三河閘流量精準控制的做法與思考

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，是控制和調節洪澤湖下泄流量，確保入江水道及里下河地區防洪安全的重要水工建筑物，發揮著控制洪水、蓄水灌溉、便利航運和發展水產等綜合效益。

三河閘工程閘身為鋼筋混凝土結構，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，閘門為鋼結構弧形門。三河閘按洪澤湖水位16.00 m 設計、17.00 m 校核，原設計流量為8 000 m3/s，加固后的三河閘設計行洪能力提高到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，三河閘累計安全行洪72 d，其中閘門提出水面泄洪40 d，泄洪量達315億m3，最大實測流量7 970 m3，閘門調整25次，測流91次。

1 三河閘調度運行流程

1.1 調度原則

根據《國家防汛防旱總指揮部關于淮河洪水調度方案的批復》(國汛〔2016〕14號)，在蔣壩水位低于高程14.5 m時，洪澤湖(三河閘)的調度運行由江蘇省水旱災害防御調度指揮中心負責；蔣壩水位達到或超過高程14.5 m時，洪澤湖(三河閘)的調度運行由淮河防汛抗旱總指揮部商請有關省提出意見，報國家防汛抗旱總指揮部決定。

1.2 調度流程

值班當班人員接到上級主管部門的調度指令后，應按照指令詳細記錄內容，并口述復核調度流量、執行時間等重要參數。閘門運行人員在運行前根據三河閘上下游實時水位，查詢 “三河閘水位-閘門開啟高度-流量關系曲線”，確定開啟孔數及閘門開啟高度，再按照“三河閘上下游水位-安全流量關系曲線”分次開啟到擬定開啟高度，待上下游水位穩定后核對流量符合性，必要時調整閘門開啟高度。實測流量與調度流量對比，當流量大于300 m3/s時，誤差不超過5%；當流量小于等于300 m3/s時，誤差不超過15%。三河閘工程控制運行流程見圖1。

圖1 三河閘工程控制運用流程

2 誤差來源分析

三河閘目前調度方式為定流量調度，管理所根據調度指令要求的流量，調整閘門開啟的孔數及開啟高度，完成調度任務。這里調整閘門開啟的孔數和開啟高度，就需要根據三河閘上游水位查詢水位流量關系曲線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，初次調整完成后，由水文工作人員進行流量測驗，然后通過對比實測流量與調度流量，并結合上游水位變化趨勢，再決定是否需要對開啟高度進行調整。可以看出整個流量調度過程中最重要的步驟就是查水位流量關系曲線以及通過流量測驗確定實際流量。下文將從這兩方面逐一分析其中可能存在的誤差。

2.1 水位流量關系曲線

三河閘現在使用的水位流量關系曲線H上-e-Q是依據多年流量實測資料，采用以下公式進行率定：

(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；σ為淹沒系數。

在調度使用中，工作人員查看三河閘上游水位，根據調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系曲線的率定及使用過程中，B、e、h對曲線的精度起到至關重要的作用[1]。

2.2 水文流量測驗

三河閘流量測驗采用駐測方式，一般采用的測流方法為ADCP法[2]，備用的測流方法為流速儀法。鑒于ADCP測流的便利性和時效性，現在ADCP測流較為普遍，2020年三河閘全年也都是采用ADCP測流，所以本文討論ADCP法測流誤差。

ADCP法測流過程中出現的誤差主要可以分為儀器誤差、水流影響誤差和測驗方法誤差。ADCP在測流中，儀器盲區、入水深等特性會造成一些誤差，另外ADCP內置羅經磁偏角誤差對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。在實際測量中，水流中的含沙量、水流的流態以及流速等，都會對流量測驗結果有所影響，這部分誤差只有通過選擇合適的測流時間及測流斷面來相對減小而無法避免。測驗方法的誤差就是實際工作中需要注意的一些事項，通過規范的測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

三河閘設計單孔凈寬10 m、總凈寬630 m，執行調度指令時均按照此寬度計算流量。由于施工誤差和水流沖刷等因素的影響，實際單閘孔凈寬和總凈寬均與設計值存在一定的誤差。為了解實際閘孔寬度與設計寬度的誤差，三河閘對部分閘門寬度進行抽測，結果發現最大誤差為2.3 cm，且大部分閘門寬度誤差小于1.0 cm，與設計寬度基本相符，綜合誤差小于2‰。經過實際測量，對閘門總凈寬有了更精確的了解，為精準調度提供準確的數據支撐。

3.2 閘門開高誤差

三河閘閘門的開啟高度通過自動控制系統軟件控制，開啟高度數值以現地PLC柜和中控室控制主機軟件數值為準，同時可以通過開啟高度標尺粗略讀取。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系見圖2。設閘門底從A點開啟到A′，垂直開啟高度為e，根據幾何關系可得開啟高度計算公式為

(3)

式中：R為弧形閘門臂長，φ為關閘時閘門底至弧心連線與底板水平線之間夾角，α為弧形閘門移動的角度。

三河閘自動控制軟件中，閘門垂直開啟高度與弧高是通過一次多項式模擬的線性關系，且為考慮閘門關閉狀態下開啟時啟閉機鋼絲繩的余量及拉伸量，存在一定的誤差。經過現場試驗，控制軟件中開啟高度達到3.5 cm時，閘門才真正調離底板泄洪。通過實測多孔閘門開啟高度與閘位計開啟高度對比發現，實測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，更新閘門控制系統軟件中閘門弧高與垂高關系曲線，同時考慮閘門關閉狀態下開啟時啟閉機鋼絲繩拉伸量，得到控制軟件中閘門開高的修正值，數據如表1所示。由數據可見，修正后控制軟件中開高與閘門實測開高精度明顯提高，除閘門大開度狀態(此時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，滿足精準調度的要求。

表1 三河閘5#閘門開高實測與閘位計數值對比

3.3 水位誤差

三河閘上下游水位均采用WDC31型浮子式水位計觀測，安裝的浮子式水位計進行過嚴格的比測，比測合格后，方可正式使用。在之后的使用過程中，三河閘水文站按照測站任務書要求，每月定期對自記水位計進行檢查，記錄自記值并與校核水位進行對照，若差值超過0.02 m時，則對自記儀器進行校正，并根據實際情況對有差錯的自記數據進行訂正。每月校核不少于3次，校核間隔時間要基本一致。在三河閘開閘期間，增加水位計校正次數，確保水位計數值與真實水位誤差不超過1 cm。

3.4 流量測驗誤差

在實際的流量測驗工作中，很多誤差無法控制，如水流流態造成的誤差，水流中含沙量對測驗結果的影響等，能做到的就是規范測驗過程，總結測驗結果，優化測驗方案。三河閘水文站根據相關規范制定了《三河閘(中渡)水文站流量測驗作業指導書》，指導書中列明了三河閘流量測驗流程、技術要求及安全措施。按照此指導書進行流量測驗可以避免很多人為控制過程中的誤差。

4 結 語

三河閘在流量精準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，三河閘調度查線中的水位，是指三河閘閘門啟閉后水位流量穩定時的水位，但是在完成調度之前并不能準確知道這個穩定水位是多少，只能根據以往的經驗預估啟閉后水位大概能到多少，這個預估水位很難達到準確；另外，三河閘上游水位也不是穩定的，受風力風向、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變幅達到30 cm，從而對三河閘的流量也有較大影響。

水利工程流量的精準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地控制流量。本文也從水位流量關系曲線和流量測驗的角度，簡要分析了三河閘精準控制的一些做法，同時也提出了一些較難控制的問題，今后還將繼續執行更加規范的操作，確保流量監測的精準控制。