三河閘流量精準(zhǔn)控制的做法與思考

柳 斌， 王 豹， 陳培然， 傅 金

(江蘇省洪澤湖水利工程管理處， 江蘇 淮安 223100)

三河閘工程位于江蘇省洪澤區(qū)與盱眙縣交界處，洪澤湖的東南角，為淮河入江水道的控制口門，是控制和調(diào)節(jié)洪澤湖下泄流量，確保入江水道及里下河地區(qū)防洪安全的重要水工建筑物，發(fā)揮著控制洪水、蓄水灌溉、便利航運(yùn)和發(fā)展水產(chǎn)等綜合效益。

三河閘工程閘身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共63 孔，每孔凈寬10 m，總寬697.75 m，底板高程7.50 m(廢黃河高程系，下同)，寬18 m，共21 塊底板，閘孔凈高6.2 m，閘門為鋼結(jié)構(gòu)弧形門。三河閘按洪澤湖水位16.00 m 設(shè)計(jì)、17.00 m 校核，原設(shè)計(jì)流量為8 000 m3/s，加固后的三河閘設(shè)計(jì)行洪能力提高到12 000 m3/s，屬大(1)型水閘。

2020年入汛以后，淮河流域遭遇嚴(yán)峻汛情，三河閘以較為完善的水利工程體系和行之有效組織指揮，成功發(fā)揮了淮河流域骨干性工程的重要作用。截至2020年9月2日，三河閘累計(jì)安全行洪72 d，其中閘門提出水面泄洪40 d，泄洪量達(dá)315億m3，最大實(shí)測(cè)流量7 970 m3，閘門調(diào)整25次，測(cè)流91次。

1 三河閘調(diào)度運(yùn)行流程

1.1 調(diào)度原則

根據(jù)《國(guó)家防汛防旱總指揮部關(guān)于淮河洪水調(diào)度方案的批復(fù)》(國(guó)汛〔2016〕14號(hào))，在蔣壩水位低于高程14.5 m時(shí)，洪澤湖(三河閘)的調(diào)度運(yùn)行由江蘇省水旱災(zāi)害防御調(diào)度指揮中心負(fù)責(zé)；蔣壩水位達(dá)到或超過高程14.5 m時(shí)，洪澤湖(三河閘)的調(diào)度運(yùn)行由淮河防汛抗旱總指揮部商請(qǐng)有關(guān)省提出意見，報(bào)國(guó)家防汛抗旱總指揮部決定。

1.2 調(diào)度流程

值班當(dāng)班人員接到上級(jí)主管部門的調(diào)度指令后，應(yīng)按照指令詳細(xì)記錄內(nèi)容，并口述復(fù)核調(diào)度流量、執(zhí)行時(shí)間等重要參數(shù)。閘門運(yùn)行人員在運(yùn)行前根據(jù)三河閘上下游實(shí)時(shí)水位，查詢 “三河閘水位-閘門開啟高度-流量關(guān)系曲線”，確定開啟孔數(shù)及閘門開啟高度，再按照“三河閘上下游水位-安全流量關(guān)系曲線”分次開啟到擬定開啟高度，待上下游水位穩(wěn)定后核對(duì)流量符合性，必要時(shí)調(diào)整閘門開啟高度。實(shí)測(cè)流量與調(diào)度流量對(duì)比，當(dāng)流量大于300 m3/s時(shí)，誤差不超過5%；當(dāng)流量小于等于300 m3/s時(shí)，誤差不超過15%。三河閘工程控制運(yùn)行流程見圖1。

圖1 三河閘工程控制運(yùn)用流程

2 誤差來源分析

三河閘目前調(diào)度方式為定流量調(diào)度，管理所根據(jù)調(diào)度指令要求的流量，調(diào)整閘門開啟的孔數(shù)及開啟高度，完成調(diào)度任務(wù)。這里調(diào)整閘門開啟的孔數(shù)和開啟高度，就需要根據(jù)三河閘上游水位查詢水位流量關(guān)系曲線H上-e-Q(上游水位-閘門開啟高度-流量，下同) 確定閘門開啟高度，初次調(diào)整完成后，由水文工作人員進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，然后通過對(duì)比實(shí)測(cè)流量與調(diào)度流量，并結(jié)合上游水位變化趨勢(shì)，再?zèng)Q定是否需要對(duì)開啟高度進(jìn)行調(diào)整?？梢钥闯稣麄€(gè)流量調(diào)度過程中最重要的步驟就是查水位流量關(guān)系曲線以及通過流量測(cè)驗(yàn)確定實(shí)際流量。下文將從這兩方面逐一分析其中可能存在的誤差。

2.1 水位流量關(guān)系曲線

三河閘現(xiàn)在使用的水位流量關(guān)系曲線H上-e-Q是依據(jù)多年流量實(shí)測(cè)資料，采用以下公式進(jìn)行率定：

(1)

(2)

式中：Q為流量，m3/s；hu為上游水頭，m；ΔZ為上下游水位差，m；e為閘門開啟高度，m；B為閘門凈寬，m；C1、M2為流量系數(shù)；σ為淹沒系數(shù)。

在調(diào)度使用中，工作人員查看三河閘上游水位，根據(jù)調(diào)度流量的要求來確定閘門的開啟高度。

可以看出在水位流量關(guān)系曲線的率定及使用過程中，B、e、h對(duì)曲線的精度起到至關(guān)重要的作用[1]。

2.2 水文流量測(cè)驗(yàn)

三河閘流量測(cè)驗(yàn)采用駐測(cè)方式，一般采用的測(cè)流方法為ADCP法[2]，備用的測(cè)流方法為流速儀法。鑒于ADCP測(cè)流的便利性和時(shí)效性，現(xiàn)在ADCP測(cè)流較為普遍，2020年三河閘全年也都是采用ADCP測(cè)流，所以本文討論ADCP法測(cè)流誤差。

ADCP法測(cè)流過程中出現(xiàn)的誤差主要可以分為儀器誤差、水流影響誤差和測(cè)驗(yàn)方法誤差。ADCP在測(cè)流中，儀器盲區(qū)、入水深等特性會(huì)造成一些誤差，另外ADCP內(nèi)置羅經(jīng)磁偏角誤差對(duì)斷面寬及航向影響也較大，這些誤差主要取決于儀器特性，較難避免。在實(shí)際測(cè)量中，水流中的含沙量、水流的流態(tài)以及流速等，都會(huì)對(duì)流量測(cè)驗(yàn)結(jié)果有所影響，這部分誤差只有通過選擇合適的測(cè)流時(shí)間及測(cè)流斷面來相對(duì)減小而無法避免。測(cè)驗(yàn)方法的誤差就是實(shí)際工作中需要注意的一些事項(xiàng)，通過規(guī)范的測(cè)量程序能夠較好地減少這方面誤差。

3 誤差控制

3.1 閘孔寬度誤差

三河閘設(shè)計(jì)單孔凈寬10 m、總凈寬630 m，執(zhí)行調(diào)度指令時(shí)均按照此寬度計(jì)算流量。由于施工誤差和水流沖刷等因素的影響，實(shí)際單閘孔凈寬和總凈寬均與設(shè)計(jì)值存在一定的誤差。為了解實(shí)際閘孔寬度與設(shè)計(jì)寬度的誤差，三河閘對(duì)部分閘門寬度進(jìn)行抽測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大誤差為2.3 cm，且大部分閘門寬度誤差小于1.0 cm，與設(shè)計(jì)寬度基本相符，綜合誤差小于2‰。經(jīng)過實(shí)際測(cè)量，對(duì)閘門總凈寬有了更精確的了解，為精準(zhǔn)調(diào)度提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

3.2 閘門開高誤差

三河閘閘門的開啟高度通過自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件控制，開啟高度數(shù)值以現(xiàn)地PLC柜和中控室控制主機(jī)軟件數(shù)值為準(zhǔn)，同時(shí)可以通過開啟高度標(biāo)尺粗略讀取。閘門開啟高度誤差主要包括開啟高度傳感器誤差、標(biāo)尺刻劃誤差和弧線換算垂直開啟高度的誤差[3-4]。三河閘弧形閘門開啟高度關(guān)系見圖2。設(shè)閘門底從A點(diǎn)開啟到A′，垂直開啟高度為e，根據(jù)幾何關(guān)系可得開啟高度計(jì)算公式為

(3)

式中：R為弧形閘門臂長(zhǎng)，φ為關(guān)閘時(shí)閘門底至弧心連線與底板水平線之間夾角，α為弧形閘門移動(dòng)的角度。

三河閘自動(dòng)控制軟件中，閘門垂直開啟高度與弧高是通過一次多項(xiàng)式模擬的線性關(guān)系，且為考慮閘門關(guān)閉狀態(tài)下開啟時(shí)啟閉機(jī)鋼絲繩的余量及拉伸量，存在一定的誤差。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，控制軟件中開啟高度達(dá)到3.5 cm時(shí)，閘門才真正調(diào)離底板泄洪。通過實(shí)測(cè)多孔閘門開啟高度與閘位計(jì)開啟高度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)垂高與控制軟件中開啟高度在不同開度下存在2～7 cm誤差。

以5#閘門為例，更新閘門控制系統(tǒng)軟件中閘門弧高與垂高關(guān)系曲線，同時(shí)考慮閘門關(guān)閉狀態(tài)下開啟時(shí)啟閉機(jī)鋼絲繩拉伸量，得到控制軟件中閘門開高的修正值，數(shù)據(jù)如表1所示。由數(shù)據(jù)可見，修正后控制軟件中開高與閘門實(shí)測(cè)開高精度明顯提高，除閘門大開度狀態(tài)(此時(shí)閘門基本提出水面敞泄)，開啟高度誤差均控制在1.0 cm以內(nèi)，滿足精準(zhǔn)調(diào)度的要求。

表1 三河閘5#閘門開高實(shí)測(cè)與閘位計(jì)數(shù)值對(duì)比

3.3 水位誤差

三河閘上下游水位均采用WDC31型浮子式水位計(jì)觀測(cè)，安裝的浮子式水位計(jì)進(jìn)行過嚴(yán)格的比測(cè)，比測(cè)合格后，方可正式使用。在之后的使用過程中，三河閘水文站按照測(cè)站任務(wù)書要求，每月定期對(duì)自記水位計(jì)進(jìn)行檢查，記錄自記值并與校核水位進(jìn)行對(duì)照，若差值超過0.02 m時(shí)，則對(duì)自記儀器進(jìn)行校正，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)有差錯(cuò)的自記數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正。每月校核不少于3次，校核間隔時(shí)間要基本一致。在三河閘開閘期間，增加水位計(jì)校正次數(shù)，確保水位計(jì)數(shù)值與真實(shí)水位誤差不超過1 cm。

3.4 流量測(cè)驗(yàn)誤差

在實(shí)際的流量測(cè)驗(yàn)工作中，很多誤差無法控制，如水流流態(tài)造成的誤差，水流中含沙量對(duì)測(cè)驗(yàn)結(jié)果的影響等，能做到的就是規(guī)范測(cè)驗(yàn)過程，總結(jié)測(cè)驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化測(cè)驗(yàn)方案。三河閘水文站根據(jù)相關(guān)規(guī)范制定了《三河閘(中渡)水文站流量測(cè)驗(yàn)作業(yè)指導(dǎo)書》，指導(dǎo)書中列明了三河閘流量測(cè)驗(yàn)流程、技術(shù)要求及安全措施。按照此指導(dǎo)書進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)可以避免很多人為控制過程中的誤差。

4 結(jié) 語

三河閘在流量精準(zhǔn)控制方面取得一定成效，但仍然面臨一些問題無法得到有效解決。例如水位的問題，三河閘調(diào)度查線中的水位，是指三河閘閘門啟閉后水位流量穩(wěn)定時(shí)的水位，但是在完成調(diào)度之前并不能準(zhǔn)確知道這個(gè)穩(wěn)定水位是多少，只能根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)預(yù)估啟閉后水位大概能到多少，這個(gè)預(yù)估水位很難達(dá)到準(zhǔn)確；另外，三河閘上游水位也不是穩(wěn)定的，受風(fēng)力風(fēng)向、潮汐作用及洪澤湖出入湖流量的影響較大，例如2020年7月23日，三河閘敞開泄洪期間，上游水位24 h變幅達(dá)到30 cm，從而對(duì)三河閘的流量也有較大影響。

水利工程流量的精準(zhǔn)控制一直都是工程管理中的難題，三河閘一直在探索如何更精準(zhǔn)地控制流量。本文也從水位流量關(guān)系曲線和流量測(cè)驗(yàn)的角度，簡(jiǎn)要分析了三河閘精準(zhǔn)控制的一些做法，同時(shí)也提出了一些較難控制的問題，今后還將繼續(xù)執(zhí)行更加規(guī)范的操作，確保流量監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)控制。