節(jié)制閘水頭開度和過閘流量動態(tài)特性分析與應(yīng)用

李宛東++田景環(huán)++李維東

摘 要：南水北調(diào)中線工程線路長、閘門多、運行工況復雜，且在沿線無調(diào)蓄工程，對輸水技術(shù)要求很高、難度大。為達到按計劃流量輸水的目標，需通過調(diào)整多個閘門的過閘流量來實現(xiàn)。通常對節(jié)制閘過閘流量進行計算，可選取經(jīng)驗水力學公式并根據(jù)定期實測過閘水流數(shù)據(jù)對相關(guān)參數(shù)進行修訂。本文以南水北調(diào)中線工程北易水節(jié)制閘為例，應(yīng)用Matlab擬合工具，通過擬合過閘流量與水位、閘門相對開度的關(guān)系，建立數(shù)學模型。使用結(jié)果表明，根據(jù)實測流量資料建立的水位、開度、流量關(guān)系完全可以用于對過閘流量的動態(tài)監(jiān)測，并且方便、可靠。

關(guān)鍵詞：南水北調(diào)中線；流量系數(shù)；過閘流量；Matlab

中圖分類號：TV131 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20171232024

1 研究背景

南水北調(diào)中線工程自丹江口水庫引水，向河南省、河北省、北京市、天津市供水，全長1432km，沿線布設(shè)64座節(jié)制閘、97座分水口門，規(guī)劃多年平均調(diào)水量95億m3。自2014年12月12日中線通水至2017年3月底，已平穩(wěn)向沿線受水區(qū)輸水71億m3，惠及人口達4700萬人。

南水北調(diào)中線工程線路長、閘門多、運行工況復雜，且在沿線無調(diào)蓄工程，對輸水技術(shù)要求很高、難度大。為達到按計劃流量輸水的目標，需通過調(diào)整多個閘門的過閘流量來實現(xiàn)。通常對過閘流量的相關(guān)計算是結(jié)合工程實際，在傳統(tǒng)水力學方法的基礎(chǔ)上對經(jīng)驗公式進行修正和改進[1-8]。文獻[8-12]針對特定條件下的調(diào)水工程堰閘，通過系列模型試驗數(shù)據(jù)的擬合，進行過閘流量計算。隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能計算方法的發(fā)展，文獻[12-15]從大量歷史實測數(shù)據(jù)中，挖掘其規(guī)律，通過計算機自動建立模型結(jié)構(gòu)，不斷自動完善回歸關(guān)系，以此來計算過閘流量，擬合精度高，且使用方便靈活，為過閘流量的計算提供了一種新的思路和方法。

本文結(jié)合南水北調(diào)中線工程北易水節(jié)制閘實測過閘流量資料，應(yīng)用Matlab擬合工具，通過擬合過閘流量與水位、閘門相對開度的關(guān)系，建立數(shù)學模型，可以快速的確定節(jié)制閘孔流的流量系數(shù)，進而確定不同水位和閘門開度下的過閘流量。

2 擬合流量系數(shù)的過閘流量計算

通過對實測的過閘輸水資料進行整理，針對每個閘站建立單獨數(shù)據(jù)表，包含：時間、閘前水位、閘后水位、閘門開度、平均流速、過閘流量、閘孔數(shù)、閘底高程、閘孔寬度等選擇出代表性的數(shù)據(jù)建立樣本集，利用經(jīng)驗公式計算出對應(yīng)的流量系數(shù)，建立與，的擬合曲線，通過擬合結(jié)果建立模型。然后，根據(jù)所建立的模型及的值計算相應(yīng)的，可以計算出節(jié)制閘相應(yīng)的過閘流量。

2.1 流量系數(shù)的計算

參考《水工建筑物與堰槽測流規(guī)范》（SL537-2011）可根據(jù)下式對節(jié)制閘在淹沒孔流情況下的過閘流量進行計算：

式中，為過閘流量，；為閘門孔數(shù)；為單個閘孔寬度，；為水閘開度，；為水頭差，；為綜合流量系數(shù)；

式中，為流量系數(shù)；為淹沒系數(shù)。

式中，為閘前總水頭，，為閘后總水頭，根據(jù)下式進行計算：

式中，為閘前水頭，；v0為流速，。考慮到在實際應(yīng)用中難以測量行近流速，此處用閘前水頭代替閘前總水頭。

對于閘室寬度固定的節(jié)制閘，其綜合流量系數(shù)是閘門開度、閘前水位、閘后水位的函數(shù)。在輸水運行過程中，可以實時獲取閘前水位、開度和實測流量等數(shù)據(jù)，利用下式計算得出綜合流量系數(shù)：

根據(jù)樣本集中的每個樣本，利用上述各式計算出綜合流量系數(shù)，，。

2.2 流量系數(shù)的擬合

南水北調(diào)中線工程共設(shè)置64座節(jié)制閘，通過對全線的過閘流量與水量平衡進行分析，為各分水口平穩(wěn)輸送水量，以南水北調(diào)中線工程北易水節(jié)制閘為例，驗證擬合結(jié)果計算流量的有效性。

北易水節(jié)制閘是位于南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程易水河上的大型建筑物，節(jié)制閘閘身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共2孔，每孔凈寬5.5m，總寬11m，閘門為平板鋼閘門，閘門底高程為55.76m，設(shè)計水位62.840m，加大水位63.09m，預警水位63.19m。考慮到中線工程尚處于初期運行階段，輸水流量較設(shè)計流量偏小許多，節(jié)制閘基本都處于閘孔處流狀態(tài)，因此，本次僅針對孔流情況。

選取北易水節(jié)制閘不同時段的實測水情數(shù)據(jù)，剔除其中有明顯錯誤的，水位或流量有明顯突變的數(shù)據(jù)，作為樣本集。在樣本集中選取適當?shù)臉颖军c，取一定間距的，，作為數(shù)據(jù)庫利用MATLAB中的擬合工具做出散點圖，見圖1。進行不同關(guān)系的擬合，選取其中擬合效果較好的擬合曲線：

2.3 流量的計算

通過擬合的曲線，由閘門的上下游水頭（，），閘門的開度（）、和閘門的寬度（），可求出實時的閘門流量系數(shù)，進而推求出閘門的瞬時流量大小。實測流量與計算流量對比結(jié)果如表1。

3 反推流量系數(shù)計算過閘流量

反推流量系數(shù)計算過閘流量是推求流量系數(shù)的另一種方法，主要是通過利用計算程序擬合實測流量、閘門相對開度的關(guān)系，得出擬合流量，通過擬合流量和傳統(tǒng)經(jīng)驗公式反求綜合流量系數(shù)，再對流量系數(shù)，或的進行擬合，由擬合結(jié)果建立的模型計算過閘流量。

3.1 閘門相對開度～流量關(guān)系方程的直接擬合

將實測的流量、運用MATLAB的擬合工具進行擬合得到的擬合方程為：

將實測代入式（6），即可求出擬合流量。曲線相關(guān)性為0.99675，擬合精度很高，能滿足擬合需要。

3.2 流量系數(shù)擬合

利用式（6）所求出來的過閘流量，根據(jù)式（1）推求得出相應(yīng)的流量系數(shù)。擬合后的過閘流量相對于實測流量誤差值相對較小，利于下一步流量系數(shù)的擬合。將表2中的閘門相對開度、流量系數(shù)輸入擬合程序，得到擬合方程為：

將閘門的相對開度代入式（7），求出擬合流量系數(shù)，曲線相關(guān)性為0.99508，擬合精度很高，滿足擬合需要。利用擬合后的流量系數(shù)代入式（1）計算可以求得水閘的過閘流量，見表2。

4 分析與結(jié)論

通過計算機擬合進行流量系數(shù)的率定進行過閘流量計算，相比于傳統(tǒng)的水力學方法，更加準確、便捷。

本文建立的兩種擬合模型平均誤差為分別為12%和2%。其中，反推流量系數(shù)計算過閘流量計算誤差小、精度高。結(jié)算結(jié)果表明，通過反推流量系數(shù)計算過閘流量的方法雖計算稍微復雜一些，但計算精度高且適應(yīng)性強。

在擬合流量系數(shù)方面，二次函數(shù)方程與冪函數(shù)方程和《水力學》推薦的直線方程，都是合理和可信的。但由于實測數(shù)據(jù)不夠全面，過閘流量較小及實測流量分布不均，直接進行流量系數(shù)的擬合，推求過閘流量誤差相對較大，還需在后續(xù)實測資料不斷完善的基礎(chǔ)上進行進一步的分析論證。

參考文獻

[1]徐蘇，竇明，米慶彬，石琨.5種過閘流量計算方法在槐店閘的適用性及改進的杜嶼公式精度分析[J].水電能源科學，2016，34（3）：36-39，10.

[2]周全，吳偉華，楊曉斌，王暉.上海浦東水閘過閘流量和水量率定方法研究[J].水利水文自動化，2010（1）：65-68.

[3]武漢水利電力學院水力學教研室.閘孔出流水力特性的研究[J].武漢水利電力學院學報，1974（1）：37-66.

[4]周全，楊笛音，孟鉦秀.平原感潮河網(wǎng)地區(qū)邊界水閘流量計算方法[J].水電能源科學，2014，32（5）：19-22.

[5]劉國強，王長德，管光華，等.南水北調(diào)中線干渠弧形閘門過流能力校核分析[J].南水北調(diào)與水利科技，2010， 8（1）：24-28.

[6]劉孟凱，王長德，閆奕博，等.弧形閘門過閘流量公式比較分析[J].南水北調(diào)與水利科技，2009，7（3）：18-19.

[7]吳門伍，陳立，周家俞.大和水閘過閘流量分析[J].武漢大學學報（工學版），2003，36（5）：51-54.

[8]劉明健，易孝軍.雁田隧洞進水閘流量系數(shù)分析及運行調(diào)度的探討[J].中國農(nóng)村水利水電，2000（5）：29-31.

[9]侯冬梅，王才歡，劉毅.調(diào)水工程輸水渠道堰閘流量計算方法探討[J].長江科學院院報，2013，30（8）：79-83.

[10]胡肖峰，谷漢斌，周華興.平板門閘孔淹沒出流流量系數(shù)推求[J].水科學與工程技術(shù)，2006（4）：20-22.

[11]葉云濤，何建京.寬頂堰平板閘門閘孔出流水力計算的實驗研究[J].水利與建筑工程學報，2013，11（2）：138-141.

[12]吳彩麗，黃斌，謝崇寶.灌區(qū)引水口過閘流量計算方法比較研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2008（5）：71-74，77.

[13]張曉波，鄭雄偉.平原河網(wǎng)的開敞式水閘過流計算方法[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2013（9）：104-107.

[14]曹玉升，暢建霞，陳曉楠，黃會勇.基于遺傳程序的南水北調(diào)中線節(jié)制閘過閘流量計算模型研究[J].水利學報，2016，47（6）：834-840.

[15]周玲.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的涵閘流量軟測量建模研究[D].河海大學，2002.

作者簡介：李宛東（1991-），男，河南靈寶人，碩士研究生；田景環(huán)（1965-），女，教授，河北涿州人，河南研究方向為水工水力學、水資源開發(fā)利用與水環(huán)境保護。