節(jié)制閘水頭開度和過閘流量動態(tài)特性分析與應用

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、閘門相對開度的關系，建立數(shù)學模型。使用結果表明，根據(jù)實測流量資料建立的水位、開度、流量關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計算是結合工程實際，在傳統(tǒng)水力學方法的基礎上對經(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、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構，不斷自動完善回歸關系，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)驗公式計算出對應的流量系數(shù)，建立與，的擬合曲線，通過擬合結果建立模型。然后，根據(jù)所建立的模型及的值計算相應的，可以計算出節(jié)制閘相應的過閘流量。

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，?？紤]到在實際應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構，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，設計水位62.840m，加大水位63.09m，預警水位63.19m?？紤]到中線工程尚處于初期運行階段，輸水流量較設計流量偏小許多，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，由擬合結果建立的模型計算過閘流量。

3.1 閘門相對開度～流量關系方程的直接擬合

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。結算結果表明，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上進行進一步的分析論證。

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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。