刘 玉

(蚌埠水文水资源局,安徽 蚌埠 233000)

从水力学原理角度出发，在处于淹没孔流流态状态时闸孔内部的平均水流速度与上下游的水位差之间存在密切关联。从水文学角度而言，实测水位流量相关资料是确定上述关系的主要依据，在对闸流量进行推算后，可以有效减轻在后续进行测验工作的工作强度，进而在此基础上有效提升高流量计算精密度。本次研究中所使用的水位流量资料为浍河固镇闸水文站在2000—2019年的有关实测数据，在此基础上借助CAD作图工具与数据整编、汇总软件对参与此次实证研究所涉及数据的内在逻辑关系行单一线定线性分析，并于淹没孔流流态情境下对该水文站周边区域上下游间水位差与闸孔平均流速间所存在的规律性逻辑关联进行分析，在此基础上依据SL247《水文资料整编规范》[1]，对水文数据本身的关系线进行假设性验证检验以及精度检验，检验结果表明该成果符合标准规范要求。

1 概述

1.1 测站概况

固镇闸水文站位于安徽省固镇县固镇闸。该站位于浍河下游段，控制流域面积4541km2，二类精度站，本站距下游河口距离为20km。固镇闸水文站建于1935年5月。建站以来至2014年12月采用冻结基面，冻结基面与黄海基面较差值为-0.106m；2015年至今采用冻结基面，冻结基面与85基准基面较差值为-0.238m。此次测量过程中，降水量、蒸发量、水位实测情况以及水流流量、悬移质泥沙、水质、墒情等均为测量内容。主要任务是防汛抗旱、水资源管理和水质监测，及时为地方各级领导及水行政主管部门提供水文情报和分析资料。收集的水文资料是水利、城建、防洪规划的基本依据，为水资源评价、水环境监测、水土保持等提供技术服务，为防洪、抗旱、生态安全担负着可靠的技术支撑。

1.2 水利工程情况

固镇闸同时兼具航运、灌溉以及防洪等功能，是典型的综合利用式水利枢纽工程。建于1958年10月，闸门9孔，孔宽为4m，闸底高程为12.82m。1994年6月扩建固镇闸12孔，孔宽5m，闸底高程为11.39m。闸上正常蓄水位16.50m，设计水位17.50m，设计泄洪量1015m3/s，校核流量1537m3/s。临涣集水文站建设在距该工程上游95kn，建筑周围设施直接受到蕲县、南坪两座节制闸影响。

1.3 测验河段及测验断面情况

测验河段系天然河道，顺直长度为800m，距固镇闸闸上游2km处有浍澥引河，设有薛庄水文站控制浍澥两河串流水量。2007年8月浍澥引河入浍河口1km处新建节制闸1座，其闸为1孔，孔宽为4m。

测验断面左岸多滩地，右岸较陡直。在测验断面上游30m处有新建滨河公园，当闸下游水位大于14.60m会直接造成阻水影响。

测验断面下游50m处建有固镇浍河公路大桥，大桥共有16孔，桥墩上游2～5m范围内水流较平稳、无急剧的壅浪、漩涡、无分流、岔流、回流等现象。

固镇闸水文站大断面见图1所示。

图1 固镇闸水文站大断面图

1.4 水文特性及水位流量关系影响因素

固镇闸水文站洪水来源主要为浍河上游暴雨洪水，多为复式洪峰，洪量大、峰型平缓，水位流量关系呈绳套曲线。该站流量主要受上游暴雨洪水涨落和固镇闸门开启的共同影响，水位～流量关系比较复杂。本站历年水文特征值统计见表1。

表1 测站水文特征表

2 水位-流量单值化分析

2.1 分析依据

(1)GB 50179—93《河流流量测验规范》；

(2)SL 195—97《水文巡测规范》；

2)船舶速度分布标准差是描述船舶速度差异的一项参数，而船舶速度的差异性是船舶发生减速的前提条件，船舶间的速度差异性越大，船舶发生减速的可能性越高。

(3)SL 247—2012《水文资料整编规范》。

2.2 基本公式的确定

由于固镇闸站水位-流量关系主要受洪水涨落影响和闸门开启影响，鉴于这一测站特性，通过优选分析孔流采用水力因素-堰闸流量系数比较合适[2]。具体为：用固镇闸上游站水位与闸下游水位差，下游水头、闸门开高、开宽作为影响因素；该站淹没孔流采用自编公式，相关计算公式如下：

淹没孔流

Q=CBehl

式中，Q—流量；C—淹没孔流流量系数；hl—下游水头；B—闸门开启总宽；e—闸门开启高度。

相关因素为ΔZ，流量系数为C。分析所用资料中，闸门开启孔数不等，开启高度为平均值[3]。

2.3 单值化分析资料及结果

2.3.1CAD定线

本次研究借助CAD软件面向闸孔平均流速同枢纽站上下游水位差间的内在关系线进行绘制，其具体流程为：①通过Excel数据表格内部所拥有的数据统计与批量处理等功能，将实测区域上下游水位差同闸孔平均流速坐标点的承接关系通过CAD软件进行坐标比例的等价换算，并通过可视化功能中的展点功能绘制并展现闸孔的平均流速测点，以使其清晰展现，易于可视化[4]。②借助样条曲线对关系线进行精准绘制。③通过多段线对关系线节点进行实时查询与读取，借助Excel将目前为止已经查询到的关系线节点进行反算操作，同时，要明确检查关系线是否存在反曲现象，在关系线存在较为严重的反曲情景时，需要对关系线进行适当调整。④由于图纸内容存在部分展现残缺，因此通过CAD软件内部的绘图功能优化图纸内容，在对其进行完善与修改后输出并保存[5]。要根据固镇闸站的新闸单开同老闸混合开启有关的实测水文资料，通过CAD绘图工具并联合数据整编软件对预期需要进行的定性分析进行展现。

2.3.2新闸单开

采用本站2000—2019年单开新闸淹没孔流共222次实测流量资料，进行单值化分析，单开新闸淹没孔流系数计算成果见表2。在淹没孔处相关实测因素Δz的整体变幅为0.02～2.45，由此可知，周围测点的分布情况较为均匀，整体代表性较好，固镇闸站单开新闸淹没孔流单淹没孔流关系综合曲线如图2所示。

表2 固镇闸(闸下游)站孔流关系线分析(单开新闸)

2.3.3新老闸混合开启

淹没孔流单值化水位流量关系分析，收集本站2000—2019年淹没孔流共23次实测流量资料，进行单值化分析，新老闸混合同时开启淹没孔流系数计算及关系线检验成果见表3。淹没孔流实测相关因素Δz变幅为0.02～0.88，测点分布均匀，具有很强的代表性[6]，固镇闸站新老闸同时开启淹没孔流关系综合曲线如图3所示。

表3 固镇闸(闸下游)站孔流关系线检验(新老闸同开)

图3 新老闸混合开启淹没孔流关系曲线

2.4 单值化分析成果精度

2.4.1定线精度检验

从实现原理角度而言，定线性精度检验具体是指在详细计算实测点同关系线的标准误差、随机不确定度以及系统误差数据的基础上，对研究中所检验出的关系线进行详细分析，并验证其是否符合标准的规范要求[7]，其中，固镇闸定线精度检验见表4。

表4 固镇闸定线精度检验表 单位：%

2.4.2淹没孔流关系曲线精度检验

根据单值化分析计算，点绘单值化流量综合关系曲线图，可得出固镇闸水文站，单开新闸淹没孔流关系曲线的标准差、随机误差和系统误差均达到规范规定的精度要求见表5；新老闸混合开启淹没孔流关系曲线的标准差、随机误差和系统误差均达到规范规定的精度要求(见表6)。

表5 单开新闸淹没孔流关系曲线精度分析成果表

表6 新老闸混合开启淹没孔流关系曲线精度分析成果表

3 结语

水位流量关系曲线的计算是水文测验学中的一个经典问题，它对水文资料整编，尤其是实时水位流量换算的准确性起到了关键性的作用，本文提出一种基于CAD作图工具、汇总软件，结合大断面测量资料，淹没孔流流态情境下该水文站周边区域上下游间水位差与闸孔平均流速间存在逻辑关联，通过分析实现流量在线，为固镇闸防汛抗旱、水资源管理、河湖整治、水生态水环境、水工程监管提供技术支撑，并进一步对上下游水位差-闸孔平均流速间的线性关系进行深入修正；采用计算水位流量关系曲线的方法指导中小河流预警预报和山洪灾害预警工作具有现实意义。