新疆北屯灌區信息化更新改造后流量率定分析

蔡新雁,徐阿通

(1.新疆阿勒泰地區水利管理處，新疆 阿勒泰 836500； 2.新疆阿勒泰地區水利水電勘測設計院，新疆 阿勒泰 836500)

1 概 述

阿勒泰地區北屯灌區位于阿勒泰地區中部、烏倫古河和額爾齊斯河谷地，灌區由永久性攔河樞紐引水，引水流量為60 m3/s，輸配水工程為36 km的總干渠，分別向北屯市183團電站、183團片區北干渠分水，余水注入阿克達拉水庫[1]。水庫下游分設中線干渠和南干渠，分別為福海縣闊克阿尕什鄉片區、阿爾達鄉片區、2817片區和地區一農場片區提供灌溉用水。

該灌區2018年灌溉面積為2.699×104hm2，其中種植業面積為1.718×104hm2，畜牧業飼草料基地種植面積0.859×104hm2，灌區內林網種植面積0.121×104hm2。灌區總干渠引水龍口年均引水總量約4.5×108m3，其中發電引水流量約2.5×108m3，灌溉用水總量約2.0×108m3，年際變化不大。2018年灌溉總用水量約1.89×108m3。

2 北屯灌區信息化建設內容

2012-2014年期間，北屯灌區信息化工程建設共完成以下內容：1個調度監控中心、4個調度監控分中心、35個渠道配水點水情監測、35個渠道視頻監控、4套渠道閘門自動控制系統建設、通信網絡系統建設、基礎設施改造建設、視頻監控軟件部分完成信息采集軟件、綜合數據庫之工情庫和水文庫、數據采集與管理系統、數據管理與維護系統建設。

3 北屯灌區信息化對閘控系統的更新改造

3.1 閘控系統更新改造需求分析

因北屯灌區信息化系統涉及許多不同類型的數據，數據從采集、校核、入庫，需要經過多重工序，所以其數據的可靠性和精確度必須保證。但在運行過程中，部分閘門的閘位計顯示的開度和閘門的實際開度有誤差，部分雷達水位計測得的水位和實際的水位也有較大誤差，使得后期無法開展數據分析工作，因此急需解決數據精確度低的問題。

3.2 閘控系統更新改造內容

2017-2018年，北屯灌區管理處對灌區信息化的硬件設施和信息化系統進行升級改造。

一總干渠引水樞紐渠首主要硬件建設內容為：①在閘前閘后增加水位傳感器，用于實時監測水閘前后水位，將水位信息傳輸到管理平臺上，便于系統軟件計算水量。②對進閘門控制系統的線路進行檢查和改造，確保系統穩定可靠，便于遠程控制。③對PLC控制程序進行修改，使其控制邏輯更加合理。④將各閘門PLC控制系統統一整合到北屯灌區管理處信息管理平臺上進行統一監測和控制。⑤閘門安裝閘門標尺。

一分水閘控系統、二分水閘控系統、 民族新村進水閘閘控系統、阿克達拉水庫分水閘閘控系統主要硬件建設內容為：①對現有閘位計進行更換，對于螺桿啟閉機控制的閘門，更換為穩定可靠的自收攬閘位計。②增加限位開關，上限位和下限位各安裝2套限位開關進行雙重保護，確保閘門遠程控制安全可靠。③對當前閘門控制柜線路進行檢查和改造。④對PLC控制程序進行修改，完善控制和保護措施。⑤各閘門PLC控制系統整合到北屯灌區管理處信息管理平臺上進行統一監測和控制。⑥閘門安裝閘門標尺。

4 閘門控制系統流量系數率定

北屯灌區信息化平臺建設后，閘門控制系統的應用已趨于完善，灌區管理處值守人員可通過遠程操作，啟閉閘門達到精確分水的目的，并可通過實時視頻人工復核上下游水位。為了達到精確分水控制，在閘門控制系統改建時重新對流量系數進行了率定。

4.1 率定方法

為驗證閘門控制系統中選用的流量測定公式是否符合實際，特利用走航式ADCP實測流量數據對灌區內閘門控制系統采集的閘門前后水位、閘門開度、采集時間等計算的流量數據進行對比，并選取4組經驗公式進行計算，最終校核閘門控制系統中流量率定公式的準確性。

率定時以一分水電站進水閘為例，共取5 h的閘控測報系統每10 min測報的流量作為基礎采集數據，采集得到閘門前后水位、閘門開度、采集時間等數據，共計37組。首先將采集數據按照各水力學經驗公式計算成果與閘控系統選定閘門流量計算公式進行對比，驗證閘控系統計算流量公式精確性?，F場率定時取閘后30 m渠道斷面采用走航式ADCP自一岸拖行至另一岸，測量時段共5 h，每隔1 h測量一次渠道實時流量，測得5個閘門分水流量。然后將ADCP測量渠道實際斷面流量與閘控系統測報成果對比，校驗閘控系統測量流量與實際測量成果對比，驗證閘控系統實地測量的準確性。見表1。

表1 閘門控制系統測流成果表

續表1

4.2 閘控系統測報公式

北屯灌區各分水閘均為平板閘門，無底坎，閘孔過流流量計算公式為：

(1)

式中：σs為淹沒系數，自由出流時為1；μ為流量系數；b為閘孔寬度；e為閘孔開度；H0為作用總水頭，H0為作用水頭H與行進流速水頭之和。

目前，應用于平板閘門流量系數計算常用的經驗公式主要有直線式(2)(南京水利科學研究所)、曲線式(3)和薛朝陽經驗公式(4)[2]：

(2)

(3)

(4)

(5)

通過測量成果，按照各種經驗公式(5)計算閘門過流能力。見表2及圖1。

表2 率定流量系數對比表

圖1 流量系數偏差對比圖

通過對比，閘控系統選擇的計算公式與其他水力學經驗公式對比，閘門控制系統計算公式成果偏差率與平均偏差率較接近，所以閘控系統流量計算公式較精確。

4.3 閘控系統驗證成果

將閘門測控系統5 h測報時段每個小時測量的各數據平均得到5組數據，并與ADCP實際測量成果進行對比，對比結果見表3。

通過實測流量與測報流量進行對比，從表3可看出實測流量與測報流量結果較為接近，說明閘門測控系統在實際應用中測量精度滿足要求。

表3 閘控系統測報與實測流量對比表

5 結 語

本文以北屯灌區閘控系統作為研究對象，對其信息化早期建設內容進行了闡述。分析其早期建設存在的問題：部分閘門的閘位計顯示的開度和閘門的實際開度有誤差、部分雷達水位計測得的水位和實際的水位也有較大誤差。對灌區信息化更新改造內容進行闡述，并對其改造后的閘門控制系統流量系數進行校核，用走航式ADCP實測的流量數據進行多公式計算，驗證其準確性，得出閘控系統流量系數較為精確的結論。