定流量調(diào)度時(shí)三河閘開(kāi)高確定方法研究

張友明，霍中元，王莉莉，馬維達(dá)

(江蘇省洪澤湖水利工程管理處， 江蘇 淮安 223100)

目前，三河閘是按上游水位查H上-e-Q(閘上水位-閘門(mén)開(kāi)高-流量，下同)曲線確定閘門(mén)開(kāi)高的。然后，通過(guò)測(cè)流對(duì)開(kāi)高進(jìn)行調(diào)整。這種控制方式存在如下問(wèn)題：H上-e-Q流量曲線主要考慮淹沒(méi)孔流工況，不能代表其他工況；上游水位預(yù)降值只是人工經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值。這些問(wèn)題影響三河閘流量控制的精度。

王洪祥[1]、楚恩國(guó)[2]、霍中元[3]、趙德友[4]等對(duì)三河閘流量測(cè)驗(yàn)方法、流量曲線率定等問(wèn)題進(jìn)行過(guò)研究，未涉及開(kāi)高確定方法。

本文結(jié)合三河閘60多年的控制運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)繪制三河閘流量差-預(yù)降上游水位變幅值曲線和三河閘(中渡)流量-水位關(guān)系曲線，提出了定流量調(diào)度時(shí)閘門(mén)開(kāi)高的計(jì)算方法，并用2016的年測(cè)流數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度復(fù)核。

1 工程概況

三河閘位于江蘇省淮安市境內(nèi)、洪澤湖東南角，是淮河入江水道的控制口門(mén)，為流域性骨干防洪工程之一。該閘于1952年10月開(kāi)工，1953年7月建成，共63孔，單孔凈寬10 m，閘室總寬697.75 m，原設(shè)計(jì)流量8 000 m3/s。1968年實(shí)施提高防洪標(biāo)準(zhǔn)加固工程后，三河閘的設(shè)計(jì)流量增加到12 000 m3/s。三河閘工程建成以來(lái)，運(yùn)行頻繁，年均泄洪近2×1010m3，發(fā)揮了巨大的防洪、排澇、蓄水等綜合效益[5-9]。三河閘設(shè)置上游水位站(距離閘身228 m，上游左岸)和下游水位站(距離閘身1 200 m，淮河入江水道中渡站，下游左岸)。洪澤湖水系見(jiàn)圖1，三河閘工程設(shè)計(jì)水位組合見(jiàn)表1。(水位數(shù)據(jù)均為廢黃河高程，下同)

圖1 洪澤湖水系圖

三河閘在洪澤湖蔣壩水位14.5 m以下時(shí)，由江蘇省防汛防旱主管部門(mén)統(tǒng)一調(diào)度。根據(jù)淮河上中游水雨情和未來(lái)天氣趨勢(shì)，確定三河閘泄流流量。根據(jù)主管部門(mén)要求[10]和三河閘工程技術(shù)管理細(xì)則，當(dāng)流量小于800 m3/s時(shí)，應(yīng)在0.5 h內(nèi)完成閘門(mén)首次開(kāi)高調(diào)節(jié)；大于800 m3/s時(shí)，應(yīng)在2 h內(nèi)完成閘門(mén)首次開(kāi)高調(diào)節(jié)；300 m3/s流量以下允許誤差±15%，300 m3/s以上允許誤差±5%。當(dāng)閘門(mén)首次開(kāi)高調(diào)整完成但流量未達(dá)到精度要求時(shí)，需根據(jù)實(shí)測(cè)流量進(jìn)行開(kāi)高修正。

2 流量曲線率定

2.1 曲線率定成果

三河閘現(xiàn)在使用的H上-e-Q關(guān)系曲線僅依據(jù)閘上游水位和閘門(mén)開(kāi)高確定過(guò)閘流量，沒(méi)有考慮下游水位，適用范圍有限。此外，1996年至2016年間，淮河入江水道經(jīng)歷過(guò)整治，行洪能力有所提高，1997年繪制的流量曲線存在較大誤差。

為適應(yīng)精準(zhǔn)調(diào)度的要求，依據(jù)2004年—2016年流量實(shí)測(cè)資料，對(duì)流量曲線進(jìn)行率定。采用規(guī)范[11]的出流公式為：

淹沒(méi)堰流：Q=CcBh下αΔZβ

(1)

淹沒(méi)孔流：Q=McBeαΔZβ

(2)

式中：Q為流量，m3/s；B為凈寬,m；h下為下游水深，m；Cc、Mc為流量系數(shù)；e為閘門(mén)開(kāi)高，m；ΔZ為上下游水位差,m。

利用2004年—2016年的三河閘實(shí)測(cè)資料擬合各系數(shù)，得：

淹沒(méi)堰流：Q=2.22Bh下1.265ΔZ0.37

(3)

淹沒(méi)孔流：Q=3.70Be1.10ΔZ0.50

(4)

式(3)對(duì)應(yīng)的淹沒(méi)堰流(ΔZ-h下-Q)曲線如圖2，式(4)對(duì)應(yīng)的淹沒(méi)孔流(ΔZ-e-Q)曲線見(jiàn)圖3。

圖2三河閘淹沒(méi)堰流(ΔZ-h下-Q)關(guān)系曲線

需要說(shuō)明的是：淮河洪水經(jīng)洪澤湖調(diào)蓄進(jìn)入三河閘時(shí)，存在偏流現(xiàn)象[12]。2010年7月觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，三河閘左岸水位高于右岸水位，3 000 m3/s時(shí)，水位差3 cm～5 cm，4 000 m3/s時(shí)水位差4 cm～7 cm。因三河閘上游水位站位于左岸，故采集的水深高于該斷面平均水深。

圖3三河閘淹沒(méi)孔流(ΔZ-e-Q)關(guān)系曲線

2.2 孔流與堰流過(guò)渡的處理

舉例說(shuō)明：2006年7月13日9∶54，三河閘上游水位12.58 m，下游水位12.14 m，閘門(mén)開(kāi)高3.45 m，e/H=0.68，實(shí)測(cè)流量5 630 m3/s，按照淹沒(méi)堰流公式(3)計(jì)算流量7 190 m3/s，按照淹沒(méi)孔流公式(4)計(jì)算6 040 m3/s。

3 上下游水位變幅值與調(diào)度流量關(guān)系曲線研究

3.1 調(diào)度曲線繪制

三河閘的調(diào)度流量是指穩(wěn)定后的泄洪流量，實(shí)際調(diào)控閘門(mén)開(kāi)高時(shí)，需要預(yù)估上游、下游水位的變幅值。運(yùn)行實(shí)踐表明，上游水位穩(wěn)定時(shí)間較短(10 min左右)，下游水位穩(wěn)定時(shí)間往往需要1 d～2 d時(shí)間，大流量行洪所需的時(shí)間更長(zhǎng)。現(xiàn)利用2004年—2016年的三河閘實(shí)測(cè)資料，經(jīng)過(guò)多因子分析(參見(jiàn)3.2)，根據(jù)三河閘長(zhǎng)期調(diào)度實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建立調(diào)度前后上游的水位變幅值和調(diào)度流量差相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)圖5，曲線適用于上游水位12.5 m～13.5 m時(shí)典型工況(12.5 m為洪澤湖汛限水位，即起調(diào)水位，13.5 m為警戒水位)。 根據(jù)歷年水文資料，建立穩(wěn)定后的淮河入江水道三河閘(中渡站)流量和水位關(guān)系曲線，見(jiàn)圖6。

圖5三河閘調(diào)度流量差-上游水位變幅值關(guān)系曲線

圖6淮河入江水道三河閘(中渡)流量-水位關(guān)系曲線

3.2 討論

影響上游水位變化的因素很多，比如洪澤湖入湖、出湖流量的變化，風(fēng)力風(fēng)向、潮汐的作用等[14-16]。三河閘多年的運(yùn)行實(shí)踐表明，三河閘運(yùn)行期間上游水位一般在12.5 m～13.5 m之間，變幅值較小，洪澤湖入湖流量與出湖流量相當(dāng)。三河閘在調(diào)度過(guò)程中上游水位變幅值主要考慮與上游起始水位、流量變化值相關(guān)。

三河閘(中渡)站屬于河道站，位于淮河入江水道的上游，影響水位的變化主要有三河閘調(diào)度流量的變化，河槽的沖刷和淤積，風(fēng)力風(fēng)向、潮汐的作用等。60多年的測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明三河閘(中渡)流量-水位關(guān)系曲線(見(jiàn)圖6)相對(duì)穩(wěn)定。

4 應(yīng)用效果檢驗(yàn)

4.1 開(kāi)高查詢方法

根據(jù)公式(4)得出：

e=(Q/(3.70B*ΔZ0.50))0.909

(5)

一般情況下，按照63孔閘門(mén)全部開(kāi)啟計(jì)算開(kāi)高，令B=630 m，得出：

e=(Q/(2331*ΔZ0.50))0.909

(6)

方法原理為：首先根據(jù)主管部門(mén)的調(diào)度流量，利用中渡水位-流量關(guān)系曲線可以查出穩(wěn)定后的中渡水位H下，然后根據(jù)ΔQ(流量差，指調(diào)度流量與現(xiàn)狀流量差值)可以查出穩(wěn)定后的上游水位H上，從而計(jì)算出水位差ΔZ，進(jìn)而計(jì)算出閘門(mén)開(kāi)高e。

操作程序?yàn)椋?1) 接到三河閘開(kāi)閘調(diào)度指令后，工程管理單位根據(jù)實(shí)時(shí)水情(上游水位、下游水位、泄洪流量)查詢圖5、圖6，得出流量穩(wěn)定后上游水位可能預(yù)降的變幅值和下游水位可能上升到的水位；(2) 計(jì)算出上、下游水位差ΔZ，進(jìn)而判別泄流流態(tài)，考慮安全始流因素，根據(jù)公式(6)，可計(jì)算閘孔開(kāi)高；(3) 按照規(guī)定的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行開(kāi)閘操作，一般經(jīng)過(guò)3 h～4 h以后，根據(jù)穩(wěn)定水位，采用水工建筑物測(cè)流法，或ADCP法，計(jì)算實(shí)測(cè)流量，進(jìn)行誤差計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，確定是否需要調(diào)整閘門(mén)開(kāi)高；(4) 每次閘門(mén)開(kāi)高變化，均需發(fā)送水情電報(bào)。

需要說(shuō)明的是，三河閘采用弧形鋼閘門(mén)，實(shí)際調(diào)度時(shí)存在垂直開(kāi)高和弧形開(kāi)高的換算關(guān)系。閘門(mén)調(diào)度取用垂直開(kāi)高。換算公式：

e=H-Rcos(arccosH/R+X×180°/π)

(7)

式中：e為閘門(mén)垂直開(kāi)啟高度，m；H為閘門(mén)支鉸座中心至閘底板距離，4.2m；R為閘門(mén)弧形半徑，6.5m；X為弧長(zhǎng)(鋼絲繩上升長(zhǎng)度)，m。

4.2 精度復(fù)核

根據(jù)公式(3)、公式(4)對(duì)2016年的實(shí)測(cè)流量進(jìn)行檢驗(yàn)，見(jiàn)表2。從表2中可以看出，淹沒(méi)孔流所有測(cè)次誤差百分率在10%以內(nèi)達(dá)到100%，誤差5%以內(nèi)達(dá)到85.7%。淹沒(méi)堰流所有測(cè)次誤差百分率在10%以內(nèi)達(dá)到100%，誤差5%以內(nèi)達(dá)到80.0%；最大誤差5.74%，接近允許誤差±5%。由此可見(jiàn)，利用新的流量關(guān)系曲線推流，成果是可靠的，推流曲線是合理的。

表2 三河閘2016年實(shí)測(cè)流量成果校核表

5 結(jié) 語(yǔ)

三河閘定流量調(diào)度指令執(zhí)行過(guò)程，不同于水文流量測(cè)驗(yàn)過(guò)程，最重要的任務(wù)是確定閘門(mén)開(kāi)高。本文針對(duì)三河閘工程目前調(diào)度存在的不足，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)率定了流量曲線，補(bǔ)充繪制了三河閘調(diào)度流量差-上游水位變幅值關(guān)系曲線和淮河入江水道三河閘(中渡)流量-水位關(guān)系曲線，可計(jì)算出上下游水位差，用于定流量調(diào)度時(shí)三河閘閘門(mén)開(kāi)高確定。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，該方法可靠性較高，可用于三河閘精準(zhǔn)控制。由于歷史數(shù)據(jù)有限和水文情況的復(fù)雜性，該方法需針對(duì)不同水情進(jìn)一步積累資料，對(duì)不同水位和調(diào)度流量情況下三河閘上游水位變幅值進(jìn)行分析研究。