水源，以其占全国河川径流2%的有限资源，承担着本流域内及下游引黄灌区占全国15%的耕地面积（2.5亿亩）的灌溉任务，并且还承担着全国12%的人口（约1.4亿）、50多座大中城市及晋、陕、蒙能源基地及中原胜利油田的供水任务，同时还有向流域外的河北、天津地区远距离调水的任务。随着黄河流域社会经济的迅速发展，对黄河水资源需求不断增加，黄河水资源供需矛盾日益加重。

由于黄河下游河南、山东河段引黄涵闸众多，引黄能力和年实际引水量很大。如何准确监控涵闸引水量，合理分配水资源，切实算清黄河水帐成为水调管理部门思考的问题。但自1982年以来，由于多种原因，黄河下游各引黄涵闸的测验方法和手段，曲线的率定存在很大差别，直接影响了引黄水量的计算精度和河段水量平衡。随着黄河下游引黄涵闸监控系统的实施，开展黄河下游引黄涵闸流量比测及流量系数、关系曲线率定成为保持水资源可持续利用的必然。

2 泄流公式及其原理

2.1河道水文资料整编方法

河道水位流量关系，一般是指基本水尺断面的水位与通过该断面或测流断面（距离基本水尺断面不远，其间无支流汇入或水量分出）的流量建立关系。但由于河道的冲淤、回水的变动、洪水的涨落、水生植物的壅堵及凌汛期冰凌的影响，都会对水位流量关系产生一定的影响，造成关系曲线发生不同程度的变化。水位流量关系曲线的稳定与否，主要取决于影响流量的各水力因素是否稳定，根据曼宁公式：

上两式中，Q为流量（m3/s）；A为断面面积（m2）；V为断面平均流速（m/s）；n为河床糙率；R为水力半径（m）；S为水面比降。

要使水位流量关系曲线保持稳定，必须在测站控制良好的情况下，同一水位的断面面积、水力半径、河床糙率、水面比降等因素均保持不变，或者各因素虽有变化，但能集中反映在断面面积、断面平均流速两因素能互相补偿，使同一水位只有一个相应流量，其关系就成为单一曲线。

对于单一的闸门来说，在一定时期内，其泄流渠道的各水力因素一般是稳定的，对于泄流曲线的率定可以采用此方法。一般可以根据闸门的情况建立闸下（或闸上）水位～流量（面积）或闸下（或闸上）水头～流量关系曲线。

2.1.1 闸下（或闸上）水位～流量（面积）关系曲线

各相关单一曲线多项式形式如下：

以上式中，Q为涵闸下泄流量（m3/s）；Z为闸下（或闸上）基本水尺水位（m）；A为闸下（或闸上）测流断面过水面积（m2）。

a1、b1、c1；a2、b2、c2；a3、b3、c3：常数项

2.1.2 闸下（或闸上）水头～流量关系曲线

单一曲线的公式形式：多项式形式：

乘幂形式：

上两式中，Z0为涵闸闸底板高程，其他符号同2.1.1。

2.2水力学法

2.2.1 流量系数法

这种方法的原理是通过实测流量率定的流量系数，根据堰闸形式、闸门开启情况、流态等因素，按水力学基本公式分析获得的不同出流情况下的水力因素与流量系数的相关关系曲线或关系方程式，以推算堰闸的过水流量。

根据流态的不同，各种条件下的流量计算公式形式为：

根据流态的不同，各种条件下的流量系数与相关因素的关系为：

以上式中，hu为上游水头，单位m；hl为下游水头，单位m；e为闸门开启高度，单位m；B为闸门总宽，单位m；△Z为水头差，单位m；

M、M1、C、C1为不同流态的综合流量系数，可由实测流量利用以上公式进行反算。

2.2.2 经验系数法

这种方法的原理是根据不同流态以水力学公式为基础，用回归分析法拟合相应的关系方程式或经验公式，进而推求闸门过水流量。

根据流态的不同，各种拟合关系方程式形式为：

3 泄流曲线的率定方法及要求

3.1水位流量关系曲线法

3.1.1 闸下（上）基本水尺水位～流量关系

（1）率定方法。根据各闸的实际情况，应用实测流量资料，点绘出闸下（或闸上）基本水尺断面的水位～流量关系曲线和水位～面积关系曲线，进而拟合出多项式关系方程式，以推算堰闸的过水流量。

（2）要求。应用此方法建立关系曲线推流，测流断面不应有较大的冲淤变化，断面位置应有较好的代表性，流量测验方法正确，符合规范要求，能够准确反映出闸门的实际过水流量；基本水尺断面水位应与遥测水位计水位高程系统相一致且二者水位误差符合水位观测规范要求。

3.1.2 闸（上）下水头～流量关系

（1）率定方法。由于用水位～流量关系曲线法拟合的关系方程式，水位是高程数据，造成公式的常数项明显较大，在实际应用时易造成概念误解，且存在着较大的误差。因此有必要对该公式形式进行一些必要的变形，建立闸（上）下基本水尺水位与闸底板高程之差（Z-Z0）的闸下水头hl与流量（Q）的关系。

（2）要求。应用闸下水头～流量关系法拟合的函数方程式，除具有闸下（上）基本水尺水位～流量关系曲线法拟合函数方程式的一般要求外，闸上、闸下基本水尺水位与闸上、闸下的遥测水位计水位及闸底板高程系统相一致，水位观测误差以及与遥测水位计的对比观测误差符合水位观测规范要求。

3.2水力学法

3.2.1 水流流态的分类及判断

有冲淤变化的测流断面，宜用水力学法。在运用水力学法进行率定时，首先要进行流态判别。黄河下游引黄涵闸下泄水流的流态一般有四种：即自由堰流、淹没堰流、自由孔流和淹没孔流。

（1）自由堰流条件：e＞hu，hl/ hu≤0.8；

（2）淹没堰流条件：e＞hu，hl/ hu≥0.8；或Q=C1Bhu3/2

（3）自由孔流条件：hu＞e＞hl；

（4）淹没孔流条件: hu＞e＜hl

以上各流态公式及符号同式（8）～式（12）3.2.2 流量系数法

（1）率定方法。用流量系数法进行泄流曲线率定时，应用闸门的实测流量资料，首先进行流态的判别，根据不同的流态，选取相应的公式，建立流量系数与相关因素关系的拟合方程式，然后将流量系数拟合的方程式代入相应流态的计算公式计算流量，

（2）要求。应用流量系数法进行泄流曲线率定时，除应具有3.1.1与3.1.2的相关要求外，流态判断应准确，不同的流态应选用不同的相关因素率定流量系数公式，闸门开启高度、宽度应准确。

3.2.3 经验系数法

（1）率定方法。用经验系数法进行泄流曲线率定时，需要根据闸门类型、开启情况、流态和实测流量资料，选取相应的流量计算公式，建立流量与相关因素相关关系的拟合经验公式计算流量。

（2）要求。应用经验系数法进行泄流曲线率定时，除应具有3.1.1、3.1.2和3.2.2的相关要求外，不同的流态应选用不同的相关因素与流量建立相关关系拟合经验方程式。

4 率定曲线的合理性检验

根据《水文资料整编规范》（SL 247-1999）的有关规定，对于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个以上者，应做符号检验、适线检验和偏离数值检验，并应符合下列规定。

4.1符号检验

进行符号检验时，应分别统计测点偏离曲线的正、负号个数（偏离值为零者，作为正、负号测点各半分配），按公式（21）计算统计量u值并将其与用给定的显著性水平α查表1所得的u1−α/2值比较，当计算的u

以上式中，u为统计量；n为测点总数；k为正号或负号个数；p、q为正、负号概率，各为0.5。

表1 临界值u1−α/2与u1−α/2

符号检验时，α值采用0.25，临界值按表1确定。

4.2适线检验

进行适线检验时应按测点水位由低至高排列顺序，从第二点开始统计偏离正负符号变换，变换符号记1，否则记0。统计记“1”的次数，按公式（22）计算u值并与给定的显著性水平α查表1的uα−1比较，当u＜uα−1则认为合理，即接受检验；否则应拒绝原架设。

以上式中，u为统计量；n为测点总数；k为变换符号次数，k<0.5(n-1)时作检验，否则不作此检验；p、q分别为变换、不变换符号的概率，各为0.5。

适线检验时，α值采用0.05～0.10，临界值按表1确定。

4.3偏离数值检验

进行偏离数值检验时应按公式（23）、式（24）分别计算t值，值，并将t值与（3）取水、放空设施整治方案调整后，更便于大坝的运行管理，同时有利于保障大坝的安全。用给定显著性水平α查表2的t1−α/2值比较，当|t|

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1672-2469(2014)06-0044-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.06.015

周建伟（1966—），男，高级工程师。