基于CAP流量公式的闸门流量率定研究.pdf

第49 卷第5期2023年10 月D0I:10.3969/j.issn.1004-4701.2023.05-11江西水利科技JIANGXIHYDRAULICSCIENCE&TECHNOLOGY基于CAP流量公式的闸门流量率定研究Vol.49 No.50ct.2023黄剑平，沈雯*，靳伟荣(江西省赣抚平原水利工程管理局，江西南昌，330 0 9 6)摘要：灌区量水目前最被广泛采用的方式是利用水工建筑物量水，主要是通过水闸结合闸门开度来进行流量测量。但目前闸门量水的精度有限，原因是不同流态下的流量计算公式差距迥异，且在灌区野外环境的实际应用中实际值和理论值存在偏差。该研究通过分析不同流态特点及流量变化规律，结合江西省赣抚平原灌区的三干节制闸实测数据，提出了区分流态的CAP流量率定模型，并在灌区实际应用。结果表明：（1）当水闸历史实测资料较为齐全、覆盖流态较为全面时，应选择“基于水跃发生先验的流态辨识法”+“CAP流量公式”作为流量率定算法，其较传统方法“传统流态辨识法”+“传统流量公式”）提高了0.0 33的拟合优度；（2）当无法提供较为齐全的水闸历史实测资料时，为尽可能提高闸门量水精度，应选用CAP流量公式作为流量率定算法，以平均相对误差绝对值MAPE作为评价指标，其较传统流量公式提高了16.7 8%。关键词：水闸；过闸流量模型；流量测量；流态辨识中图分类号：TV663文献标识码：B文章编号：10 0 4-47 0 1(2 0 2 3)0 5-0 37 5-0 7用相应的公式计算流量叫。流态辨识的方法有传统流态0引言水资源是人类生存和发展所必须的基本物质资源，在促进经济平稳发展、保障居民生活水平、维护生态平衡等方面都发挥着至关重要的作用。自2 0 12 年起，国务院开始实行最严格的水资源管理制度，并明确了各省用水总量控制目标，合理配置水资源的重要性不言而喻。在我国水资源的各种用途中，农业用水占比最大，但2 0 2 2 年我国农田灌溉水有效利用系数约为0.57 2，远低于发达国家0.7 0.8 的平均水平，农业节水还有很大的提高空间。科学合理的水量计量是促进灌区节水的有效手段，也是促进水资源优化配置、有效利用的重要要求，对促进灌区可持续发展、现代化管理等具有积极意义。灌区量水目前最被广泛采用的方式是利用水工建筑物量水，主要是通过水闸结合闸门开度来进行流量测量。建立闸门过流关系需要判断过闸水流流态和采收稿日期：2 0 2 3-0 7-0 7作者简介：黄剑平（19 7 0-），男，大学本科，工程师.*通讯作者：沈雯（19 9 8-)，女，大学本科，助理工程师.辨识法、综合能耗系数流态辨识法等，但目前对闸门淹没流态缺乏统一的划分标准，如袁新明2 采用收缩断面弗劳德数Fr数给出了平底板平板闸门不同流态下淹没出流的判别条件；邱静 3 依据模型试验结果，采用淹没度hale（下游水深ha与闸门开度e的比值）作为判别条件，对宽顶堰平板闸门闸孔出流的流态进行划分。且将闸门相对开度elhu=0.65（闸门开度e与上游水深hu的比值)作为孔堰流变换分界阈值存在一定的局限性。侯冬梅等叫认为以固定值elhu=0.65作为孔堰流变换分界值仅适用于闸孔自由出流状态，当e/hu0.65而弧门未脱离水面时，传统堰流经验公式计算的流量与实测值偏差较大。此外，在传统水力学公式等流量计算模型中，普遍存在高淹没度流态下精度较低的问题。黄国兵等4试验发现，当节制闸相对开度e/h较大时，孔流收缩断面Fr数接近于1，此时闸后淹没度较高，采用传统经验系数模型计算的流量与实测值有较大偏差。且实际工程中存在多孔水闸联合调度、底缘止水结构受损376的情况，可能对水闸过流计算精度产生影响 5。所以，有必要建立统一的过闸流态辨识方法，提出准确的不同流态之间的判别特征，建立流态辨识下的流量计算模型，并针对实际工程情况探讨其适用性。本文将基于美国垦务局工程研究中心Buyalski的经典实验室水闸G1G3实测数据，对不同流态辨识方法的辨识正确率开展研究，其次结合江西省赣抚平原灌区的三干节制闸实测数据对CAP流量公式进行率定，最终建立一种可用于灌区实际应用的统一的闸门流量率定模型。1流量模型及槽闸选取1.1流量模型常见的流量模型有传统水力学公式、无量纲公式、CAP流量公式等，其中CAP流量公式是一种简单的二次水位-流量-开度关系式，其最早由美国中亚利桑那调水工程管理局基于多年运行数据推导提出，其满足如下公式 6 7;Q=ih?+jh.+ke闸前水深/m0.182.40.245 20.378 80.460 20.53250.110 70.153 40.183 90.212 90.243 10.274 80.304 40.341 90.369 70.429 7江西水利科技式中：ij、k 为待定参数；h。=h u-h a，表示闸门上下游水头差，m。其参数可以通过全流态或区分流态进行率定，且在不同率定方法下其对于水闸流量应用的成效不同。黄一飞等 6 人通过水闸实测数据对CAP公式进行率定和精度分析，认为区分流态较全流态的率定结果反映出更高的流量精度。崔巍等 7 基于约18 0 0 0 组实测数据对国内外常用的7 种流量公式进行测试，因CAP流量公式的精度较好，误差较低，推荐优先使用。本文将在CAP流量公式的基础上开展对闸门率定的相关研究。1.2槽闸选取本文选取的槽闸是位于江西省赣抚平原灌区西总干渠的三干渠节制闸。赣抚平原灌区为江西省的大型灌区之一，位于江西省中部偏北的赣江下游东岸与抚河下游两岸的三角洲地带，设计灌溉面积约8 万hm（12 0 万亩）。其水源引自抚河，分抚河东、西两岸灌溉渠系，其中西总干渠下设6 条干渠，即一干渠、二干渠、三干渠、四干渠、五干渠、六干渠，长2 8 0.50 km，其中三干渠全长43.7 2 km，是赣抚平原灌区的骨干渠道，保障了(1)沿渠1.12 万hm（16.8 万亩）的农田灌溉。表1Buyalski实验室弧形闸门实验数据示例闸后水深/m闸门开度/m0.058 30.046 10.052.50.046 10.046 10.046 10.049 10.046 10.051 50.04610.028 40.040.068 90.040.05950.040.056 10.040.049 40.040.044 20.040.041 50.040.043 60.040.043 90.040.044 20.042023年10 月流量/(ms-l)底缘止水材料0.040 6普通硬质橡胶0.048 8普通硬质橡胶0.063 8普通硬质橡胶0.071 5普通硬质橡胶0.0777普通硬质橡胶0.024 9音符形橡胶0.030 4音符形橡胶0.034 2音符形橡胶0.037 2音符形橡胶0.0405音符形橡胶0.043 4无0.046 1无0.0489无0.0509无0.055 4无第49 卷第5期1.3实测数据本文将基于美国垦务局工程研究中心Buyalski的经典实验室水闸G1G3实测数据，对不同流态辨识方法的辨识正确率开展研究，如表1所示。其次通过江西省赣抚平原灌区的三干节制闸实测数据对CAP流量公式进行率定，观察CAP公式的拟合精度和流量预测效果,如表2 所示。表2三干渠节制闸实测数据统计序号hu/m12.9222.9233.0043.3052.7463.3573.00注：h表示闸门上游水深，m;ha表示闸门下游水深，m;e表示闸门开度，m;Q表示闸门流量，ms-;B表示闸门宽度，m。2流态辨识及流量率定2.1流态辨识闸门断面弗劳德数Fr=1是急流和缓流的临界点，序号流态辨识方法1传统流态辨识法2综合能耗系数流态辨识法3水跃发生先验的流态辨识法黄剑平等基于CAP流量公式的闸门流量率定研究可作为流态辨识的特征参数，也反映了闸门断面处是否发生水跃。针对流态辨识效果，本文基于美国垦务局工程研究中心Buyalski的经典实验室水闸G1G3实测数据，如表1所示，分别对传统流态辨识法、综合能耗系数流态辨识法以及水跃发生先验流态辨识法进行各流态下的特征参数异常辨识情况及正确率分析。分别统计异常数据数量WID（W r o n g i d e n t i f i e ddata）、相应辨识结果数据量TD（T o t a l d a t a），以无量纲指标CIR（Co r r e c t i d e n t i f i c a t i o n r a t e)来表征辨识结果的ha/me/m1.030.700.590.200.971.001.151.101.061.001.321.401.451.65表3各流态辨识方法流态辨识及异常参数特征自由孔流(el/hu0.65,hahe)淹没孔流(el/hu0.65,hah*)堰流(elhu0.65)自由孔流(elhu0.65,hahe)部分淹没孔流(e/hu0.65,hah,Er1)完全淹没孔流（e/hu1,ha 1,hahe)堰流(Fr-计算 1)377Q/ms-l)B/m8.6033.77311.00312.32310.92316.94316.273正确率，其表达式如公式（2)所示，结果如表3和表4所示。CIR=结果表明，较传统辨识法和基于综合能耗系数流态辨识法，基于水跃发生先验的流态辨识法提高了特征弗劳德数Fr。的准确性。总体上，传统流态辨识法和基于综合能耗系数流态辨识法的辨识正确率仅为54.31%；基于水跃发生先验的流态辨识法的辨识正确率为9 5.48%，较前二者提升了41.18%。2.2流量率定本研究基于江西省灌区典型槽闸-干渠节制闸的实测数据，如表2 所示。通过手动划分率定组和验证组的方式，并引入无量纲公式，观察CAP公式和无量纲公式的拟合精度和流量预测效果。首先利用传统流态辨识方法来对实际工况的流态流态WID100%TD一童一赣抚平原三异常参数特征Fr-实测1Fr-实测1 Fre-实测1Fre-实测1Fre-实测 1Fre实测 1Fre-实测1(2)378基于综合能耗系数流态辨识法基于水跃发生先验的流态辨识法江西水利科技表4不同流态辨识方法辨识结果准确性统计参数辨识方法流态总体自由孔流传统流态辨识法没孔流堰流总体自由孔流部分淹没孔流完全淹没孔流堰流总体自由孔流（有水跃）淹没孔流（有水跃）无水跃流态2023年10 月辨识结果统计参数TDWID1904870217281408842279019048702172883426957457327901904861881158340113335CIR/%54.3187.1040.20100.0054.3187.1067.750.17100.0095.4894.1593.1496.91进行辨识。其次，通过对传统水力学公式、CAP公式与无量纲公式的计算性能展开评价，从而分析流量的预测效果。这里需要提到的是，由于CAP公式和无量纲公式需要进行参数率定，所以提前区分了率定组和验证组，如表2 中1 4为率定组,5 6 为验证组。2.2.1闸门过流特性分析基于上文实测的7 组三干渠节制闸实测数据，首先计算出在各个过流工况下的相对开度e/h、闸门收缩段弗劳德数Fr、水跃闸后共轭水深h*以及相应流态，序号Q/(m3s-l)18.6023.77311.00412.32510.92616.94716.27其次得出其对应随流量Q的变化情况，如表5及图1图3所示。总体上各个样本点的分布是连续集中的，并且和流量均呈单一函数关系。从图1可知，el/hu在0.0 7 0.55区间变化，满足传统孔-堰流辨识参数el/h0.65的孔流范畴。从图2 可知，Fr在0.8 2 4.49 区间变化，其中第7组工况的Frha为6 组。综上表明：三干节制闸在本次测流工作范围内有6 组工况呈自由表5闸门过流水力参数统计e/huFr0.241.560.074.490.331.170.331.140.361.160.421.090.550.82hd1.030.590.971.151.061.321.45ha1.231.171.231.311.211.57流态自由孔流自由孔流自由孔流自由孔流自由孔流自由孔流无水跃流态第49 卷第5期0.600.500.400.300.200.100.001.505.004.003.002.001.000.001.501.801.601.401.201.000.800.600.400.200.000.00孔流，1组工况为无水跃流态。2.2.2CAP、无量纲公式参数率定用率定组分别对CAP公式与无量纲公式进行率定，结果如图4和图5所示，CAP公式在率定组下的拟合度R为0.9 6 13，无量纲公式为0.9 6 7 5，且验证组中黄剑平等基于CAP流量公式的闸门流量率定研究的三组工况也基本分布在拟合线附近，二者的拟合度均表现较优，能够基本适应三干节制闸过流计算。20.0818.016.014.012.010.08.06.06.5011.50Qm/(m3 s-l)图1el/h随Q变化6.5011.50Qm/(m3s-l)图2 Fr随Q变化O闸后共轭水深闸后水深5.0010.00Qm/(m3s-l)图3ha和h随Q变化3790率定组x验证组y=7.153 5x2-17.287x+21.642R2=0.961316.5021.5016.5021.5015.0020.004.02.00.00.001.200率定组1.000.80(a/X)0.600.400.200.00-0.20-2.002.2.3误差分析流量预测效果的指标分别为：相对误差Er、平均绝对百分比误差MAPE。Er=l=lm)100%QmMAPE=IErIn1式中：Qm为流量实测值，msl；Q。为流量计算值，ms-l;n为数组数量。基于误差分析，将传统流量计算公式、CAP公式与无量纲公式进行对比，统计流量预测误差参数，如表6所示。从表6 与图6 可看出，流量预测精度的排序为：CAP公式 传统流量公式 无量纲公式。但存在部分工1.00Ah/m图4CAP公式率定x验证组y=0.372 9x+0.087R2=0.96750.002.00ln(h/e)图5无量纲公式率定2.00O3.004.00(3)(4)380江西水利科技2023年10 月表6 各公式流量预测误差分析工况公式传统流量公式无量纲公式CAP公式80%传统流量公式60%无量纲公式40%口CAP公式20%/0%-20%-40%-60%0.00况呈现的规律与上述不同，如工况1、2、5与7。观察相对误差ER，其绝对值越小则精度越高。如工况1的流量预测精度排序为：传统流量公式 无量纲公式 CAP公式，ER分别为2.9 3%、-5.6 3%与-8.2 8%；工况7 下，各公式均出现了较大的流量误差，而工况7 反映的流态为无水跃流态，因此，各公式有其适用的水力条件范围，但考虑到调控便利性，实际应用中应选择总体上表现较优的过闸流量公式。3结论及展望3.1结论本文基于美国垦务局工程研究中心Buyalski的经典实验室水闸G1G3实测数据及江西省灌区典型槽闸的实测资料，探讨了不同流态的辨识方法正确率，最终提出了区分流态的CAP流量模型。结果认为：（1）某水闸历史实测资料较为齐全、覆盖流态较为全面时，应当选择“基于水跃发生先验的流态辨识法”+MAPE122.93-29.26-5.63-1.96-8.28-0.27口口0.100.20图6 各公式误差分析312.9618.394.69口0.300.40e/hu47.6510.602.64“CAP流量公式”作为流量率定算法，其能够提高流量预测精度，较传统方法“传统流态辨识法”+“传统流量公式”提高了0.0 33的拟合优度；(2）当无法提供较为齐全的水闸历史实测资料时，为尽可能提高闸门量水的精度，应选用CAP流量公式作为流量率定算法，以平均相对误差绝对值MAPE作为评价指标，其较传统流量公式提高了16.7 8%。3.2展望由于在实际工程场景下，多孔水闸进行渠系调度时，存在非对称运行等复杂工况，如何界定非对称变量是值得商的问题，未来可针对此问题，对该模型适用0.500.60516.43-8.704.97性进行探讨。另外CAP流量公式的数学形式固定，未考虑各流态下流量系数的相关变量，未来可针对其数学形式进一步优化。参考文献：1 侯冬梅，王才欢，刘毅.调水工程输水渠道堰闸流量计算方法探讨 J.长江科学院院报，2 0 13,30(0 8)：7 9-8 3.2袁新明,洪家宝.平底板水闸闸孔淹没出流的判别和流量计算.扬州大学学报（自然科学版），19 9 8,0 1(0 3)：6 7-6 9.3 邱静,张辉,黄本胜，等.闸孔出流过流量计算公式的研究与应用 C.第十三届全国水动力学研讨会，19 9 9.4黄国兵，聂艳华，段文刚.南水北调中线工程主要水力学问题研究 .长江科学院院报，2 0 14,31（10)：34-42.5 BIJANKHAN M,KOUCHAKZADEH S.The hydraulics of parallelsluice gates under low flow delivery conditionJ,Flow Measurementand Instrumentation,2015,41:140-148.6管光华，黄一飞，熊骥，等.平板闸门自由-淹没孔流统一流量率定模型 J.农业工程学报，2 0 2 0,36（2 2)：19 7-2 0 4.7崔巍，吴鑫陈文学,等.大型渠道弧形闸门过流公式测试比较 J.灌溉排水学报，2 0 2 2，41(0 1)：141-146.编辑：张绍付65.46-26.184.947-38.37-42.3568.2816.1516.2613.44第49 卷第5期黄剑平等基于CAP流量公式的闸门流量率定研究381Flow rate calibration model for flat gate based on CAP flow formulaHUANG Jianping,SHEN Wen,JIN Weirong(Jiangxi Provincial Ganfu Plain Hydraulic Engineering Administration,Nanchang Jiangxi,330096,China)Abstract:The most widely used way for water measurement in irrigation areas is to use hydraulic structures,whoseflow is mainly measured by sluice combined with gate opening.However,the accuracy of water measurement is limitedat present,because the calculation formula of flow rate under different flow regimes varies greatly,and the actual valueand theoretical value are different in the field application.Based on the analysis of the characteristics of different flowpatterns and the variation rules of flow,combined with the measured data of Ganfu plain irrigation area of Jiangxiprovince,the flow rate calibration model for flat gate based on CAP flow formula is proposed,and applied practically inirrigation areas.The results show that:(1)when the historical measured data of sluice is relatively complete and the flowpattern is relatively comprehensive,the“flow pattern identification method based on the prior of hydraulic jumpoccurrence”and the“CAP flow formula should be selected as the flow rate calibration algorithm,which improves thegoodness of fit by 0.033 compared with the traditional method(“traditional flow pattern identification method and“traditional flow formula);(2)when the historical measured data of sluice cannot be provided completely,in order toimprove the accuracy of water measurement as much as possible,the CAP flow formula should be used as the flow ratecalibration algorithm,and the average absolute relative error MAPE is used as the evaluation index,which is 16.78%higher than the traditional flow formula.Key words:Sluice gate;Models;Flow measurement;Flow pattern identification翻译：黄剑平江西省水利厅举办2 0 2 3年网络安全宣传周专题讲座9月13日下午，江西省水利厅三楼会议室内座无虚席、气氛热烈，国内知名网络安全专家吴永越先生应邀为我厅干部职工带来了一场题为“网络安全、数据安全一一国家安全的基石”的主题讲座。吴永越用翔实的数据、生动的案例，从个人、企业、社会、国家和世界角度分析了当前网络安全、数据安全面临的新威胁和新挑战，重点讲解了数据安全的定义、落地实践以及未来趋势，详实阐述了网络安全、数据安全的国家意义以及应该如何提高安全保护意识和能力。此次讲座内容丰富，形式灵活，充分调动了水利干部职工的积极性，普及了网络安全和数据安全知识，提高了安全防范意识，进一步提升了水利网络安全保障水平，助力水利高质量发展。（h t t p:/s l t.j i a n g x i.g o v.c n/a r t/2 0 2 3/9/15/a r t _2 7 16 5_459 8 159.h t ml 江西省防汛信息中心盛亚雄）