新疆北屯灌区信息化更新改造后流量率定分析

蔡新雁,徐阿通

(1.新疆阿勒泰地区水利管理处，新疆 阿勒泰 836500； 2.新疆阿勒泰地区水利水电勘测设计院，新疆 阿勒泰 836500)

1 概 述

阿勒泰地区北屯灌区位于阿勒泰地区中部、乌伦古河和额尔齐斯河谷地，灌区由永久性拦河枢纽引水，引水流量为60 m3/s，输配水工程为36 km的总干渠，分别向北屯市183团电站、183团片区北干渠分水，余水注入阿克达拉水库[1]。水库下游分设中线干渠和南干渠，分别为福海县阔克阿尕什乡片区、阿尔达乡片区、2817片区和地区一农场片区提供灌溉用水。

该灌区2018年灌溉面积为2.699×104hm2，其中种植业面积为1.718×104hm2，畜牧业饲草料基地种植面积0.859×104hm2，灌区内林网种植面积0.121×104hm2。灌区总干渠引水龙口年均引水总量约4.5×108m3，其中发电引水流量约2.5×108m3，灌溉用水总量约2.0×108m3，年际变化不大。2018年灌溉总用水量约1.89×108m3。

2 北屯灌区信息化建设内容

2012-2014年期间，北屯灌区信息化工程建设共完成以下内容：1个调度监控中心、4个调度监控分中心、35个渠道配水点水情监测、35个渠道视频监控、4套渠道闸门自动控制系统建设、通信网络系统建设、基础设施改造建设、视频监控软件部分完成信息采集软件、综合数据库之工情库和水文库、数据采集与管理系统、数据管理与维护系统建设。

3 北屯灌区信息化对闸控系统的更新改造

3.1 闸控系统更新改造需求分析

因北屯灌区信息化系统涉及许多不同类型的数据，数据从采集、校核、入库，需要经过多重工序，所以其数据的可靠性和精确度必须保证。但在运行过程中，部分闸门的闸位计显示的开度和闸门的实际开度有误差，部分雷达水位计测得的水位和实际的水位也有较大误差，使得后期无法开展数据分析工作，因此急需解决数据精确度低的问题。

3.2 闸控系统更新改造内容

2017-2018年，北屯灌区管理处对灌区信息化的硬件设施和信息化系统进行升级改造。

一总干渠引水枢纽渠首主要硬件建设内容为：①在闸前闸后增加水位传感器，用于实时监测水闸前后水位，将水位信息传输到管理平台上，便于系统软件计算水量。②对进闸门控制系统的线路进行检查和改造，确保系统稳定可靠，便于远程控制。③对PLC控制程序进行修改，使其控制逻辑更加合理。④将各闸门PLC控制系统统一整合到北屯灌区管理处信息管理平台上进行统一监测和控制。⑤闸门安装闸门标尺。

一分水闸控系统、二分水闸控系统、 民族新村进水闸闸控系统、阿克达拉水库分水闸闸控系统主要硬件建设内容为：①对现有闸位计进行更换，对于螺杆启闭机控制的闸门，更换为稳定可靠的自收揽闸位计。②增加限位开关，上限位和下限位各安装2套限位开关进行双重保护，确保闸门远程控制安全可靠。③对当前闸门控制柜线路进行检查和改造。④对PLC控制程序进行修改，完善控制和保护措施。⑤各闸门PLC控制系统整合到北屯灌区管理处信息管理平台上进行统一监测和控制。⑥闸门安装闸门标尺。

4 闸门控制系统流量系数率定

北屯灌区信息化平台建设后，闸门控制系统的应用已趋于完善，灌区管理处值守人员可通过远程操作，启闭闸门达到精确分水的目的，并可通过实时视频人工复核上下游水位。为了达到精确分水控制，在闸门控制系统改建时重新对流量系数进行了率定。

4.1 率定方法

为验证闸门控制系统中选用的流量测定公式是否符合实际，特利用走航式ADCP实测流量数据对灌区内闸门控制系统采集的闸门前后水位、闸门开度、采集时间等计算的流量数据进行对比，并选取4组经验公式进行计算，最终校核闸门控制系统中流量率定公式的准确性。

率定时以一分水电站进水闸为例，共取5 h的闸控测报系统每10 min测报的流量作为基础采集数据，采集得到闸门前后水位、闸门开度、采集时间等数据，共计37组。首先将采集数据按照各水力学经验公式计算成果与闸控系统选定闸门流量计算公式进行对比，验证闸控系统计算流量公式精确性。现场率定时取闸后30 m渠道断面采用走航式ADCP自一岸拖行至另一岸，测量时段共5 h，每隔1 h测量一次渠道实时流量，测得5个闸门分水流量。然后将ADCP测量渠道实际断面流量与闸控系统测报成果对比，校验闸控系统测量流量与实际测量成果对比，验证闸控系统实地测量的准确性。见表1。

表1 闸门控制系统测流成果表

续表1

4.2 闸控系统测报公式

北屯灌区各分水闸均为平板闸门，无底坎，闸孔过流流量计算公式为：

(1)

式中：σs为淹没系数，自由出流时为1；μ为流量系数；b为闸孔宽度；e为闸孔开度；H0为作用总水头，H0为作用水头H与行进流速水头之和。

目前，应用于平板闸门流量系数计算常用的经验公式主要有直线式(2)(南京水利科学研究所)、曲线式(3)和薛朝阳经验公式(4)[2]：

(2)

(3)

(4)

(5)

通过测量成果，按照各种经验公式(5)计算闸门过流能力。见表2及图1。

表2 率定流量系数对比表

图1 流量系数偏差对比图

通过对比，闸控系统选择的计算公式与其他水力学经验公式对比，闸门控制系统计算公式成果偏差率与平均偏差率较接近，所以闸控系统流量计算公式较精确。

4.3 闸控系统验证成果

将闸门测控系统5 h测报时段每个小时测量的各数据平均得到5组数据，并与ADCP实际测量成果进行对比，对比结果见表3。

通过实测流量与测报流量进行对比，从表3可看出实测流量与测报流量结果较为接近，说明闸门测控系统在实际应用中测量精度满足要求。

表3 闸控系统测报与实测流量对比表

5 结 语

本文以北屯灌区闸控系统作为研究对象，对其信息化早期建设内容进行了阐述。分析其早期建设存在的问题：部分闸门的闸位计显示的开度和闸门的实际开度有误差、部分雷达水位计测得的水位和实际的水位也有较大误差。对灌区信息化更新改造内容进行阐述，并对其改造后的闸门控制系统流量系数进行校核，用走航式ADCP实测的流量数据进行多公式计算，验证其准确性，得出闸控系统流量系数较为精确的结论。