劉 洪 馬曉輝

(1.丹陽市水利局，江蘇 丹陽 212300；2.丹陽市九曲河樞紐管理處，江蘇 丹陽 212300)

九曲河位于長江下游鎮(zhèn)江段。九曲河節(jié)制閘是九曲河入江的控制口門，具有引潮、排澇功能。閘外側為長江，受海洋潮汐影響，其潮汐規(guī)律呈現(xiàn)“兩高兩低、一強一弱”的日周期變化特性[1]，內河側水位相對固定，開閘情況下水位亦隨閘門啟閉呈周期性變化。該閘在工程運用上可分為兩類，一類是在閘內外有一定水位差的情況下開啟閘門，過閘流量隨著內外水位差變小而逐漸變??；另一類是在閘內外無水位差或水位差很小的情況下開閘，隨著漲潮，過閘流量由小變大，再隨著落潮，流量又變小。

本文以水文統(tǒng)計為基礎，重點研究對過閘流量進行控制的理論及方法，以使過閘的流量不超過設計標準或滿足調度的要求，達到保證工程運行安全的目的。

1 建立過閘流量控制模型

按《水工建筑物與堰槽測流規(guī)范》(SL 537—2011)對九曲河節(jié)制閘投入運行后的最初三年中首次啟門時過閘水流的流態(tài)情況進行了統(tǒng)計[2]，統(tǒng)計結果見表1。

根據表1中的統(tǒng)計結果，運用水位差關系法，以閘門流量與開度的水力學關系為基礎建立如下的過閘流量控制水力學模型[3-5]。

1.1 始流模型

該模型與實際運行時的淹沒式閘孔出流相對應，定義為開閘前內外側有水位差，開閘后水位差開始變小、短時間內流量由大逐漸變小。

淹沒式閘孔出流的水力學公式[5-6]為：

(1)

式中：μ1為淹沒孔流量系數；n、b、e、ΔZ、g分別為孔數、單孔凈寬、閘門開度、上下游水位差和重力加速度。

對于平底平板門閘，本文采用經驗系數法計算流量系數:

0.76(e/H)e0.038

(2)

式中：H為上游水位[7-8]。

由此，編制始流流量查算表，并繪制“流量-開度-水位差”三者的關系曲線(見圖1)。

上述曲線由不同的上下游水位及不同的開度繪制而成，并可以將多個流量疊加在一張圖中。實際運用時，可根據不同流量下的開度-水位差關系，通過查表來確定對應流量的開度。

1.2 平潮引排水模型(以引水為例)

該模型與實際運行時的淹沒式堰流相對應，定義為開閘前內外無水位差或水位差很小，開閘后內外水位同步上升或下降、短時間內流量由小變大。

《水工建筑物與堰槽測流規(guī)范》規(guī)定的感潮堰流最大流量公式為

Qmax=CKhbαΔZβ

(3)

式中:CK、α、β均為經驗參數，需由實測資料分析確定；h為開閘前開水位；b為單孔凈寬；ΔZ為有效水位差。

九曲河水文站近幾年來對上述公式中的經驗參數進行了率定[9]，引潮時過閘的最大流量為

(4)

式中：ΔZL為一潮引水的閘內高潮與低潮的差；ZLmax為一潮引水的閘內的最高水位。

由此，編制平潮引水流量查算表，并繪制“流量-開度-水位差”三者的關系曲線(見圖2)。

圖2 平潮時流量-開度-水位差曲線

先按開閘前內河水位及前一潮的最高潮位估算本次引水的閘內潮位差，閘內最高水位和潮位差的交點位于要求流量曲線的下方時，最大引水流量才不超過要求的流量；換言之，調整閘門開度，控制閘內的最高水位，即可達到控制流量的要求。

1.3 模型的轉換

上述這兩種過閘流量控制的水力學模型在實際運用中有可能發(fā)生轉換，特別是在長時間引排水時，并且這種轉換是動態(tài)雙向的。

2 自動化控制的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)需求分析

按圖1和圖2及相應的流量查算表，即可對過閘流量進行控制。但由于其潮汐規(guī)律呈現(xiàn)“兩高兩低，一強一弱”的日周期變化特性，經常會出現(xiàn)有一個潮次是在深夜才符合引排水條件的情況，這就加大了值班人員的勞動強度；并且，因為潮水的漲落是動態(tài)的，這也要求必須動態(tài)地調整閘門的開度才能達到控制過閘流量的目的[10-12]。

2.2 系統(tǒng)軟硬件組成

在硬件上，設置內外水位儀、閘門開度儀、行程開關(測水流方向)等幾類現(xiàn)場信號(數據)采集裝置，這些數據由可編程邏輯控制器PLC進行預處理后，再送到上位機進行自動化控制[13]，硬件拓撲結構見圖3。本系統(tǒng)控制軟件，采用組態(tài)軟件(INTOUCH)+數據庫(SQL SERVER)的形式，實現(xiàn)對數據的采集、分析及對設備的控制、調整和實現(xiàn)交互性較強的人機界面[14]。

圖3 硬件拓撲結構

2.3 控制流程圖

結合系統(tǒng)需求及軟硬件功能設計，自動化控制[15-16]的流程見圖4。

圖4 閘門控制流程

2.4 系統(tǒng)設置及說明

a.水位數據庫是本系統(tǒng)的核心之一，控制流程中有很多判斷都用到內或外側的水位，以實際運行時經驗，一般以2min左右記錄一次內外水位為宜，時間間隔如短，則數據量太多，間隔長了則不夠精確。同時，數據庫中的水位數據保留最近一個月即可。

b.始流狀態(tài)判斷，以開閘前10min內內外水位差不超過10cm來確定，這是為了消除波浪的影響；控制流程中比較水位的時間、調整閘門開度的水位差等，在系統(tǒng)中都是可以設定的，可在調試過程中擇優(yōu)確定。

c.上面是按設計流量進行控制的過程，同理，還可以用調度流量值輸入 “流量設定值” 對話框，以實現(xiàn)控制其他不同的流量過閘。

3 系統(tǒng)使用情況及改進措施

本系統(tǒng)自2013年完成開發(fā)投入使用以來，每年由自動化系統(tǒng)控制過閘流量的次數達260余次，系統(tǒng)運行可靠，操作方便，各類報表齊全，控制流量達到了預期的目的，減輕了值班人員的勞動強度，保證了工程的運行安全。但同時也存在一些問題，如：平潮引排水模型中，對過閘流量的控制僅指不超過某一個流量值，并不能測出實時的流量是多少，這主要是因為模型采用的是最大流量公式，而相關的規(guī)范并沒有推薦瞬時流量公式，分析其原因主要還是與感潮河段水文變化的復雜性有關。

為了解決上述存在的問題，實現(xiàn)流量的實時監(jiān)測與控制，統(tǒng)一兩個模型，簡化程序控制步驟，可以在河道岸邊安裝聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)[17]，流速傳感器安裝采用側視水平方式(即H-ADCP)[18]，根據測得的一個水層的流速分布數據，采用“回歸法”實時測量并計算、記錄河流的斷面流量，再采用通信手段，將測得的流量數據發(fā)至上位機，系統(tǒng)由此控制閘門升降，以達到實時流量監(jiān)控的目的。

4 結 論

我國眾多的沿海、沿江感潮河道上的水閘，對其過閘流量進行控制的常規(guī)方法是查始流曲線(表)或一潮引排水曲線(表)來確定閘門的開度，用人工方式來不斷調整閘門開度。本文所述的方法是在對流態(tài)進行分析的基礎上，確定適用的水力學控制模型，繪制“流量-開度-水位差”三者關系曲線、制定“流量查算表”，形成相應的數據庫，通過一定的硬件和軟件予以支持，自動對過閘流量進行控制，這種方法簡便可靠，安全性高，投資較省，具有一定的實用價值。