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(zhǎng)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(cè)為長(zhǎng)江，受海洋潮汐影響，其潮汐規(guī)律呈現(xiàn)“兩高兩低、一強(qiáng)一弱”的日周期變化特性[1]，內(nèi)河側(cè)水位相對(duì)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(yùn)用上可分為兩類，一類是在閘內(nèi)外有一定水位差的情況下開啟閘門，過閘流量隨著內(nèi)外水位差變小而逐漸變??；另一類是在閘內(nèi)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(jì)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究對(duì)過閘流量進(jìn)行控制的理論及方法，以使過閘的流量不超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或滿足調(diào)度的要求，達(dá)到保證工程運(yùn)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(cè)流規(guī)范》(SL 537—2011)對(duì)九曲河節(jié)制閘投入運(yùn)行后的最初三年中首次啟門時(shí)過閘水流的流態(tài)情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)[2]，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

根據(jù)表1中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，運(yùn)用水位差關(guān)系法，以閘門流量與開度的水力學(xué)關(guān)系為基礎(chǔ)建立如下的過閘流量控制水力學(xué)模型[3-5]。

1.1 始流模型

該模型與實(shí)際運(yùn)行時(shí)的淹沒式閘孔出流相對(duì)應(yīng)，定義為開閘前內(nèi)外側(cè)有水位差，開閘后水位差開始變小、短時(shí)間內(nèi)流量由大逐漸變小。

淹沒式閘孔出流的水力學(xué)公式[5-6]為：

(1)

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

對(duì)于平底平板門閘，本文采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法計(jì)算流量系數(shù):

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(guān)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(gè)流量疊加在一張圖中。實(shí)際運(yùn)用時(shí)，可根據(jù)不同流量下的開度-水位差關(guān)系，通過查表來確定對(duì)應(yīng)流量的開度。

1.2 平潮引排水模型(以引水為例)

該模型與實(shí)際運(yùn)行時(shí)的淹沒式堰流相對(duì)應(yīng)，定義為開閘前內(nèi)外無水位差或水位差很小，開閘后內(nèi)外水位同步上升或下降、短時(shí)間內(nèi)流量由小變大。

《水工建筑物與堰槽測(cè)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(jīng)驗(yàn)參數(shù)，需由實(shí)測(cè)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(duì)上述公式中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了率定[9]，引潮時(shí)過閘的最大流量為

(4)

式中：ΔZL為一潮引水的閘內(nèi)高潮與低潮的差；ZLmax為一潮引水的閘內(nèi)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(guān)系曲線(見圖2)。

圖2 平潮時(shí)流量-開度-水位差曲線

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

1.3 模型的轉(zhuǎn)換

上述這兩種過閘流量控制的水力學(xué)模型在實(shí)際運(yùn)用中有可能發(fā)生轉(zhuǎn)換，特別是在長(zhǎng)時(shí)間引排水時(shí)，并且這種轉(zhuǎn)換是動(dòng)態(tài)雙向的。

2 自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)需求分析

按圖1和圖2及相應(yīng)的流量查算表，即可對(duì)過閘流量進(jìn)行控制。但由于其潮汐規(guī)律呈現(xiàn)“兩高兩低，一強(qiáng)一弱”的日周期變化特性，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)有一個(gè)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(dòng)強(qiáng)度；并且，因?yàn)槌彼臐q落是動(dòng)態(tài)的，這也要求必須動(dòng)態(tài)地調(diào)整閘門的開度才能達(dá)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(shè)置內(nèi)外水位儀、閘門開度儀、行程開關(guān)(測(cè)水流方向)等幾類現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)(數(shù)據(jù))采集裝置，這些數(shù)據(jù)由可編程邏輯控制器PLC進(jìn)行預(yù)處理后，再送到上位機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化控制[13]，硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖3。本系統(tǒng)控制軟件，采用組態(tài)軟件(INTOUCH)+數(shù)據(jù)庫(SQL SERVER)的形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、分析及對(duì)設(shè)備的控制、調(diào)整和實(shí)現(xiàn)交互性較強(qiáng)的人機(jī)界面[14]。

圖3 硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 控制流程圖

結(jié)合系統(tǒng)需求及軟硬件功能設(shè)計(jì)，自動(dòng)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(shè)置及說明

a.水位數(shù)據(jù)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(nèi)或外側(cè)的水位，以實(shí)際運(yùn)行時(shí)經(jīng)驗(yàn)，一般以2min左右記錄一次內(nèi)外水位為宜，時(shí)間間隔如短，則數(shù)據(jù)量太多，間隔長(zhǎng)了則不夠精確。同時(shí)，數(shù)據(jù)庫中的水位數(shù)據(jù)保留最近一個(gè)月即可。

b.始流狀態(tài)判斷，以開閘前10min內(nèi)內(nèi)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(shí)間、調(diào)整閘門開度的水位差等，在系統(tǒng)中都是可以設(shè)定的，可在調(diào)試過程中擇優(yōu)確定。

c.上面是按設(shè)計(jì)流量進(jìn)行控制的過程，同理，還可以用調(diào)度流量值輸入 “流量設(shè)定值” 對(duì)話框，以實(shí)現(xiàn)控制其他不同的流量過閘。

3 系統(tǒng)使用情況及改進(jìn)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(dòng)化系統(tǒng)控制過閘流量的次數(shù)達(dá)260余次，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，操作方便，各類報(bào)表齊全，控制流量達(dá)到了預(yù)期的目的，減輕了值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了工程的運(yùn)行安全。但同時(shí)也存在一些問題，如：平潮引排水模型中，對(duì)過閘流量的控制僅指不超過某一個(gè)流量值，并不能測(cè)出實(shí)時(shí)的流量是多少，這主要是因?yàn)槟Ｐ筒捎玫氖亲畲罅髁抗?，而相關(guān)的規(guī)范并沒有推薦瞬時(shí)流量公式，分析其原因主要還是與感潮河段水文變化的復(fù)雜性有關(guān)。

為了解決上述存在的問題，實(shí)現(xiàn)流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，統(tǒng)一兩個(gè)模型，簡(jiǎn)化程序控制步驟，可以在河道岸邊安裝聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)[17]，流速傳感器安裝采用側(cè)視水平方式(即H-ADCP)[18]，根據(jù)測(cè)得的一個(gè)水層的流速分布數(shù)據(jù)，采用“回歸法”實(shí)時(shí)測(cè)量并計(jì)算、記錄河流的斷面流量，再采用通信手段，將測(cè)得的流量數(shù)據(jù)發(fā)至上位機(jī)，系統(tǒng)由此控制閘門升降，以達(dá)到實(shí)時(shí)流量監(jiān)控的目的。

4 結(jié) 論

我國(guó)眾多的沿海、沿江感潮河道上的水閘，對(duì)其過閘流量進(jìn)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(diào)整閘門開度。本文所述的方法是在對(duì)流態(tài)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定適用的水力學(xué)控制模型，繪制“流量-開度-水位差”三者關(guān)系曲線、制定“流量查算表”，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，通過一定的硬件和軟件予以支持，自動(dòng)對(duì)過閘流量進(jìn)行控制，這種方法簡(jiǎn)便可靠，安全性高，投資較省，具有一定的實(shí)用價(jià)值。