CN115795856A - 一种用于水闸下游流量的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水闸下游流量的监测方法，包括以下步骤：确定水闸相关特征参数，设计模型范围及比尺，构建物理模型；进行物理模型试验，试验得到不同工况、不同组次条件下的水闸下泄流量数据；点绘试验数据点，利用曲线拟合闸门开度、上下游水位与下泄流量的关系，率定拟合水闸过流曲线；通过水闸的实际调度，实时监测水闸的开度、上下游水位信息，结合拟合后的过流曲线，得到水闸实时的下泄流量。通过构建物理模型试验，拟合水闸过流曲线，并实时监测水闸开度、监测上下游水位信息，两者结合得到水闸下游控制断面的实时流量，相比于传统通过实测数据确定的方法，本发明的适用范围更广，能更好地解决小流量、低流速监测精度不高的问题。

Description

一种用于水闸下游流量的监测方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，特别涉及一种用于水闸下游流量的监测方法。

背景技术

河流生态流量控制断面的监测是生态流量管控的关键措施之一，河流生态流量管理、考核及预警都是建立在生态流量监测的基础上，生态流量控制断面都需要建立生态流量监控系统，确保能做到逐日获取流量数据，并尽可能实现数据自动报送。从便于开展生态流量调度及确保河流不断流的角度考虑，部分河流的生态流量控制断面设置在水闸下游，目前，对于闸下游的流量河道流量的监测水闸下游流量的监测方法，主要有三大类：

一种是通过人工测流的方法，定期开展水文监测，如通过走航式ADCP，对控制断面流量进行监测，这种方法测量精度较高，但是每测量一次，需要花费较大的人力及较长的时间，且只能得到当次测量的数据，很难满足生态流量逐日监测的要求。

第二种是在控制断面处安装雷达、ADCP等流量监测设备进行实时监测，这种方法比较便捷，能够实时获取流量数据，但是现有的设备对于低流量、低流速的监测精度不高、监测误差较大，且成本相对较高，难以满足生态流量中生态基流、河道底限流量等小流量的监测要求。

第三种方法是采用堰流公式等经验公式，通过水闸的一些设计参数，以及实施水位监测数据，推算水闸的下泄流量，这种方法简单便捷，但是由于是经验推算，计算得到的流量与实际流量也有所偏差，无法满足生态流量中对河道流量精细化管控的要求。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种用于水闸下游流量的监测方法，可较好解决小流量、低流速监测精度不高的问题，具有适应性广、监测精度较高、不影响水闸运行等特点。

根据本发明第一方面实施例的用于水闸下游流量的监测方法，包括：

确定水闸相关特征参数，设计模型范围及比尺，构建水闸断面或整体的物理模型；

根据水闸实际运行情况，进行包括淹没出流、自由出流的不同条件下的物理模型试验，试验得到不同工况、不同组次条件下的水闸下泄流量数据；

点绘包括水闸开度、上下游水位、下泄流量的试验数据点，利用曲线拟合闸门开度、上下游水位与下泄流量的关系，根据回归分析方法，率定拟合水闸过流曲线；

实时监测水闸的开度，实时监测上下游水位信息，结合实验室拟合后的过流曲线，得到水闸实时的下泄流量，该流量即是水闸下游控制断面的实时流量。

根据本发明的第一方面实施例的用于水闸下游流量的监测方法，至少具有如下有益效果：通过构建物理模型试验，拟合水闸过流曲线，并实时监测水闸开度、监测上下游水位信息，两者结合得到水闸下游控制断面的实时流量，相比于传统通过实测数据确定的方法，本发明的适用范围更广，能更好地解决小流量、低流速监测精度不高的问题。

根据本发明的第一方面实施例所述的用于水闸下游流量的监测方法，确定水闸相关特征参数的方法包括：测量水闸底板高程、水闸底板长度、墩高、敦厚、闸孔数量、闸孔净宽、消力池底板高程、消力池底板长度、水闸上下游的河道地形。

根据本发明的第一方面实施例所述的用于水闸下游流量的监测方法，设计模型范围及比尺的方法包括：

对于中小型水闸或各闸孔过流比较均衡的大型水闸，采用1孔～2孔之间的断面的物理模型；

对于各闸孔之间流态差异较大的大型水闸，采用整体的物理模型。

根据本发明的第一方面实施例所述的用于水闸下游流量的监测方法，设计模型范围及比尺的方法还包括：按重力相似定律设计成正态模型，按相似条件计算得到模型几何比尺、流速比尺、流量比尺计算参数。

根据本发明的第一方面实施例所述的用于水闸下游流量的监测方法，构建物理模型的方法包括：水闸、闸墩、河道地形采用与原体糙率相似的材料进行制作，并安装物理模型试验测量设备测量水位、流速。

根据本发明的第一方面实施例所述的用于水闸下游流量的监测方法，进行模型实验，得到不同工况、不同组次条件下的水闸下泄流量数据的方法包括：

根据水闸上下游实际情况，分别对泄洪闸自由出流和淹没出流的不同工况的过流能力进行试验；根据闸孔高度，分6-8组次不同的开度，对上下游水位、过闸流量进行试验。

根据本发明的第一方面实施例所述的用于水闸下游流量的监测方法，点绘数据，绘制水闸闸门开度、上下游水位与下泄流量的关系曲线的方法包括：

对于自由出流工况，在上游水位-过闸流量平面上，点绘所有测试数据，并按不同开度绘制水位-流量关系曲线；

对于淹没出流工况，在下游水位-过闸流量平面上，点绘所有测试数据，并按不同开度绘制水位-流量关系曲线。

根据本发明的第一方面实施例所述的用于水闸下游流量的监测方法，率定参数，确定水闸过流曲线的方法包括：对于某个水闸开度的关系曲线，采用回归分析和最小二乘法，拟合确定该水闸开度下的水位-流量关系曲线；将其他开度下的关系曲线按该方法进行率定，得到该水闸不同开度下的水位-流量曲线，即为该水闸的过流曲线。

根据本发明的第一方面实施例所述的用于水闸下游流量的监测方法，实时监测水闸的开度的方法包括：逐时记录水闸开启数量，根据水闸调度，实时记录水闸开度。

根据本发明的第一方面实施例所述的用于水闸下游流量的监测方法，实时监测上下游水位信息的方法包括：在水闸的上下游安装水位监测设施，实时监测上下游水位信息。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；

图1为本发明具体实施例下的剖面布置图；

图2为本发明具体实施例下的平面布置图；

图3为本发明具体实施例下的关系曲线。

附图标记：

护坦100、闸室200、下游消力池300、海漫400。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是至少两个，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以在结合技术方案的具体内容后，合理确定上述词语在本申请中的具体含义。

河道流量是河流关键的水文要素，也是表征流域来水特征、健康特征重要指标之一。近年来，随着生态环境保护力度的加强，河湖生态流量管控也逐渐受到重视。保障河湖生态流量是推进河湖生态保护修复的基本要求，是生态文明建设的一项重要举措，对于强化水资源刚性约束作用、促进流域高质量发展具有重要意义。

参照图1至图3，本申请第一方面实施例的用于水闸下游流量的监测方法，可广泛应用于已建、在建、规划建设水闸下游的流量监测中，用于水闸下游流量的监测方法包括以下步骤：

确定水闸相关特征参数，设计模型范围及比尺，构建水闸断面或整体的物理模型；

根据水闸实际运行情况，进行包括淹没出流、自由出流的不同条件下的物理模型试验，试验得到不同工况、不同组次条件下的水闸下泄流量数据；

点绘包括水闸开度、上下游水位、下泄流量的试验数据点，利用曲线拟合闸门开度、上下游水位与下泄流量的关系，根据回归分析方法，率定拟合水闸过流曲线；

实时监测水闸的开度，实时监测上下游水位信息，结合实验室拟合后的过流曲线，得到水闸实时的下泄流量，该流量即是水闸下游控制断面的实时流量。

通过构建物理模型试验，拟合水闸过流曲线，并实时监测水闸开度、监测上下游水位信息，两者结合得到水闸下游控制断面的实时流量，相比于传统通过实测数据确定的方法，本发明的适用范围更广，能更好地解决小流量、低流速监测精度不高的问题。进一步的，因为建立了物理模型，此方法可考虑用于生态流量测量，针对水闸下游的小流量进行测量，甚至可以模拟特枯条件，范围要更广。

需要说明的是，本发明的计算方法适用于：1)流量控制断面在水闸下游，两者之间无其他支流汇入或汇出，无取水口或排水口；2)水闸下泄水量主要通过闸孔泄流，或其他过闸水量可以定量的监测或计算出来的流域特征。

需要说明的是，确定水闸相关特征参数的方法包括：查阅设计资料或现场测量，确定水闸相关特征参数。需要确定包括水闸底板高程、水闸底板长度、墩高、敦厚、闸孔数量、闸孔净宽、消力池300底板高程、消力池300底板长度、水闸上下游的河道地形。具体的测量包括水闸上下游300m左右的河道地形等物理模型建模需要的相关参数。

需要说明的是，模型设计，设计模型范围及比尺的方法包括：对于中小型水闸或各闸孔过流比较均衡的大型水闸，采用1孔～2孔之间的断面的物理模型；对于各闸孔之间流态差异较大的大型水闸，采用整体的物理模型。按重力相似定律设计成正态模型，按相似条件计算得到模型几何比尺、流速比尺、流量比尺计算参数。

需要说明的是，模型制作，构建物理模型的方法包括：水闸、闸墩、河道地形采用与原体糙率相似的材料进行制作，并安装物理模型试验测量设备测量水位、流速。

需要说明的是，进行模型实验，得到不同工况、不同组次条件下的水闸下泄流量数据的方法包括：根据水闸上下游实际情况，分别对泄洪闸自由出流和淹没出流的不同工况的过流能力进行试验；根据闸孔高度，分6-8组次不同的开度，对上下游水位、过闸流量进行试验。其中不同工况、不同组次条件下的水闸下泄流量数据包括试验得到不同水闸开度、不同水位条件下的水闸下泄流量的数据。

需要说明的是，点绘数据，绘制水闸闸门开度、上下游水位与下泄流量的关系曲线的方法包括：对于自由出流工况，在上游水位-过闸流量平面上，点绘所有测试数据，并按不同开度绘制水位-流量关系曲线；对于淹没出流工况，在下游水位-过闸流量平面上，点绘所有测试数据，并按不同开度绘制水位-流量关系曲线。

需要说明的是，率定参数，确定水闸过流曲线的方法包括：对于某个水闸开度的关系曲线，采用回归分析和最小二乘法，拟合确定该水闸开度下的水位-流量关系曲线；将其他开度下的关系曲线按该方法进行率定，得到该水闸不同开度下的水位-流量曲线，即为该水闸的过流曲线。

需要说明的是，实时监测水闸的开度的方法包括：逐时记录水闸开启数量，根据水闸调度，实时记录水闸开度。实时监测上下游水位信息的方法包括：在水闸的上下游安装水位监测设施，实时监测上下游水位信息。其中，更为及具体的方法包括：

1)现场监测，实时提供水闸闸门开度、上下游水位等数据。在现场水闸上下游安装实时水位计，根据水闸调度，实时记录水闸开度。

2)流量计算，实时确定水闸下游控制断面流量数据。根据实时记录的水位、水闸开度信息，结合率定后的水闸过流曲线，能够得到水闸实时的下泄流量，该流量即是水闸下游控制断面的实时流量。

参照图1至图3，本发明的具体案例：

(1)某水利枢纽位于河口上游约1km处，上距另一水利枢纽约46.7km，枢纽坝下设置有生态流量控制断面，枢纽主要通过水闸、发电下泄水量，发电水量可由发电量换算，水闸下泄流量可由本方法进行监测。

(2)根据该水利枢纽设计资料，泄水闸包括上游护坦100、闸室200、下游消力池300及海漫400，泄水闸堰型为开敞式平底宽顶堰，共设有31孔，采用平板钢闸门，泄流前缘总长为609.5m，单孔尺寸为16m。堰顶高程为3.0m，基本与原河床齐平，闸段结构采用缝墩，中墩厚3.0m，缝墩及边墩厚2.0m，两闸孔设一条结构缝，闸墩布置于斜坡段。闸室200底板顺水流方向长20.5m，闸顶高程为19.0m。闸后设置消力池300，池长为38m，池深1.5m，池底高程为-0.5m，尾坎顶高程为1.0m。

(3)根据试验研究的内容，本研究设计了清远泄水闸断面模型。根据相似理论，模型按重力相似定律设计成正态模型,模型截取河道工程上游300m，下游320m河段进行试验，河床平均高程为3.0m。综合考虑玻璃水槽的尺寸以及试验室的供水条件，水闸的断面模型截取2孔水闸及二个闸墩进行模拟。

按相似条件得模型主要比尺如下：

几何比尺：

λ_H＝λ_L＝39

流速比尺：λ_V＝λ_H ^1/2＝6.25

流量比尺：λ_Q＝λ_L ^5/2＝9499

(4)模型中模拟的河道地形采用水泥光面制作，能够满足与原体河床糙率相似。泄水闸、闸墩、消力池300等水工建筑物均采用杉木精制、石蜡抛光，可满足糙率相似的要求。

水位测量采用高精度的游标水位测针量测，流速测量采用LS-8C八点光电流速仪，上游来水由薄壁三角量水堰施测并控制。

(5)断面模型试验中，本次主要考虑自由出流，对单孔闸门分0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m六组不同开度进行试验。

(6)按照0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m等不同的开度，在上游水位-过闸流量平面上，点绘水位流量点据，并对每个开度的数据绘制水位-流量关系曲线，如图3。

(7)分别对0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m等不同的开度，采用回归分析及最小二乘法，确定不同水闸开度下，单孔闸门的上游水位与泄流量关系：

e＝0.5m时，Q_单孔＝-0.5857×(Z_上)²+16.378×(Z_上)-43.548

e＝1.0m时，Q_单孔＝-1.0803×(Z_上)²+29.879×(Z_上)-79.443

e＝1.5m时，Q_单孔＝-1.4558×(Z_上)²+41.748×(Z_上)-111.56

e＝2.0m时，Q_单孔＝-1.7808×(Z_上)²+52.573×(Z_上)-141.34

e＝2.5m时，Q_单孔＝-2.135×(Z_上)²+62.864×(Z_上)-168.92

e＝3.0m时，Q_单孔＝-2.4374×(Z_上)²+72.068×(Z_上)-193；

(8)在枢纽上游安装水位计，记录逐时上游水位；根据调度记录，逐时记录水闸开启数量及各水闸对应的开度。

(9)根据水位及水闸开度，结合水闸过流曲线，计算每个水闸的过流水量，累加得到水闸实时的下泄流量，加上发电水量，即得到清远水利枢纽坝下断面的实时流量数据。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种用于水闸下游流量的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定水闸相关特征参数，设计模型范围及比尺，构建水闸断面或整体的物理模型；

根据水闸实际运行情况，进行包括淹没出流、自由出流的不同条件下的物理模型试验，试验得到不同工况、不同组次条件下的水闸下泄流量数据；

点绘包括水闸开度、上下游水位、下泄流量的试验数据点，利用曲线拟合闸门开度、上下游水位与下泄流量的关系，根据回归分析方法，率定拟合水闸过流曲线；

实时监测水闸的开度，实时监测上下游水位信息，结合拟合后的过流曲线，得到水闸实时的下泄流量，该流量即是水闸下游控制断面的实时流量。

2.根据权利要求1所述的用于水闸下游流量的监测方法，其特征在于：确定水闸相关特征参数的方法包括：测量水闸底板高程、水闸底板长度、墩高、敦厚、闸孔数量、闸孔净宽、消力池底板高程、消力池底板长度、水闸上下游的河道地形。

3.根据权利要求2所述的用于水闸下游流量的监测方法，其特征在于：设计模型范围及比尺的方法包括：

对于中小型水闸或各闸孔过流比较均衡的大型水闸，采用1孔～2孔之间的断面的物理模型；

对于各闸孔之间流态差异较大的大型水闸，采用整体的物理模型。

4.根据权利要求3所述的用于水闸下游流量的监测方法，其特征在于：设计模型范围及比尺的方法还包括：按重力相似定律设计成正态模型，按相似条件计算得到模型几何比尺、流速比尺、流量比尺计算参数。

5.根据权利要求3所述的用于水闸下游流量的监测方法，其特征在于：构建物理模型的方法包括：水闸、闸墩、河道地形采用与原体糙率相似的材料进行制作，并安装物理模型试验测量设备测量水位、流速。

6.根据权利要求1所述的用于水闸下游流量的监测方法，其特征在于：进行模型实验，得到不同工况、不同组次条件下的水闸下泄流量数据的方法包括：

根据水闸上下游实际情况，分别对泄洪闸自由出流和淹没出流的不同工况的过流能力进行试验；根据闸孔高度，分6-8组次不同的开度，对上下游水位、过闸流量进行试验。

7.根据权利要求1所述的用于水闸下游流量的监测方法，其特征在于：点绘数据，绘制水闸闸门开度、上下游水位与下泄流量的关系曲线的方法包括：

对于自由出流工况，在上游水位-过闸流量平面上，点绘所有测试数据，并按不同开度绘制水位-流量关系曲线；

对于淹没出流工况，在下游水位-过闸流量平面上，点绘所有测试数据，并按不同开度绘制水位-流量关系曲线。

8.根据权利要求7所述的用于水闸下游流量的监测方法，其特征在于：率定参数，确定水闸过流曲线的方法包括：对于某个水闸开度的关系曲线，采用回归分析和最小二乘法，拟合确定该水闸开度下的水位-流量关系曲线；将其他开度下的关系曲线按该方法进行率定，得到该水闸不同开度下的水位-流量曲线，即为该水闸的过流曲线。

9.根据权利要求1所述的用于水闸下游流量的监测方法，其特征在于：实时监测水闸的开度的方法包括：逐时记录水闸开启数量，根据水闸调度，实时记录水闸开度。

10.根据权利要求9所述的用于水闸下游流量的监测方法，其特征在于：实时监测上下游水位信息的方法包括：在水闸的上下游安装水位监测设施，实时监测上下游水位信息。

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