高 哲

（西安市引湑濟(jì)黑調(diào)水工程管理中心，陜西 西安 710077）

1 引湑濟(jì)黑調(diào)水工程簡(jiǎn)介

西安市引湑濟(jì)黑工程是西安市行政區(qū)內(nèi)跨流域調(diào)水工程，作為西安市主要水源之一，列入2005 年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的《西安市2004 年～2020 年城市總體規(guī)劃》中。取水口位于周至縣厚畛子湑水河上游吊溝，出水口位于周至縣厚畛子鄉(xiāng)黑河上游矛坪溝，主體工程包括引水樞紐、輸水隧洞和出口電站，其中輸水隧洞長(zhǎng)6245 m，輸水能力10 m3/s，自流供水。滿足湑水河取水?dāng)嗝孀钚∠滦沽髁?.25 m3/s。

引湑濟(jì)黑工程取水水源為湑水河，取水地點(diǎn)為引水地點(diǎn)位于周至縣境內(nèi)湑水河支流吊溝口下游200 m 處。

為了保證正常引水，防止突發(fā)事件，進(jìn)水閘啟閉機(jī)采用螺桿式手電兩用啟閉機(jī)。為了保證閘前正常進(jìn)水，防止閘前引水道泥沙淤積，設(shè)計(jì)在進(jìn)水閘旁鄰河側(cè)布置沖沙閘，及時(shí)清除閘前淤沙。

2 生態(tài)基流的保障措施及現(xiàn)狀問(wèn)題

2.1 現(xiàn)狀生態(tài)基流的保障措施

引湑濟(jì)黑調(diào)水工程的取水點(diǎn)，位于為秦嶺南麓的的湑水河上，建有引水樞紐，采用低壩引水，湑水河生態(tài)基流取水?dāng)嗝嬖O(shè)計(jì)最小下泄流量為0.25 m3/s?，F(xiàn)狀生態(tài)基流保障措施主要采用控制沖沙閘前水頭與沖沙閘開(kāi)啟度之間相互關(guān)系來(lái)滿足進(jìn)水閘取水和生態(tài)基流的最小生態(tài)流量。當(dāng)下泄0.25 m3/s 時(shí)的沖沙閘前水頭與閘門開(kāi)啟度相互關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 沖沙閘前水頭與閘門開(kāi)啟度相互關(guān)系

沖沙閘上游側(cè)布置有浮子水位計(jì)，用于監(jiān)測(cè)閘前水頭，以便提供閘前水頭數(shù)據(jù)供分析，進(jìn)而確定閘門開(kāi)啟的高度，以便確?；镜纳鷳B(tài)基流；引水閘下游側(cè)10 m 位置引水隧洞內(nèi)安裝有明渠流量計(jì)，串口采用RS485。

2.2 生態(tài)基流保障措施的現(xiàn)狀問(wèn)題

1）枯水期問(wèn)題

枯水期河道來(lái)水量變化不大，引水口位置的溢流壩基本沒(méi)有生態(tài)基流的溢流，生態(tài)基流的保障措施只能采用人工按鈕電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，啟閉設(shè)置沖沙閘開(kāi)度，從沖沙閘閘口處下泄。但是，沖沙閘閘前水頭小，為確保下泄流量為0.25 m3/s 生態(tài)基流，沖沙閘開(kāi)度約在2 cm 左右。啟閉開(kāi)度較小，容易被河道中樹枝樹葉塞縫堵水，開(kāi)啟后無(wú)法保證下泄生態(tài)基流，若啟閉開(kāi)度稍微過(guò)大，容易將原本少量的河水全部下泄于原河道，又不能滿足日計(jì)劃調(diào)水量的工作要求。

2）豐水期問(wèn)題

豐水期河道水量的頻繁變化，特別在汛期中，有時(shí)河道水量比較大，生態(tài)基流直接從溢流壩溢流下泄。雖能滿足下游生態(tài)基流，但是，人工調(diào)節(jié)引水流量相應(yīng)頻繁，人為按鈕繼電器控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，拖動(dòng)啟閉閘門，工作簡(jiǎn)單重復(fù)量大，人力運(yùn)行成本較高。

3 解決生態(tài)基流現(xiàn)狀問(wèn)題的自控化控制研究論證

3.1 解決生態(tài)基流現(xiàn)狀問(wèn)題的自動(dòng)控制思路

針對(duì)引湑濟(jì)黑調(diào)水工程引水口的實(shí)際工況條件，結(jié)合當(dāng)前電氣工程及其自動(dòng)化控制技術(shù)的成熟發(fā)展，考慮采用引水閘啟閉電機(jī)的自動(dòng)化控制技術(shù)，對(duì)引水閘進(jìn)行常態(tài)化自動(dòng)控制，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)河水過(guò)溢流壩下泄生態(tài)基流（至少0.25 m3/s）的工作要求，同時(shí)，避免因啟閉沖沙閘下泄生態(tài)基流而引發(fā)的沖沙閘閘門堵塞、下泄生態(tài)流過(guò)大、人工頻繁操作等問(wèn)題。

3.2 生態(tài)基流自動(dòng)控制原理分析

引湑濟(jì)黑調(diào)水工程引水口位置見(jiàn)圖1。引水閘與沖沙閘、溢流壩，方向垂直，且引水隧洞、溢流壩面均為無(wú)壓流水。引水隧洞長(zhǎng)6252 m，坡度1.26‰，引水隧洞水流斷面為2.9 m 寬的矩形，可簡(jiǎn)化為明渠流水。隧洞設(shè)計(jì)引水量不應(yīng)超過(guò)10 m3/s；溢流壩址寬度28 m，按照20 年一遇洪水設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)，按照50 年一遇洪水進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。其中，引水閘尺寸3.5 m×2 m，沖沙閘尺寸4.0 m×3.5 m。

圖1 引湑濟(jì)黑調(diào)水工程引水口工況示意圖

根據(jù)《西安市引湑濟(jì)黑工程水資源論證報(bào)告書》中引水指標(biāo)要求，按照引水隧洞的最小斷面過(guò)流能力，設(shè)計(jì)確定隧洞引水能力為10 m3/s，引水原則為：以引洪水為主，應(yīng)切割一定下泄流量作為下游生態(tài)用水，即當(dāng)設(shè)計(jì)取水?dāng)嗝鎭?lái)水流量Q0小于0.25 m3/s 時(shí)不引水；當(dāng)來(lái)水流量Q0大于0.25 m3/s 且小于10.25 m3/s 時(shí)，引水流量等于來(lái)水流量Q0減去0.25 m3/s；當(dāng)來(lái)水流量Q0大于10.25 m3/s 時(shí)，引水流量為10 m3/s。

對(duì)于工程引水口，某時(shí)刻河道來(lái)水流量Q0=引水流量Q+生態(tài)流量 q。其中 Q=BHV；q=bhv。Q 為引水隧洞的調(diào)水量；B 為矩形寬度，2.9 m；H 為水深；V 為流速，q 為溢流壩面的過(guò)壩量；b 為矩形寬度，28 m；h 為水深；v 為流速。

對(duì)于明渠標(biāo)準(zhǔn)斷面，水流水深H 與流速V 之間成相應(yīng)關(guān)系，可以實(shí)踐測(cè)出水位流量曲線圖?？梢圆捎昧魉賰x、水位計(jì)直接將流量Q 測(cè)出，顯示出流量數(shù)據(jù)。

在沖沙閘常態(tài)化的閉合下，某時(shí)刻河道來(lái)水流量瞬時(shí)不變，只需要自動(dòng)啟閉引水閘，來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)引水流量和過(guò)壩生態(tài)流量，使其滿足引水原則。目前引水隧洞、溢流壩位置安裝有流量計(jì)儀表，分別可顯示出引水流量Q 和生態(tài)流量q 的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

根據(jù)自動(dòng)化技術(shù)知識(shí)，采用PID 調(diào)節(jié)器啟閉控制閘門，構(gòu)建引水閘門啟閉的自動(dòng)控制原理圖，屬于單回路負(fù)反饋控制，見(jiàn)圖2。

圖2 自動(dòng)啟閉引水閘保證生態(tài)基流的控制原理圖

其中，采用PLC 可編程邏輯控制器，對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判別。由PID 調(diào)節(jié)器對(duì)引水閘啟閉機(jī)自動(dòng)化控制，電機(jī)正傳、反轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)啟閉閘門（設(shè)定電機(jī)正轉(zhuǎn)為開(kāi)啟引水閘門、電機(jī)反轉(zhuǎn)為關(guān)閉引水閘門），實(shí)現(xiàn)引水流量Q 和過(guò)壩生態(tài)水流q 數(shù)據(jù)滿足引水原則。同時(shí)，設(shè)定好引水閘門的上、下限位安全行程，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守功能。

根據(jù)引水原則，采用PLC 可編程邏輯控制器，對(duì)流量數(shù)據(jù)邏輯判別：當(dāng)來(lái)水流量Q0＜0.25 m3/s 時(shí)，閘門引水流量Q=0；當(dāng)來(lái)水流量Q0＞10.25 m3/s 時(shí)，閘門引水流量Q=10 m3/s；當(dāng)來(lái)水流量 0.25 m3/s＜Q0＜10.25 m3/s 時(shí)，過(guò)壩生態(tài)流量 q=0.25 m3/s，閘門引水流量Q=Q0-0.25。

其過(guò)程表現(xiàn)為典型非線性系統(tǒng)環(huán)節(jié)，數(shù)學(xué)描述見(jiàn)圖3。

圖3 引水流量調(diào)控的非線性數(shù)學(xué)描述

3.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)采用總線分布式控制模式，實(shí)現(xiàn)單孔閘門的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、工作計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、集線器，通過(guò)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各計(jì)算機(jī)之間的通訊?？刂茖佑梢慌_(tái)PLC 可編程序控制器來(lái)完成，它負(fù)責(zé)引水流量、過(guò)壩生態(tài)流量數(shù)據(jù)的邏輯判別，輸出控制信號(hào)，指令引水閘電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，進(jìn)而直接控制引水流量，間接實(shí)現(xiàn)過(guò)壩生態(tài)流量的工作要求?，F(xiàn)場(chǎng)層保留原設(shè)備的手動(dòng)操作啟閉機(jī)功能，做好安全應(yīng)急，同時(shí)增設(shè)遠(yuǎn)程接口控制電氣回路，繼電器、流量計(jì)、閘門限位開(kāi)關(guān)等，接受PLC 可編程序控制器的動(dòng)作。

直接采用流量計(jì)數(shù)據(jù)反饋于PLC 邏輯控制器中，進(jìn)行引水閘電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制，避免閘門前后水頭數(shù)據(jù)的重復(fù)計(jì)算。特別重要的是，河道水流量是一個(gè)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化量，同樣的閘門開(kāi)度，因閘門前后水頭不同，水流壓力差不同，引水流量就不同。在PLC 可編程邏輯控制器上嵌入PID 調(diào)節(jié)器，使引水閘門電機(jī)正反轉(zhuǎn)更加穩(wěn)定運(yùn)行，增強(qiáng)抗干擾能力，消減控制誤差。

3.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成

采用組態(tài)軟件，在工作計(jì)算機(jī)上進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)。可直接與PLC 生產(chǎn)廠家定制，符合流量反饋控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的邏輯模塊，做好數(shù)據(jù)串口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。對(duì)PLC 邏輯控制器中嵌入PID控制的方式，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)控制。對(duì)工作計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)顯示，采用C 語(yǔ)言編輯數(shù)據(jù)采集管理程序，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。

根據(jù)工作要求，可自行匯編控制軟件。在豐水期，為避免汛期水量較大，引水隧洞內(nèi)水流流量數(shù)據(jù)波動(dòng)的影響，可以按照1 h 采集1 次流量數(shù)據(jù)，并反饋控制閘門啟閉1 min 的周期設(shè)計(jì)，保證從長(zhǎng)期來(lái)看閘門是在動(dòng)態(tài)調(diào)控著，從短期來(lái)看是周期1 h 的調(diào)控，減少電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)、閘門啟閉磨損損耗，提高使用壽命。在枯水期，來(lái)水量相對(duì)穩(wěn)定，可實(shí)時(shí)負(fù)反饋調(diào)控啟閉閘門。

4 對(duì)現(xiàn)狀生態(tài)基流的保障措施建議

在實(shí)際安裝控制器中，結(jié)合引水閘門、啟閉電機(jī)的功率，選擇傳感器要注意精度誤差，滿足工作需要。

在引水閘啟閉機(jī)上必須安裝有限位行程開(kāi)關(guān)，避免因繼電器、或PLC 模塊出現(xiàn)問(wèn)題，產(chǎn)生失控，造成閘門啟閉設(shè)備損毀，出現(xiàn)安全事故。

對(duì)引水閘門、啟閉電動(dòng)機(jī)、過(guò)壩流量計(jì)、引水隧洞流量計(jì)、繼電器等，要做好維修保養(yǎng)，避免各設(shè)備作業(yè)出現(xiàn)故障。

5 結(jié)論

1）西安市引湑濟(jì)黑調(diào)水工程引水口，設(shè)計(jì)下泄生態(tài)基流為0.25 m3/s?，F(xiàn)場(chǎng)工況具備條件，對(duì)引水閘啟閉進(jìn)行自控化控制，能同時(shí)保障河道生態(tài)水流與引水水流的工作要求，即可實(shí)現(xiàn)一閘雙控水流的目標(biāo)。

2）自動(dòng)化控制主要采用PLC 可編程邏輯控制器進(jìn)行，通過(guò)引水流量與來(lái)水流量的邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)單回路負(fù)反饋控制，輸出信號(hào)直接控制引水閘電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)閘門開(kāi)度進(jìn)而調(diào)控引水流量與過(guò)壩生態(tài)流量。

3）安裝傳感器、流量計(jì)、PLC 邏輯控制器等硬件設(shè)備時(shí)注意參數(shù)選擇合理，軟件可自行匯編或購(gòu)置成型軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。在豐水期，為避免汛期水量較大，引水隧洞內(nèi)水流流量數(shù)據(jù)波動(dòng)的影響，可以按照1 h 采集1 次流量數(shù)據(jù)，并反饋控制閘門啟閉1 min 的周期采樣控制設(shè)計(jì)，減少電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)、閘門啟閉磨損損耗，提高使用壽命。

4）西安市引湑濟(jì)黑調(diào)水工程是眾多中小型調(diào)水工程的一個(gè)典型代表，在類似調(diào)水工程的工況條件下，可采用相關(guān)自動(dòng)控制技術(shù)，在滿足日常調(diào)水工作同時(shí)，保障引水口生態(tài)基流的生態(tài)環(huán)保要求。