關(guān)于引湑濟(jì)黑調(diào)水工程引水口生態(tài)基流的自動化調(diào)控研究

高 哲

（西安市引湑濟(jì)黑調(diào)水工程管理中心，陜西 西安 710077）

1 引湑濟(jì)黑調(diào)水工程簡介

西安市引湑濟(jì)黑工程是西安市行政區(qū)內(nèi)跨流域調(diào)水工程，作為西安市主要水源之一，列入2005 年國務(wù)院批準(zhǔn)的《西安市2004 年～2020 年城市總體規(guī)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(xiāng)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?dāng)嗝孀钚∠滦沽髁?.25 m3/s。

引湑濟(jì)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(nèi)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(fā)事件，進(jìn)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(jìn)水，防止閘前引水道泥沙淤積，設(shè)計在進(jìn)水閘旁鄰河側(cè)布置沖沙閘，及時清除閘前淤沙。

2 生態(tài)基流的保障措施及現(xiàn)狀問題

2.1 現(xiàn)狀生態(tài)基流的保障措施

引湑濟(jì)黑調(diào)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(tài)基流取水?dāng)嗝嬖O(shè)計最小下泄流量為0.25 m3/s。現(xiàn)狀生態(tài)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(guān)系來滿足進(jìn)水閘取水和生態(tài)基流的最小生態(tài)流量。當(dāng)下泄0.25 m3/s 時的沖沙閘前水頭與閘門開啟度相互關(guān)系見表1。

表1 沖沙閘前水頭與閘門開啟度相互關(guān)系

沖沙閘上游側(cè)布置有浮子水位計，用于監(jiān)測閘前水頭，以便提供閘前水頭數(shù)據(jù)供分析，進(jìn)而確定閘門開啟的高度，以便確保基本的生態(tài)基流；引水閘下游側(cè)10 m 位置引水隧洞內(nèi)安裝有明渠流量計，串口采用RS485。

2.2 生態(tài)基流保障措施的現(xiàn)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(tài)基流的溢流，生態(tài)基流的保障措施只能采用人工按鈕電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，啟閉設(shè)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(tài)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(tài)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(diào)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(tài)基流直接從溢流壩溢流下泄。雖能滿足下游生態(tài)基流，但是，人工調(diào)節(jié)引水流量相應(yīng)頻繁，人為按鈕繼電器控制電動機正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，拖動啟閉閘門，工作簡單重復(fù)量大，人力運行成本較高。

3 解決生態(tài)基流現(xiàn)狀問題的自控化控制研究論證

3.1 解決生態(tài)基流現(xiàn)狀問題的自動控制思路

針對引湑濟(jì)黑調(diào)水工程引水口的實際工況條件，結(jié)合當(dāng)前電氣工程及其自動化控制技術(shù)的成熟發(fā)展，考慮采用引水閘啟閉電機的自動化控制技術(shù)，對引水閘進(jìn)行常態(tài)化自動控制，精準(zhǔn)實現(xiàn)河水過溢流壩下泄生態(tài)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(tài)基流而引發(fā)的沖沙閘閘門堵塞、下泄生態(tài)流過大、人工頻繁操作等問題。

3.2 生態(tài)基流自動控制原理分析

引湑濟(jì)黑調(diào)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(shè)計引水量不應(yīng)超過10 m3/s；溢流壩址寬度28 m，按照20 年一遇洪水設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)，按照50 年一遇洪水進(jìn)行設(shè)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(jì)黑調(diào)水工程引水口工況示意圖

根據(jù)《西安市引湑濟(jì)黑工程水資源論證報告書》中引水指標(biāo)要求，按照引水隧洞的最小斷面過流能力，設(shè)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(yīng)切割一定下泄流量作為下游生態(tài)用水，即當(dāng)設(shè)計取水?dāng)嗝鎭硭髁縌0小于0.25 m3/s 時不引水；當(dāng)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(dāng)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(tài)流量 q。其中 Q=BHV；q=bhv。Q 為引水隧洞的調(diào)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(biāo)準(zhǔn)斷面，水流水深H 與流速V 之間成相應(yīng)關(guān)系，可以實踐測出水位流量曲線圖?？梢圆捎昧魉賰x、水位計直接將流量Q 測出，顯示出流量數(shù)據(jù)。

在沖沙閘常態(tài)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(tài)調(diào)節(jié)引水流量和過壩生態(tài)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(tài)流量q 的實時動態(tài)數(shù)據(jù)。

根據(jù)自動化技術(shù)知識，采用PID 調(diào)節(jié)器啟閉控制閘門，構(gòu)建引水閘門啟閉的自動控制原理圖，屬于單回路負(fù)反饋控制，見圖2。

圖2 自動啟閉引水閘保證生態(tài)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(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判別。由PID 調(diào)節(jié)器對引水閘啟閉機自動化控制，電機正傳、反轉(zhuǎn)動態(tài)啟閉閘門（設(shè)定電機正轉(zhuǎn)為開啟引水閘門、電機反轉(zhuǎn)為關(guān)閉引水閘門），實現(xiàn)引水流量Q 和過壩生態(tài)水流q 數(shù)據(jù)滿足引水原則。同時，設(shè)定好引水閘門的上、下限位安全行程，即可實現(xiàn)無人值守功能。

根據(jù)引水原則，采用PLC 可編程邏輯控制器，對流量數(shù)據(jù)邏輯判別：當(dāng)來水流量Q0＜0.25 m3/s 時，閘門引水流量Q=0；當(dāng)來水流量Q0＞10.25 m3/s 時，閘門引水流量Q=10 m3/s；當(dāng)來水流量 0.25 m3/s＜Q0＜10.25 m3/s 時，過壩生態(tài)流量 q=0.25 m3/s，閘門引水流量Q=Q0-0.25。

其過程表現(xiàn)為典型非線性系統(tǒng)環(huán)節(jié)，數(shù)學(xué)描述見圖3。

圖3 引水流量調(diào)控的非線性數(shù)學(xué)描述

3.3 自動控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)采用總線分布式控制模式，實現(xiàn)單孔閘門的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)，包括工業(yè)控制計算機、工作計算機、服務(wù)器、集線器，通過以太網(wǎng)，實現(xiàn)各計算機之間的通訊?？刂茖佑梢慌_PLC 可編程序控制器來完成，它負(fù)責(zé)引水流量、過壩生態(tài)流量數(shù)據(jù)的邏輯判別，輸出控制信號，指令引水閘電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，進(jìn)而直接控制引水流量，間接實現(xiàn)過壩生態(tài)流量的工作要求?，F(xiàn)場層保留原設(shè)備的手動操作啟閉機功能，做好安全應(yīng)急，同時增設(shè)遠(yuǎn)程接口控制電氣回路，繼電器、流量計、閘門限位開關(guān)等，接受PLC 可編程序控制器的動作。

直接采用流量計數(shù)據(jù)反饋于PLC 邏輯控制器中，進(jìn)行引水閘電機正反轉(zhuǎn)控制，避免閘門前后水頭數(shù)據(jù)的重復(fù)計算。特別重要的是，河道水流量是一個長期動態(tài)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(diào)節(jié)器，使引水閘門電機正反轉(zhuǎn)更加穩(wěn)定運行，增強抗干擾能力，消減控制誤差。

3.4 自動控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成

采用組態(tài)軟件，在工作計算機上進(jìn)行組態(tài)設(shè)計。可直接與PLC 生產(chǎn)廠家定制，符合流量反饋控制電機正反轉(zhuǎn)的邏輯模塊，做好數(shù)據(jù)串口、數(shù)據(jù)存儲。對PLC 邏輯控制器中嵌入PID控制的方式，實現(xiàn)平穩(wěn)控制。對工作計算機數(shù)據(jù)顯示，采用C 語言編輯數(shù)據(jù)采集管理程序，實時動態(tài)顯示。

根據(jù)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(nèi)水流流量數(shù)據(jù)波動的影響，可以按照1 h 采集1 次流量數(shù)據(jù)，并反饋控制閘門啟閉1 min 的周期設(shè)計，保證從長期來看閘門是在動態(tài)調(diào)控著，從短期來看是周期1 h 的調(diào)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(wěn)定，可實時負(fù)反饋調(diào)控啟閉閘門。

4 對現(xiàn)狀生態(tài)基流的保障措施建議

在實際安裝控制器中，結(jié)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(guān)，避免因繼電器、或PLC 模塊出現(xiàn)問題，產(chǎn)生失控，造成閘門啟閉設(shè)備損毀，出現(xiàn)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(yǎng)，避免各設(shè)備作業(yè)出現(xiàn)故障。

5 結(jié)論

1）西安市引湑濟(jì)黑調(diào)水工程引水口，設(shè)計下泄生態(tài)基流為0.25 m3/s。現(xiàn)場工況具備條件，對引水閘啟閉進(jìn)行自控化控制，能同時保障河道生態(tài)水流與引水水流的工作要求，即可實現(xiàn)一閘雙控水流的目標(biāo)。

2）自動化控制主要采用PLC 可編程邏輯控制器進(jìn)行，通過引水流量與來水流量的邏輯判斷，實現(xiàn)單回路負(fù)反饋控制，輸出信號直接控制引水閘電動機的正反轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)閘門開度進(jìn)而調(diào)控引水流量與過壩生態(tài)流量。

3）安裝傳感器、流量計、PLC 邏輯控制器等硬件設(shè)備時注意參數(shù)選擇合理，軟件可自行匯編或購置成型軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。在豐水期，為避免汛期水量較大，引水隧洞內(nèi)水流流量數(shù)據(jù)波動的影響，可以按照1 h 采集1 次流量數(shù)據(jù)，并反饋控制閘門啟閉1 min 的周期采樣控制設(shè)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(jì)黑調(diào)水工程是眾多中小型調(diào)水工程的一個典型代表，在類似調(diào)水工程的工況條件下，可采用相關(guān)自動控制技術(shù)，在滿足日常調(diào)水工作同時，保障引水口生態(tài)基流的生態(tài)環(huán)保要求。