沿海河流水動力模型中堰閘孔流模擬技術(shù)分析

劉融融 查 紅 王 琪

（江蘇省水文水資源勘測局鹽城分局 鹽城 224051）

1 引言

江蘇海岸線全長954km（其中鹽城582km，占61%），入海河流眾多，沿海建閘118座。入海河流水動力模型中沿海涵閘以聯(lián)系要素（控制條件要素）來模擬，其出流模擬技術(shù)方法直接影響模型水位、流量等水文要素的模擬精度。目前用于構(gòu)建河流水動力模型的應(yīng)用軟件，堰閘堰流模擬多采用《水力學(xué)》課本上的理論計算公式。而孔流模擬亦采用堰流計算公式，用開啟度來模擬堰閘開啟孔數(shù)和開高兩要素帶來的綜合影響，孔流流量系數(shù)采用經(jīng)驗值（取常數(shù)），此種模擬方法在應(yīng)用上存在一定的局限性。本文根據(jù)多年水文監(jiān)測分析經(jīng)驗，提出應(yīng)用水文部門堰閘流量多年綜合率定成果來模擬堰閘孔流，以提高堰閘出流的模擬精度。在具體應(yīng)用上，包括公式形式及流量系數(shù)相關(guān)因素的選擇，綜合流量系數(shù)率定成果的應(yīng)用。

2 鹽城市沿海涵閘運行簡介

鹽城市廢黃河接淤黃河以南均為里下河平原水網(wǎng)區(qū)，面積約14854km2，占全市總面積87.5%，該區(qū)域地勢低洼，上游來水通暢，引江水能自流輸送到沿海涵閘，因沿海港道容易發(fā)生淤積，在調(diào)度涵閘排水時閘門正常全部提出水面，出流形態(tài)為淹沒式堰流；但境內(nèi)廢黃河、蘇北灌溉總渠及東臺堤東地區(qū)河道河床地勢較高，江水不能自流匯入，除遇區(qū)域暴雨閘門全部提出水面搶排洪澇水外，其他時間閘門多處于關(guān)閉狀態(tài)，蓄保水源；出于改善河流水質(zhì)提升水環(huán)境的需要，亦會不定期開閘泄流，但一般都是節(jié)制性開閘，開部分閘孔，閘門不全提出水面，出流形態(tài)為淹沒式孔流。

3 典型涵閘孔流流量率定分析

鹽城沿海境內(nèi)在高水河道上布設(shè)有4處水文站，分別為濱海新閘站、六垛南閘站、梁垛河閘站和梁垛河閘站，本文選取濱海新閘站和梁垛河閘站作代表性分析。

3.1 濱海新閘站孔流流量系數(shù)分析

濱海新閘孔流采用公式Q=M2·Be△Z0.5推算流量。歷年采用e/ΔZ～M2率定關(guān)系線推流，選取最近連續(xù)5年（2011～2015年）實測e/ΔZ～M2關(guān)系點據(jù)進行綜合定線分析。5年點據(jù)綜合定線公式為：

式中：M2為流量系數(shù)；ΔZ為閘上、閘下水位差，ΔZ=Z1-Z2。

對綜合線做符號檢驗、適線檢驗和偏離檢驗，三種檢驗均合格（見表1）。隨機不確定度9.0%，達到一類站精度。實測關(guān)系點據(jù)對綜合線相對誤差小于10%，達98.7%，相對誤差小于15%，達100%。各年關(guān)系線與綜合線高、中、低點據(jù)相對偏離誤差在0.3～9.0%之間，平均3.2%，滿足二類站精度要求。

綜上分析，濱海新閘孔流多年流量系數(shù)關(guān)系穩(wěn)定，綜合關(guān)系較好，滿足定線精度要求。

3.2 梁垛河閘孔流流量系數(shù)分析

梁垛河閘孔流亦采用公式Q=M2·Be△Z0.5推算流量。歷年采用e/ΔZ～M2率定關(guān)系線推流，選取最近連續(xù)5年（2011～2015年）實測e/ΔZ～M2關(guān)系點據(jù)進行綜合定線分析。5年點據(jù)綜合定線公式為：

表1 濱海新閘站淹沒式孔流關(guān)系線三項檢驗成果表

表2 梁垛河閘站淹沒式孔流關(guān)系線三項檢驗成果表

對綜合線做符號檢驗、適線檢驗和偏離檢驗，三種檢驗均合格（見表2）。隨機不確定度11.6%，達到一類站精度。實測關(guān)系點據(jù)對綜合線相對誤差小于10%，達91.4%，相對誤差小于15%，達100%。各年關(guān)系線與綜合線高、中、低點據(jù)相對偏離誤差在0.4%～13.6%之間，平均0.6%，滿足二類站精度要求。

綜上分析，梁垛河閘孔流多年流量系數(shù)關(guān)系穩(wěn)定，綜合關(guān)系較好，滿足定線精度要求。

4 誤差分析

模型軟件模擬涵閘孔流，其流量系數(shù)多根據(jù)經(jīng)驗取常數(shù)，而濱海新閘和梁垛河閘站流量率定實踐表明，對某個涵閘而言其出流流量系數(shù)是個變量，需找準(zhǔn)相關(guān)因子，建立相關(guān)關(guān)系，再用于推流才能提高推算流量的精度。根據(jù)率定測次的相關(guān)因素值分別選取大、中、小三個率定測次，對上述兩種方法流量誤差進行對比分析，見表3。

表3 模型經(jīng)驗常數(shù)法與水文流量率定誤差對照表

從表3可以看出，模型經(jīng)驗常數(shù)法2站3測次流量系數(shù)誤差均超過實測率定誤差，可見模型經(jīng)驗常數(shù)法由于對流量系數(shù)進行了均值概化，推算得流量存在一定誤差，但2站誤差均在±15%之內(nèi)，有應(yīng)用的可行性。

5 涵閘孔流流量率定成果應(yīng)用可行性分析

要實現(xiàn)水文率定成果應(yīng)用，只需對軟件程序增加一層e/ΔZ～M2關(guān)系求解嵌套，如此瞬時流量的模擬精度將得到保證，且可避免因流量系數(shù)估值發(fā)生偏離帶來流量系統(tǒng)偏差。因此，涵閘孔流流量率定成果應(yīng)用是可行的，也是必要的。

6 結(jié)語

目前河流水文水動力模型已廣泛應(yīng)用于工程規(guī)劃設(shè)計、洪水調(diào)度、洪水預(yù)報和水資源管理，摸索高精度的模擬技術(shù)是模型構(gòu)建永恒的追求，也是技術(shù)難點。本文以典型站為案例，分析涵閘孔流流量綜合率定成果應(yīng)用于河流涵閘出流模擬的可行性和必要性，這對改進軟件涵閘孔流模擬的技術(shù)方法，提高構(gòu)建模型的模擬精度具有重要意義