南水北調工程個別分水閘流量計數據異常分析

韓子波

摘 要：南水北調工程個別分水閘流量計存在數據異常。本文結合南水北調工程沿線分水閘運行情況，分析其存在的問題，為日后分水閘設計、施工、運行提供參考。

關鍵詞：分水閘;南水北調;流量計;淤積

中圖分類號：TH814.92文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）23-0082-03

Abstract： There are data abnormalities in individual sluice flowmeters of the South-to-North Water Transfer Project. This paper combined the operation of the sluice along the South-to-North Water Transfer Project， analyzed its existing problems， and provided references for the design， construction and operation of the sluice in the future.

Keywords： diversion gate;South-to-North Water Transfer;flowmeter;siltation

南水北調中線干線一期工程自2003年12月正式開工建設，2013年12月25日完成主體工程建設，2014年12月12日正式通水運行。該系統在沿線閘門控制處設計安裝有175臺超聲波流量計和28臺電磁流量計，主要分布在工程沿線節制閘、分水閘、退水閘和調節池閘門控制處，這些流量測量設備是保證工程運行管理和供水計量收費的重要設施，不但可以對分水量實現自動實時監控，全面掌控過水流量動態變化，為工程調水全線水量平衡計算提供直接依據，而且將為核算各供水戶的供水量及水費收繳提供基礎支撐[1]。

1 分水閘供水工程概況

郭屯分水閘位于河南省輝縣市王敬屯鄉郭屯村南700 m，郭屯分水閘位于總干渠右堤上，中心線與總干渠軸線垂直，承擔向獲嘉縣城供水的任務，設計引水流量為3 m3/s，閘底板高程為98.80 m。分水閘在結構上分為三段：進口段、閘室控制段和涵管段。

進口段在平面上呈八字擴散形，分為擋土墻段和矩型槽段。為不減少總干渠的過水斷面，擋土墻和矩形槽側墻均為八字形斜降墻，墻頂均與總干渠內側堤坡持平。分水閘進口段在平面上呈八字擴散形，長度為13.19 m，擴散角每側為150°。進口段分擋土墻段和矩型槽段，擋土墻段底板為自總干渠渠底高程95.91 m至矩型槽上游端底高程97.92 m的斜底板，底板厚為0.30 m。上游前沿底寬為8.97 m，下游底寬為4.04 m，擋土墻最高斷面的高度為3.09 m。矩型槽段底板高程為自97.92 m至閘底板高程98.80 m的斜底板，底板厚為0.70 m。上游前沿底寬為4.04 m，下游底寬為1.90 m，矩型槽最高斷面的高度為4.41 m。

分水閘閘室控制段靠上游岸坡堤頂布置，底板長度為7.00 m，底板高程為98.80 m。閘室控制段采用一孔平底板矩形整體布置型式，閘孔寬度為1.90 m，閘墩頂高程為105.01 m。檢修平臺平堤頂，堤頂高程為105.01 m，檢修平臺上設啟閉機排架，檢修平臺至啟閉層的高度為3.50 m。啟閉機層為露頂式。閘室控制段設一扇工作閘門、一扇檢修門。工作門門型為平面鋼閘門，其啟吊設備為液壓式啟閉機，工作閘門位于檢修閘門下游側，共有1孔，設置1扇閘門。閘門孔口尺寸（寬×高）為1.90 m×1.90 m，閘門最大設計水頭為4.71 m。閘門采用潛孔式平面定輪焊接鋼閘門，門葉結構采用多主橫梁同層布置，單吊點，閘門行走支承選用懸臂滾輪，止水選用前止水。閘門操作運用方式為動水啟閉。檢修門啟吊設備采用卷揚式啟閉機。檢修閘門設置在分水閘上游進口處，共有1孔，設1扇閘門。孔口尺寸（寬×高）為1.90 m×1.90 m，閘門最大設計水頭為4.71 m。閘門采用潛孔式平面定輪焊接鋼閘門，門葉結構采用雙主橫梁同層布置，單吊點，閘門行走支承選用懸臂滾輪，止水選用后止水。閘門操作運用方式為靜水啟閉，啟閉機選用1臺100 kN固定卷揚啟閉機，最大啟門力為100 kN。

分水閘涵洞洞身段為一孔矩形斷面，孔口尺寸為1.90 m×1.90 m，洞底坡坡度為1/500，涵洞進口底板高程為98.80 m，同閘底板，涵洞段長為15 m，出口底板高程為98.77 m，接配套工程進水前池，前池下游接配套工程供水管道。配套工程輸水線路長為22.94 km，管材均為PCP管，管徑為DN 1 200 mm。

分水閘流量計為超聲波流量計，安裝在涵管段閘門下游側;配套工程流量計安裝在配套工程供水管道首端處，采用電磁流量計。超聲波時差法流量計，利用聲波順流和逆流傳播的時間差來測量聲線上的線平均流速，采用多個聲道測量流速并加權積分計算流量。電磁流量計是一種根據法拉第電磁感應原理來測量管內導電介質體積流量的感應式儀表[2]。體積流量與感應電動勢[e]和測量管內徑[D]成線性關系，與磁場的磁感應強度[B]成反比，與其他物理參數無關。

2 分水閘運行情況

分水閘運行期間，轄區內分水閘流量計瞬時流量數據多次發生短時跳變，瞬時流量異常增大，月累計水量異常增大。經流量計廠家技術人員到現場排查故障，判斷原因為流量計1#換能器探頭被淤泥淹沒，無法正常工作，現場采取將1#探頭屏蔽的方式，暫時使用2#探頭進行計量（但數據明顯偏大）。為了進一步確定原因，管理人員安排專業潛水作業隊伍到水下進行查看，經檢查發現，分水閘箱涵內淤堵比較嚴重，工作門下游2 m處淤泥厚度為1 m左右，箱涵和進水前池結合部位淤泥厚度為1.5 m左右。經初步分析，原因為分水閘分水流量小，而且進水前池較大，過水截面變大，流速較小造成泥沙淤積。由于該分水閘正在運行使用，且配套工程正值用水高峰期，換能器探頭所在涵洞處于滿水狀態，無法進行停水檢修，為了確保正常、穩定運行和水量的準確計量，有關管理部門派遣專業潛水作業隊伍進行分水閘清淤。運行期間共清淤兩次，一次利用用水低峰時間段緊急停水清淤，一次采取專業潛水作業隊伍進行分水閘不停水清淤。郭屯分水閘流量計修復清淤工作一次花費約3.5萬元。淤積影響如下：影響流量計正常工作，導致流量計計量錯誤;影響配套工程正常分水;造成高額的清淤費用。進水前池清淤實景圖如圖1所示。

3 分水口分水數據分析

3.1 清淤數據分析

流量計安裝在涵洞出口，2017年1月1日至2017年4月22日平均流速為0.05 m/s，平均瞬時流量為0.18 m3/s，日分水量為1.46萬m3/s;2017年4月22日至2017年7月25日平均流速為0.13 m/s，平均瞬時流量為0.36 m3/s，日分水量為3.10萬m3/s;2017年7月25日清淤后平均流速為0.05 m/s，平均瞬時流量為0.19 m3/s，日分水量為1.57萬m3/s。

如表1所示，清淤前瞬時流量相差較大，水量差較大，水量差百分比大于10%，清淤后瞬時流量接近，水量差較小，水量差百分比小于10%，隨著時間的推移，清淤后水量逐月增大，再次清淤后，水量差又變小。

3.2 率定數據分析

率定時郭屯分水口閘門開度為300 mm，分水閘箱涵有嚴重淤積，有關流量測量數據與分水閘下游配套工程首端電磁流量計數據差一倍多。配套工程首端采用電磁流量計、單一管線、28 km自流進入水廠，首端末端數據相當。

作業人員于2018年3月24日進場，采用外夾式超聲波流量計進行流量率定如圖2所示。經過設備安裝與調試，3月24日12：00進行了1 h的流量率定。本次率定收集2018年3月24日12：30到13：30的過程數據，同時段調取了分水口門的時差法流量計和地方首端電磁流量計數據。通過數據分析，率定期間，首端電磁流量計偏差保持在6.0%左右，負向偏小;分水口門暗涵流量計偏差保持在85.6%左右，正向偏大。

因郭屯分水口門現場僅具備率定一個流量級，考慮現場安全供水，無法實現分級流量調整，所以郭屯分水口門流量計率定關系定為[Y=0.539x]，其中[x]為分水口門流量計的流量監測數值，[Y]為修正后的分水口門流量計的監測數值。

4 淤積原因分析及處理方法

針對沿線淤積嚴重分水口，管理處做出了分析研究，并提出或采取了一些措施。經分析，原因主要有：分水運行目標流速較小;在分水口設計過水斷面，分水水流從上游到下游經由與總干渠連接的小斷面暗函突變為與配套供水管道連接的大斷面前池，流速變小。以上兩種原因造成大量泥沙在暗函和前池淤積。治淤目前采取在干渠分水口處增設攔污清淤裝置、不定期污泥泵清淤、人工清淤、機械清淤等方式，但都存在各種問題，耗費大量的人力、物力，影響分水，水質、清淤不徹底、不理想。

5 分水閘設計、施工、運行建議

超聲時差測流技術包含三個不可分割的部分：準確的時間測量技術、準確的幾何參數測量技術和有效的流速代表性算法。換能器需要施工方在方涵現場安裝，安裝完畢需要精確測量流量模型需要配置的幾何參數，包括聲道長度、聲道角、聲道高度、斷面面積等，特別是由于河南段分水口采用了單聲道面配置，聲道方向與水流流動方向的夾角通常存在較大的不確定度;幾何參數測量的準確度依賴于現場施工和質量控制水平，往往同一款流量計由不同的施工隊伍安裝，幾何參數偏差造成的流量誤差可能有高有低。

另外，主要的問題還在于有效的流速代表性算法，其一是探頭凸出壁面造成的流體擾動影響，對于幾十米寬的方涵可以忽略，對于分水口兩三米的方涵寬度，換能器凸出幾十毫米，可能導致百分之幾的流速測量偏差，其影響需要進行修正;其二是平均流速算法，流量計內置的算法應對的是理想的足夠長直的方涵情況，兩個試點的順直段水流通道距離很短，分水口下游幾米到幾十米的位置安裝流量計，暗涵水流與干渠水流形成90°的切角，流場可能存在很大的漩渦，僅用單聲道面兩個聲道很難得到準確的平均流速，漩渦可能導致百分之幾甚至百分之幾十的測量偏差。

流量計使用基本原則如下：順直段足夠長，無擴散和收縮;如果上下游既有明渠，也有管道，管道段作為首選;無論管道還是暗涵，都應有冗余的考慮，水的流道和流量計一主一備，便于運維;明渠要考慮水草和淤積的影響;管道順直段足夠長，超聲時差法的適應性更好;電磁流量計對產品品質要求高，順直段足夠長，上下游無閥門，時差法和電磁監測數據質量都會比較高;大管道時差是首選;時差法流量計要把控安裝質量。

建議設計時充分考慮防於、治於問題;考慮流量計安裝需要滿足的水流條件、位置;施工時嚴格控制流量計安裝的施工精度要求;運行時，要考慮流量計工作條件，及時維護，保證精度;充分考慮好流量計計量問題，避免爭議;與受水單位建立運行溝通機制;考慮停水檢修問題。

參考文獻：

[1]張鵬，寧志超，魏蕊.南水北調中線控制閘流量計率定方案優選[J].河南水利與南水北調，2018（10）：93-95.

[2]康羅英，賈彥磊，賈君洋，等.南水北調中線干線流量計計量差異分析研究[J].水電站機電技術，2018（1）：7-9.