關于引湑濟黑調水工程引水口生態基流的自動化調控研究

高 哲

（西安市引湑濟黑調水工程管理中心，陜西 西安 710077）

1 引湑濟黑調水工程簡介

西安市引湑濟黑工程是西安市行政區內跨流域調水工程，作為西安市主要水源之一，列入2005 年國務院批準的《西安市2004 年～2020 年城市總體規劃》中。取水口位于周至縣厚畛子湑水河上游吊溝，出水口位于周至縣厚畛子鄉黑河上游矛坪溝，主體工程包括引水樞紐、輸水隧洞和出口電站，其中輸水隧洞長6245 m，輸水能力10 m3/s，自流供水。滿足湑水河取水斷面最小下泄流量0.25 m3/s。

引湑濟黑工程取水水源為湑水河，取水地點為引水地點位于周至縣境內湑水河支流吊溝口下游200 m 處。

為了保證正常引水，防止突發事件，進水閘啟閉機采用螺桿式手電兩用啟閉機。為了保證閘前正常進水，防止閘前引水道泥沙淤積，設計在進水閘旁鄰河側布置沖沙閘，及時清除閘前淤沙。

2 生態基流的保障措施及現狀問題

2.1 現狀生態基流的保障措施

引湑濟黑調水工程的取水點，位于為秦嶺南麓的的湑水河上，建有引水樞紐，采用低壩引水，湑水河生態基流取水斷面設計最小下泄流量為0.25 m3/s。現狀生態基流保障措施主要采用控制沖沙閘前水頭與沖沙閘開啟度之間相互關系來滿足進水閘取水和生態基流的最小生態流量。當下泄0.25 m3/s 時的沖沙閘前水頭與閘門開啟度相互關系見表1。

表1 沖沙閘前水頭與閘門開啟度相互關系

沖沙閘上游側布置有浮子水位計，用于監測閘前水頭，以便提供閘前水頭數據供分析，進而確定閘門開啟的高度，以便確保基本的生態基流；引水閘下游側10 m 位置引水隧洞內安裝有明渠流量計，串口采用RS485。

2.2 生態基流保障措施的現狀問題

1）枯水期問題

枯水期河道來水量變化不大，引水口位置的溢流壩基本沒有生態基流的溢流，生態基流的保障措施只能采用人工按鈕電機正轉、反轉，啟閉設置沖沙閘開度，從沖沙閘閘口處下泄。但是，沖沙閘閘前水頭小，為確保下泄流量為0.25 m3/s 生態基流，沖沙閘開度約在2 cm 左右。啟閉開度較小，容易被河道中樹枝樹葉塞縫堵水，開啟后無法保證下泄生態基流，若啟閉開度稍微過大，容易將原本少量的河水全部下泄于原河道，又不能滿足日計劃調水量的工作要求。

2）豐水期問題

豐水期河道水量的頻繁變化，特別在汛期中，有時河道水量比較大，生態基流直接從溢流壩溢流下泄。雖能滿足下游生態基流，但是，人工調節引水流量相應頻繁，人為按鈕繼電器控制電動機正轉反轉，拖動啟閉閘門，工作簡單重復量大，人力運行成本較高。

3 解決生態基流現狀問題的自控化控制研究論證

3.1 解決生態基流現狀問題的自動控制思路

針對引湑濟黑調水工程引水口的實際工況條件，結合當前電氣工程及其自動化控制技術的成熟發展，考慮采用引水閘啟閉電機的自動化控制技術，對引水閘進行常態化自動控制，精準實現河水過溢流壩下泄生態基流（至少0.25 m3/s）的工作要求，同時，避免因啟閉沖沙閘下泄生態基流而引發的沖沙閘閘門堵塞、下泄生態流過大、人工頻繁操作等問題。

3.2 生態基流自動控制原理分析

引湑濟黑調水工程引水口位置見圖1。引水閘與沖沙閘、溢流壩，方向垂直，且引水隧洞、溢流壩面均為無壓流水。引水隧洞長6252 m，坡度1.26‰，引水隧洞水流斷面為2.9 m 寬的矩形，可簡化為明渠流水。隧洞設計引水量不應超過10 m3/s；溢流壩址寬度28 m，按照20 年一遇洪水設計防洪標準，按照50 年一遇洪水進行設計校核。其中，引水閘尺寸3.5 m×2 m，沖沙閘尺寸4.0 m×3.5 m。

圖1 引湑濟黑調水工程引水口工況示意圖

根據《西安市引湑濟黑工程水資源論證報告書》中引水指標要求，按照引水隧洞的最小斷面過流能力，設計確定隧洞引水能力為10 m3/s，引水原則為：以引洪水為主，應切割一定下泄流量作為下游生態用水，即當設計取水斷面來水流量Q0小于0.25 m3/s 時不引水；當來水流量Q0大于0.25 m3/s 且小于10.25 m3/s 時，引水流量等于來水流量Q0減去0.25 m3/s；當來水流量Q0大于10.25 m3/s 時，引水流量為10 m3/s。

對于工程引水口，某時刻河道來水流量Q0=引水流量Q+生態流量 q。其中 Q=BHV；q=bhv。Q 為引水隧洞的調水量；B 為矩形寬度，2.9 m；H 為水深；V 為流速，q 為溢流壩面的過壩量；b 為矩形寬度，28 m；h 為水深；v 為流速。

對于明渠標準斷面，水流水深H 與流速V 之間成相應關系，可以實踐測出水位流量曲線圖。可以采用流速儀、水位計直接將流量Q 測出，顯示出流量數據。

在沖沙閘常態化的閉合下，某時刻河道來水流量瞬時不變，只需要自動啟閉引水閘，來動態調節引水流量和過壩生態流量，使其滿足引水原則。目前引水隧洞、溢流壩位置安裝有流量計儀表，分別可顯示出引水流量Q 和生態流量q 的實時動態數據。

根據自動化技術知識，采用PID 調節器啟閉控制閘門，構建引水閘門啟閉的自動控制原理圖，屬于單回路負反饋控制，見圖2。

圖2 自動啟閉引水閘保證生態基流的控制原理圖

其中，采用PLC 可編程邏輯控制器，對流量數據進行邏輯判別。由PID 調節器對引水閘啟閉機自動化控制，電機正傳、反轉動態啟閉閘門（設定電機正轉為開啟引水閘門、電機反轉為關閉引水閘門），實現引水流量Q 和過壩生態水流q 數據滿足引水原則。同時，設定好引水閘門的上、下限位安全行程，即可實現無人值守功能。

根據引水原則，采用PLC 可編程邏輯控制器，對流量數據邏輯判別：當來水流量Q0＜0.25 m3/s 時，閘門引水流量Q=0；當來水流量Q0＞10.25 m3/s 時，閘門引水流量Q=10 m3/s；當來水流量 0.25 m3/s＜Q0＜10.25 m3/s 時，過壩生態流量 q=0.25 m3/s，閘門引水流量Q=Q0-0.25。

其過程表現為典型非線性系統環節，數學描述見圖3。

圖3 引水流量調控的非線性數學描述

3.3 自動控制系統硬件構成

系統采用總線分布式控制模式，實現單孔閘門的遠程控制。系統采用計算機監控系統，包括工業控制計算機、工作計算機、服務器、集線器，通過以太網，實現各計算機之間的通訊。控制層由一臺PLC 可編程序控制器來完成，它負責引水流量、過壩生態流量數據的邏輯判別，輸出控制信號，指令引水閘電機的正轉、反轉，進而直接控制引水流量，間接實現過壩生態流量的工作要求。現場層保留原設備的手動操作啟閉機功能，做好安全應急，同時增設遠程接口控制電氣回路，繼電器、流量計、閘門限位開關等，接受PLC 可編程序控制器的動作。

直接采用流量計數據反饋于PLC 邏輯控制器中，進行引水閘電機正反轉控制，避免閘門前后水頭數據的重復計算。特別重要的是，河道水流量是一個長期動態變化量，同樣的閘門開度，因閘門前后水頭不同，水流壓力差不同，引水流量就不同。在PLC 可編程邏輯控制器上嵌入PID 調節器，使引水閘門電機正反轉更加穩定運行，增強抗干擾能力，消減控制誤差。

3.4 自動控制系統軟件構成

采用組態軟件，在工作計算機上進行組態設計。可直接與PLC 生產廠家定制，符合流量反饋控制電機正反轉的邏輯模塊，做好數據串口、數據存儲。對PLC 邏輯控制器中嵌入PID控制的方式，實現平穩控制。對工作計算機數據顯示，采用C 語言編輯數據采集管理程序，實時動態顯示。

根據工作要求，可自行匯編控制軟件。在豐水期，為避免汛期水量較大，引水隧洞內水流流量數據波動的影響，可以按照1 h 采集1 次流量數據，并反饋控制閘門啟閉1 min 的周期設計，保證從長期來看閘門是在動態調控著，從短期來看是周期1 h 的調控，減少電動機拖動、閘門啟閉磨損損耗，提高使用壽命。在枯水期，來水量相對穩定，可實時負反饋調控啟閉閘門。

4 對現狀生態基流的保障措施建議

在實際安裝控制器中，結合引水閘門、啟閉電機的功率，選擇傳感器要注意精度誤差，滿足工作需要。

在引水閘啟閉機上必須安裝有限位行程開關，避免因繼電器、或PLC 模塊出現問題，產生失控，造成閘門啟閉設備損毀，出現安全事故。

對引水閘門、啟閉電動機、過壩流量計、引水隧洞流量計、繼電器等，要做好維修保養，避免各設備作業出現故障。

5 結論

1）西安市引湑濟黑調水工程引水口，設計下泄生態基流為0.25 m3/s。現場工況具備條件，對引水閘啟閉進行自控化控制，能同時保障河道生態水流與引水水流的工作要求，即可實現一閘雙控水流的目標。

2）自動化控制主要采用PLC 可編程邏輯控制器進行，通過引水流量與來水流量的邏輯判斷，實現單回路負反饋控制，輸出信號直接控制引水閘電動機的正反轉，調節閘門開度進而調控引水流量與過壩生態流量。

3）安裝傳感器、流量計、PLC 邏輯控制器等硬件設備時注意參數選擇合理，軟件可自行匯編或購置成型軟件進行數據管理。在豐水期，為避免汛期水量較大，引水隧洞內水流流量數據波動的影響，可以按照1 h 采集1 次流量數據，并反饋控制閘門啟閉1 min 的周期采樣控制設計，減少電動機拖動、閘門啟閉磨損損耗，提高使用壽命。

4）西安市引湑濟黑調水工程是眾多中小型調水工程的一個典型代表，在類似調水工程的工況條件下，可采用相關自動控制技術，在滿足日常調水工作同時，保障引水口生態基流的生態環保要求。