基于CAP流量公式的闸门流量率定研究.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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(
5、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
6、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
7、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
8、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 k
9、m,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
10、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
11、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
12、,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
13、(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
14、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
15、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
16、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
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