感潮河道上过闸流量控制的自动化方法

刘 洪 马晓辉

(1.丹阳市水利局，江苏 丹阳 212300；2.丹阳市九曲河枢纽管理处，江苏 丹阳 212300)

九曲河位于长江下游镇江段。九曲河节制闸是九曲河入江的控制口门，具有引潮、排涝功能。闸外侧为长江，受海洋潮汐影响，其潮汐规律呈现“两高两低、一强一弱”的日周期变化特性[1]，内河侧水位相对固定，开闸情况下水位亦随闸门启闭呈周期性变化。该闸在工程运用上可分为两类，一类是在闸内外有一定水位差的情况下开启闸门，过闸流量随着内外水位差变小而逐渐变小；另一类是在闸内外无水位差或水位差很小的情况下开闸，随着涨潮，过闸流量由小变大，再随着落潮，流量又变小。

本文以水文统计为基础，重点研究对过闸流量进行控制的理论及方法，以使过闸的流量不超过设计标准或满足调度的要求，达到保证工程运行安全的目的。

1 建立过闸流量控制模型

按《水工建筑物与堰槽测流规范》(SL 537—2011)对九曲河节制闸投入运行后的最初三年中首次启门时过闸水流的流态情况进行了统计[2]，统计结果见表1。

根据表1中的统计结果，运用水位差关系法，以闸门流量与开度的水力学关系为基础建立如下的过闸流量控制水力学模型[3-5]。

1.1 始流模型

该模型与实际运行时的淹没式闸孔出流相对应，定义为开闸前内外侧有水位差，开闸后水位差开始变小、短时间内流量由大逐渐变小。

淹没式闸孔出流的水力学公式[5-6]为：

(1)

式中：μ1为淹没孔流量系数；n、b、e、ΔZ、g分别为孔数、单孔净宽、闸门开度、上下游水位差和重力加速度。

对于平底平板门闸，本文采用经验系数法计算流量系数:

0.76(e/H)e0.038

(2)

式中：H为上游水位[7-8]。

由此，编制始流流量查算表，并绘制“流量-开度-水位差”三者的关系曲线(见图1)。

上述曲线由不同的上下游水位及不同的开度绘制而成，并可以将多个流量叠加在一张图中。实际运用时，可根据不同流量下的开度-水位差关系，通过查表来确定对应流量的开度。

1.2 平潮引排水模型(以引水为例)

该模型与实际运行时的淹没式堰流相对应，定义为开闸前内外无水位差或水位差很小，开闸后内外水位同步上升或下降、短时间内流量由小变大。

《水工建筑物与堰槽测流规范》规定的感潮堰流最大流量公式为

Qmax=CKhbαΔZβ

(3)

式中:CK、α、β均为经验参数，需由实测资料分析确定；h为开闸前开水位；b为单孔净宽；ΔZ为有效水位差。

九曲河水文站近几年来对上述公式中的经验参数进行了率定[9]，引潮时过闸的最大流量为

(4)

式中：ΔZL为一潮引水的闸内高潮与低潮的差；ZLmax为一潮引水的闸内的最高水位。

由此，编制平潮引水流量查算表，并绘制“流量-开度-水位差”三者的关系曲线(见图2)。

图2 平潮时流量-开度-水位差曲线

先按开闸前内河水位及前一潮的最高潮位估算本次引水的闸内潮位差，闸内最高水位和潮位差的交点位于要求流量曲线的下方时，最大引水流量才不超过要求的流量；换言之，调整闸门开度，控制闸内的最高水位，即可达到控制流量的要求。

1.3 模型的转换

上述这两种过闸流量控制的水力学模型在实际运用中有可能发生转换，特别是在长时间引排水时，并且这种转换是动态双向的。

2 自动化控制的实现

2.1 系统需求分析

按图1和图2及相应的流量查算表，即可对过闸流量进行控制。但由于其潮汐规律呈现“两高两低，一强一弱”的日周期变化特性，经常会出现有一个潮次是在深夜才符合引排水条件的情况，这就加大了值班人员的劳动强度；并且，因为潮水的涨落是动态的，这也要求必须动态地调整闸门的开度才能达到控制过闸流量的目的[10-12]。

2.2 系统软硬件组成

在硬件上，设置内外水位仪、闸门开度仪、行程开关(测水流方向)等几类现场信号(数据)采集装置，这些数据由可编程逻辑控制器PLC进行预处理后，再送到上位机进行自动化控制[13]，硬件拓扑结构见图3。本系统控制软件，采用组态软件(INTOUCH)+数据库(SQL SERVER)的形式，实现对数据的采集、分析及对设备的控制、调整和实现交互性较强的人机界面[14]。

图3 硬件拓扑结构

2.3 控制流程图

结合系统需求及软硬件功能设计，自动化控制[15-16]的流程见图4。

图4 闸门控制流程

2.4 系统设置及说明

a.水位数据库是本系统的核心之一，控制流程中有很多判断都用到内或外侧的水位，以实际运行时经验，一般以2min左右记录一次内外水位为宜，时间间隔如短，则数据量太多，间隔长了则不够精确。同时，数据库中的水位数据保留最近一个月即可。

b.始流状态判断，以开闸前10min内内外水位差不超过10cm来确定，这是为了消除波浪的影响；控制流程中比较水位的时间、调整闸门开度的水位差等，在系统中都是可以设定的，可在调试过程中择优确定。

c.上面是按设计流量进行控制的过程，同理，还可以用调度流量值输入 “流量设定值” 对话框，以实现控制其他不同的流量过闸。

3 系统使用情况及改进措施

本系统自2013年完成开发投入使用以来，每年由自动化系统控制过闸流量的次数达260余次，系统运行可靠，操作方便，各类报表齐全，控制流量达到了预期的目的，减轻了值班人员的劳动强度，保证了工程的运行安全。但同时也存在一些问题，如：平潮引排水模型中，对过闸流量的控制仅指不超过某一个流量值，并不能测出实时的流量是多少，这主要是因为模型采用的是最大流量公式，而相关的规范并没有推荐瞬时流量公式，分析其原因主要还是与感潮河段水文变化的复杂性有关。

为了解决上述存在的问题，实现流量的实时监测与控制，统一两个模型，简化程序控制步骤，可以在河道岸边安装声学多普勒流速剖面仪(ADCP)[17]，流速传感器安装采用侧视水平方式(即H-ADCP)[18]，根据测得的一个水层的流速分布数据，采用“回归法”实时测量并计算、记录河流的断面流量，再采用通信手段，将测得的流量数据发至上位机，系统由此控制闸门升降，以达到实时流量监控的目的。

4 结 论

我国众多的沿海、沿江感潮河道上的水闸，对其过闸流量进行控制的常规方法是查始流曲线(表)或一潮引排水曲线(表)来确定闸门的开度，用人工方式来不断调整闸门开度。本文所述的方法是在对流态进行分析的基础上，确定适用的水力学控制模型，绘制“流量-开度-水位差”三者关系曲线、制定“流量查算表”，形成相应的数据库，通过一定的硬件和软件予以支持，自动对过闸流量进行控制，这种方法简便可靠，安全性高，投资较省，具有一定的实用价值。