定流量调度时三河闸开高确定方法研究

张友明，霍中元，王莉莉，马维达

(江苏省洪泽湖水利工程管理处， 江苏 淮安 223100)

目前，三河闸是按上游水位查H上-e-Q(闸上水位-闸门开高-流量，下同)曲线确定闸门开高的。然后，通过测流对开高进行调整。这种控制方式存在如下问题：H上-e-Q流量曲线主要考虑淹没孔流工况，不能代表其他工况；上游水位预降值只是人工经验估计值。这些问题影响三河闸流量控制的精度。

王洪祥[1]、楚恩国[2]、霍中元[3]、赵德友[4]等对三河闸流量测验方法、流量曲线率定等问题进行过研究，未涉及开高确定方法。

本文结合三河闸60多年的控制运用经验，通过绘制三河闸流量差-预降上游水位变幅值曲线和三河闸(中渡)流量-水位关系曲线，提出了定流量调度时闸门开高的计算方法，并用2016的年测流数据进行了精度复核。

1 工程概况

三河闸位于江苏省淮安市境内、洪泽湖东南角，是淮河入江水道的控制口门，为流域性骨干防洪工程之一。该闸于1952年10月开工，1953年7月建成，共63孔，单孔净宽10 m，闸室总宽697.75 m，原设计流量8 000 m3/s。1968年实施提高防洪标准加固工程后，三河闸的设计流量增加到12 000 m3/s。三河闸工程建成以来，运行频繁，年均泄洪近2×1010m3，发挥了巨大的防洪、排涝、蓄水等综合效益[5-9]。三河闸设置上游水位站(距离闸身228 m，上游左岸)和下游水位站(距离闸身1 200 m，淮河入江水道中渡站，下游左岸)。洪泽湖水系见图1，三河闸工程设计水位组合见表1。(水位数据均为废黄河高程，下同)

图1 洪泽湖水系图

三河闸在洪泽湖蒋坝水位14.5 m以下时，由江苏省防汛防旱主管部门统一调度。根据淮河上中游水雨情和未来天气趋势，确定三河闸泄流流量。根据主管部门要求[10]和三河闸工程技术管理细则，当流量小于800 m3/s时，应在0.5 h内完成闸门首次开高调节；大于800 m3/s时，应在2 h内完成闸门首次开高调节；300 m3/s流量以下允许误差±15%，300 m3/s以上允许误差±5%。当闸门首次开高调整完成但流量未达到精度要求时，需根据实测流量进行开高修正。

2 流量曲线率定

2.1 曲线率定成果

三河闸现在使用的H上-e-Q关系曲线仅依据闸上游水位和闸门开高确定过闸流量，没有考虑下游水位，适用范围有限。此外，1996年至2016年间，淮河入江水道经历过整治，行洪能力有所提高，1997年绘制的流量曲线存在较大误差。

为适应精准调度的要求，依据2004年—2016年流量实测资料，对流量曲线进行率定。采用规范[11]的出流公式为：

淹没堰流：Q=CcBh下αΔZβ

(1)

淹没孔流：Q=McBeαΔZβ

(2)

式中：Q为流量，m3/s；B为净宽,m；h下为下游水深，m；Cc、Mc为流量系数；e为闸门开高，m；ΔZ为上下游水位差,m。

利用2004年—2016年的三河闸实测资料拟合各系数，得：

淹没堰流：Q=2.22Bh下1.265ΔZ0.37

(3)

淹没孔流：Q=3.70Be1.10ΔZ0.50

(4)

式(3)对应的淹没堰流(ΔZ-h下-Q)曲线如图2，式(4)对应的淹没孔流(ΔZ-e-Q)曲线见图3。

图2三河闸淹没堰流(ΔZ-h下-Q)关系曲线

需要说明的是：淮河洪水经洪泽湖调蓄进入三河闸时，存在偏流现象[12]。2010年7月观测数据表明，三河闸左岸水位高于右岸水位，3 000 m3/s时，水位差3 cm～5 cm，4 000 m3/s时水位差4 cm～7 cm。因三河闸上游水位站位于左岸，故采集的水深高于该断面平均水深。

图3三河闸淹没孔流(ΔZ-e-Q)关系曲线

2.2 孔流与堰流过渡的处理

举例说明：2006年7月13日9∶54，三河闸上游水位12.58 m，下游水位12.14 m，闸门开高3.45 m，e/H=0.68，实测流量5 630 m3/s，按照淹没堰流公式(3)计算流量7 190 m3/s，按照淹没孔流公式(4)计算6 040 m3/s。

3 上下游水位变幅值与调度流量关系曲线研究

3.1 调度曲线绘制

三河闸的调度流量是指稳定后的泄洪流量，实际调控闸门开高时，需要预估上游、下游水位的变幅值。运行实践表明，上游水位稳定时间较短(10 min左右)，下游水位稳定时间往往需要1 d～2 d时间，大流量行洪所需的时间更长。现利用2004年—2016年的三河闸实测资料，经过多因子分析(参见3.2)，根据三河闸长期调度实践经验，建立调度前后上游的水位变幅值和调度流量差相关关系，见图5，曲线适用于上游水位12.5 m～13.5 m时典型工况(12.5 m为洪泽湖汛限水位，即起调水位，13.5 m为警戒水位)。 根据历年水文资料，建立稳定后的淮河入江水道三河闸(中渡站)流量和水位关系曲线，见图6。

图5三河闸调度流量差-上游水位变幅值关系曲线

图6淮河入江水道三河闸(中渡)流量-水位关系曲线

3.2 讨论

影响上游水位变化的因素很多，比如洪泽湖入湖、出湖流量的变化，风力风向、潮汐的作用等[14-16]。三河闸多年的运行实践表明，三河闸运行期间上游水位一般在12.5 m～13.5 m之间，变幅值较小，洪泽湖入湖流量与出湖流量相当。三河闸在调度过程中上游水位变幅值主要考虑与上游起始水位、流量变化值相关。

三河闸(中渡)站属于河道站，位于淮河入江水道的上游，影响水位的变化主要有三河闸调度流量的变化，河槽的冲刷和淤积，风力风向、潮汐的作用等。60多年的测验数据表明三河闸(中渡)流量-水位关系曲线(见图6)相对稳定。

4 应用效果检验

4.1 开高查询方法

根据公式(4)得出：

e=(Q/(3.70B*ΔZ0.50))0.909

(5)

一般情况下，按照63孔闸门全部开启计算开高，令B=630 m，得出：

e=(Q/(2331*ΔZ0.50))0.909

(6)

方法原理为：首先根据主管部门的调度流量，利用中渡水位-流量关系曲线可以查出稳定后的中渡水位H下，然后根据ΔQ(流量差，指调度流量与现状流量差值)可以查出稳定后的上游水位H上，从而计算出水位差ΔZ，进而计算出闸门开高e。

操作程序为：(1) 接到三河闸开闸调度指令后，工程管理单位根据实时水情(上游水位、下游水位、泄洪流量)查询图5、图6，得出流量稳定后上游水位可能预降的变幅值和下游水位可能上升到的水位；(2) 计算出上、下游水位差ΔZ，进而判别泄流流态，考虑安全始流因素，根据公式(6)，可计算闸孔开高；(3) 按照规定的执行时间进行开闸操作，一般经过3 h～4 h以后，根据稳定水位，采用水工建筑物测流法，或ADCP法，计算实测流量，进行误差计算。根据计算结果，确定是否需要调整闸门开高；(4) 每次闸门开高变化，均需发送水情电报。

需要说明的是，三河闸采用弧形钢闸门，实际调度时存在垂直开高和弧形开高的换算关系。闸门调度取用垂直开高。换算公式：

e=H-Rcos(arccosH/R+X×180°/π)

(7)

式中：e为闸门垂直开启高度，m；H为闸门支铰座中心至闸底板距离，4.2m；R为闸门弧形半径，6.5m；X为弧长(钢丝绳上升长度)，m。

4.2 精度复核

根据公式(3)、公式(4)对2016年的实测流量进行检验，见表2。从表2中可以看出，淹没孔流所有测次误差百分率在10%以内达到100%，误差5%以内达到85.7%。淹没堰流所有测次误差百分率在10%以内达到100%，误差5%以内达到80.0%；最大误差5.74%，接近允许误差±5%。由此可见，利用新的流量关系曲线推流，成果是可靠的，推流曲线是合理的。

表2 三河闸2016年实测流量成果校核表

5 结 语

三河闸定流量调度指令执行过程，不同于水文流量测验过程，最重要的任务是确定闸门开高。本文针对三河闸工程目前调度存在的不足，根据历史数据率定了流量曲线，补充绘制了三河闸调度流量差-上游水位变幅值关系曲线和淮河入江水道三河闸(中渡)流量-水位关系曲线，可计算出上下游水位差，用于定流量调度时三河闸闸门开高确定。经实践检验，该方法可靠性较高，可用于三河闸精准控制。由于历史数据有限和水文情况的复杂性，该方法需针对不同水情进一步积累资料，对不同水位和调度流量情况下三河闸上游水位变幅值进行分析研究。