新疆北屯灌區(qū)信息化更新改造后流量率定分析

蔡新雁,徐阿通

(1.新疆阿勒泰地區(qū)水利管理處，新疆 阿勒泰 836500； 2.新疆阿勒泰地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆 阿勒泰 836500)

1 概 述

阿勒泰地區(qū)北屯灌區(qū)位于阿勒泰地區(qū)中部、烏倫古河和額爾齊斯河谷地，灌區(qū)由永久性攔河樞紐引水，引水流量為60 m3/s，輸配水工程為36 km的總干渠，分別向北屯市183團(tuán)電站、183團(tuán)片區(qū)北干渠分水，余水注入阿克達(dá)拉水庫(kù)[1]。水庫(kù)下游分設(shè)中線(xiàn)干渠和南干渠，分別為福?？h闊克阿尕什鄉(xiāng)片區(qū)、阿爾達(dá)鄉(xiāng)片區(qū)、2817片區(qū)和地區(qū)一農(nóng)場(chǎng)片區(qū)提供灌溉用水。

該灌區(qū)2018年灌溉面積為2.699×104hm2，其中種植業(yè)面積為1.718×104hm2，畜牧業(yè)飼草料基地種植面積0.859×104hm2，灌區(qū)內(nèi)林網(wǎng)種植面積0.121×104hm2。灌區(qū)總干渠引水龍口年均引水總量約4.5×108m3，其中發(fā)電引水流量約2.5×108m3，灌溉用水總量約2.0×108m3，年際變化不大。2018年灌溉總用水量約1.89×108m3。

2 北屯灌區(qū)信息化建設(shè)內(nèi)容

2012-2014年期間，北屯灌區(qū)信息化工程建設(shè)共完成以下內(nèi)容：1個(gè)調(diào)度監(jiān)控中心、4個(gè)調(diào)度監(jiān)控分中心、35個(gè)渠道配水點(diǎn)水情監(jiān)測(cè)、35個(gè)渠道視頻監(jiān)控、4套渠道閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)建設(shè)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施改造建設(shè)、視頻監(jiān)控軟件部分完成信息采集軟件、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)之工情庫(kù)和水文庫(kù)、數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理與維護(hù)系統(tǒng)建設(shè)。

3 北屯灌區(qū)信息化對(duì)閘控系統(tǒng)的更新改造

3.1 閘控系統(tǒng)更新改造需求分析

因北屯灌區(qū)信息化系統(tǒng)涉及許多不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從采集、校核、入庫(kù)，需要經(jīng)過(guò)多重工序，所以其數(shù)據(jù)的可靠性和精確度必須保證。但在運(yùn)行過(guò)程中，部分閘門(mén)的閘位計(jì)顯示的開(kāi)度和閘門(mén)的實(shí)際開(kāi)度有誤差，部分雷達(dá)水位計(jì)測(cè)得的水位和實(shí)際的水位也有較大誤差，使得后期無(wú)法開(kāi)展數(shù)據(jù)分析工作，因此急需解決數(shù)據(jù)精確度低的問(wèn)題。

3.2 閘控系統(tǒng)更新改造內(nèi)容

2017-2018年，北屯灌區(qū)管理處對(duì)灌區(qū)信息化的硬件設(shè)施和信息化系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。

一總干渠引水樞紐渠首主要硬件建設(shè)內(nèi)容為：①在閘前閘后增加水位傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水閘前后水位，將水位信息傳輸?shù)焦芾砥脚_(tái)上，便于系統(tǒng)軟件計(jì)算水量。②對(duì)進(jìn)閘門(mén)控制系統(tǒng)的線(xiàn)路進(jìn)行檢查和改造，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，便于遠(yuǎn)程控制。③對(duì)PLC控制程序進(jìn)行修改，使其控制邏輯更加合理。④將各閘門(mén)PLC控制系統(tǒng)統(tǒng)一整合到北屯灌區(qū)管理處信息管理平臺(tái)上進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)和控制。⑤閘門(mén)安裝閘門(mén)標(biāo)尺。

一分水閘控系統(tǒng)、二分水閘控系統(tǒng)、 民族新村進(jìn)水閘閘控系統(tǒng)、阿克達(dá)拉水庫(kù)分水閘閘控系統(tǒng)主要硬件建設(shè)內(nèi)容為：①對(duì)現(xiàn)有閘位計(jì)進(jìn)行更換，對(duì)于螺桿啟閉機(jī)控制的閘門(mén)，更換為穩(wěn)定可靠的自收攬閘位計(jì)。②增加限位開(kāi)關(guān)，上限位和下限位各安裝2套限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行雙重保護(hù)，確保閘門(mén)遠(yuǎn)程控制安全可靠。③對(duì)當(dāng)前閘門(mén)控制柜線(xiàn)路進(jìn)行檢查和改造。④對(duì)PLC控制程序進(jìn)行修改，完善控制和保護(hù)措施。⑤各閘門(mén)PLC控制系統(tǒng)整合到北屯灌區(qū)管理處信息管理平臺(tái)上進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)和控制。⑥閘門(mén)安裝閘門(mén)標(biāo)尺。

4 閘門(mén)控制系統(tǒng)流量系數(shù)率定

北屯灌區(qū)信息化平臺(tái)建設(shè)后，閘門(mén)控制系統(tǒng)的應(yīng)用已趨于完善，灌區(qū)管理處值守人員可通過(guò)遠(yuǎn)程操作，啟閉閘門(mén)達(dá)到精確分水的目的，并可通過(guò)實(shí)時(shí)視頻人工復(fù)核上下游水位。為了達(dá)到精確分水控制，在閘門(mén)控制系統(tǒng)改建時(shí)重新對(duì)流量系數(shù)進(jìn)行了率定。

4.1 率定方法

為驗(yàn)證閘門(mén)控制系統(tǒng)中選用的流量測(cè)定公式是否符合實(shí)際，特利用走航式ADCP實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)對(duì)灌區(qū)內(nèi)閘門(mén)控制系統(tǒng)采集的閘門(mén)前后水位、閘門(mén)開(kāi)度、采集時(shí)間等計(jì)算的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并選取4組經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，最終校核閘門(mén)控制系統(tǒng)中流量率定公式的準(zhǔn)確性。

率定時(shí)以一分水電站進(jìn)水閘為例，共取5 h的閘控測(cè)報(bào)系統(tǒng)每10 min測(cè)報(bào)的流量作為基礎(chǔ)采集數(shù)據(jù)，采集得到閘門(mén)前后水位、閘門(mén)開(kāi)度、采集時(shí)間等數(shù)據(jù)，共計(jì)37組。首先將采集數(shù)據(jù)按照各水力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算成果與閘控系統(tǒng)選定閘門(mén)流量計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證閘控系統(tǒng)計(jì)算流量公式精確性?，F(xiàn)場(chǎng)率定時(shí)取閘后30 m渠道斷面采用走航式ADCP自一岸拖行至另一岸，測(cè)量時(shí)段共5 h，每隔1 h測(cè)量一次渠道實(shí)時(shí)流量，測(cè)得5個(gè)閘門(mén)分水流量。然后將ADCP測(cè)量渠道實(shí)際斷面流量與閘控系統(tǒng)測(cè)報(bào)成果對(duì)比，校驗(yàn)閘控系統(tǒng)測(cè)量流量與實(shí)際測(cè)量成果對(duì)比，驗(yàn)證閘控系統(tǒng)實(shí)地測(cè)量的準(zhǔn)確性。見(jiàn)表1。

表1 閘門(mén)控制系統(tǒng)測(cè)流成果表

續(xù)表1

4.2 閘控系統(tǒng)測(cè)報(bào)公式

北屯灌區(qū)各分水閘均為平板閘門(mén)，無(wú)底坎，閘孔過(guò)流流量計(jì)算公式為：

(1)

式中：σs為淹沒(méi)系數(shù)，自由出流時(shí)為1；μ為流量系數(shù)；b為閘孔寬度；e為閘孔開(kāi)度；H0為作用總水頭，H0為作用水頭H與行進(jìn)流速水頭之和。

目前，應(yīng)用于平板閘門(mén)流量系數(shù)計(jì)算常用的經(jīng)驗(yàn)公式主要有直線(xiàn)式(2)(南京水利科學(xué)研究所)、曲線(xiàn)式(3)和薛朝陽(yáng)經(jīng)驗(yàn)公式(4)[2]：

(2)

(3)

(4)

(5)

通過(guò)測(cè)量成果，按照各種經(jīng)驗(yàn)公式(5)計(jì)算閘門(mén)過(guò)流能力。見(jiàn)表2及圖1。

表2 率定流量系數(shù)對(duì)比表

圖1 流量系數(shù)偏差對(duì)比圖

通過(guò)對(duì)比，閘控系統(tǒng)選擇的計(jì)算公式與其他水力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比，閘門(mén)控制系統(tǒng)計(jì)算公式成果偏差率與平均偏差率較接近，所以閘控系統(tǒng)流量計(jì)算公式較精確。

4.3 閘控系統(tǒng)驗(yàn)證成果

將閘門(mén)測(cè)控系統(tǒng)5 h測(cè)報(bào)時(shí)段每個(gè)小時(shí)測(cè)量的各數(shù)據(jù)平均得到5組數(shù)據(jù)，并與ADCP實(shí)際測(cè)量成果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

通過(guò)實(shí)測(cè)流量與測(cè)報(bào)流量進(jìn)行對(duì)比，從表3可看出實(shí)測(cè)流量與測(cè)報(bào)流量結(jié)果較為接近，說(shuō)明閘門(mén)測(cè)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中測(cè)量精度滿(mǎn)足要求。

表3 閘控系統(tǒng)測(cè)報(bào)與實(shí)測(cè)流量對(duì)比表

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以北屯灌區(qū)閘控系統(tǒng)作為研究對(duì)象，對(duì)其信息化早期建設(shè)內(nèi)容進(jìn)行了闡述。分析其早期建設(shè)存在的問(wèn)題：部分閘門(mén)的閘位計(jì)顯示的開(kāi)度和閘門(mén)的實(shí)際開(kāi)度有誤差、部分雷達(dá)水位計(jì)測(cè)得的水位和實(shí)際的水位也有較大誤差。對(duì)灌區(qū)信息化更新改造內(nèi)容進(jìn)行闡述，并對(duì)其改造后的閘門(mén)控制系統(tǒng)流量系數(shù)進(jìn)行校核，用走航式ADCP實(shí)測(cè)的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行多公式計(jì)算，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，得出閘控系統(tǒng)流量系數(shù)較為精確的結(jié)論。