南水北调工程个别分水闸流量计数据异常分析

韩子波

摘 要：南水北调工程个别分水闸流量计存在数据异常。本文结合南水北调工程沿线分水闸运行情况，分析其存在的问题，为日后分水闸设计、施工、运行提供参考。

关键词：分水闸;南水北调;流量计;淤积

中图分类号：TH814.92文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）23-0082-03

Abstract： There are data abnormalities in individual sluice flowmeters of the South-to-North Water Transfer Project. This paper combined the operation of the sluice along the South-to-North Water Transfer Project， analyzed its existing problems， and provided references for the design， construction and operation of the sluice in the future.

Keywords： diversion gate;South-to-North Water Transfer;flowmeter;siltation

南水北调中线干线一期工程自2003年12月正式开工建设，2013年12月25日完成主体工程建设，2014年12月12日正式通水运行。该系统在沿线闸门控制处设计安装有175台超声波流量计和28台电磁流量计，主要分布在工程沿线节制闸、分水闸、退水闸和调节池闸门控制处，这些流量测量设备是保证工程运行管理和供水计量收费的重要设施，不但可以对分水量实现自动实时监控，全面掌控过水流量动态变化，为工程调水全线水量平衡计算提供直接依据，而且将为核算各供水户的供水量及水费收缴提供基础支撑[1]。

1 分水闸供水工程概况

郭屯分水闸位于河南省辉县市王敬屯乡郭屯村南700 m，郭屯分水闸位于总干渠右堤上，中心线与总干渠轴线垂直，承担向获嘉县城供水的任务，设计引水流量为3 m3/s，闸底板高程为98.80 m。分水闸在结构上分为三段：进口段、闸室控制段和涵管段。

进口段在平面上呈八字扩散形，分为挡土墙段和矩型槽段。为不减少总干渠的过水断面，挡土墙和矩形槽侧墙均为八字形斜降墙，墙顶均与总干渠内侧堤坡持平。分水闸进口段在平面上呈八字扩散形，长度为13.19 m，扩散角每側为150°。进口段分挡土墙段和矩型槽段，挡土墙段底板为自总干渠渠底高程95.91 m至矩型槽上游端底高程97.92 m的斜底板，底板厚为0.30 m。上游前沿底宽为8.97 m，下游底宽为4.04 m，挡土墙最高断面的高度为3.09 m。矩型槽段底板高程为自97.92 m至闸底板高程98.80 m的斜底板，底板厚为0.70 m。上游前沿底宽为4.04 m，下游底宽为1.90 m，矩型槽最高断面的高度为4.41 m。

分水闸闸室控制段靠上游岸坡堤顶布置，底板长度为7.00 m，底板高程为98.80 m。闸室控制段采用一孔平底板矩形整体布置型式，闸孔宽度为1.90 m，闸墩顶高程为105.01 m。检修平台平堤顶，堤顶高程为105.01 m，检修平台上设启闭机排架，检修平台至启闭层的高度为3.50 m。启闭机层为露顶式。闸室控制段设一扇工作闸门、一扇检修门。工作门门型为平面钢闸门，其启吊设备为液压式启闭机，工作闸门位于检修闸门下游侧，共有1孔，设置1扇闸门。闸门孔口尺寸（宽×高）为1.90 m×1.90 m，闸门最大设计水头为4.71 m。闸门采用潜孔式平面定轮焊接钢闸门，门叶结构采用多主横梁同层布置，单吊点，闸门行走支承选用悬臂滚轮，止水选用前止水。闸门操作运用方式为动水启闭。检修门启吊设备采用卷扬式启闭机。检修闸门设置在分水闸上游进口处，共有1孔，设1扇闸门。孔口尺寸（宽×高）为1.90 m×1.90 m，闸门最大设计水头为4.71 m。闸门采用潜孔式平面定轮焊接钢闸门，门叶结构采用双主横梁同层布置，单吊点，闸门行走支承选用悬臂滚轮，止水选用后止水。闸门操作运用方式为静水启闭，启闭机选用1台100 kN固定卷扬启闭机，最大启门力为100 kN。

分水闸涵洞洞身段为一孔矩形断面，孔口尺寸为1.90 m×1.90 m，洞底坡坡度为1/500，涵洞进口底板高程为98.80 m，同闸底板，涵洞段长为15 m，出口底板高程为98.77 m，接配套工程进水前池，前池下游接配套工程供水管道。配套工程输水线路长为22.94 km，管材均为PCP管，管径为DN 1 200 mm。

分水闸流量计为超声波流量计，安装在涵管段闸门下游侧;配套工程流量计安装在配套工程供水管道首端处，采用电磁流量计。超声波时差法流量计，利用声波顺流和逆流传播的时间差来测量声线上的线平均流速，采用多个声道测量流速并加权积分计算流量。电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应原理来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表[2]。体积流量与感应电动势[e]和测量管内径[D]成线性关系，与磁场的磁感应强度[B]成反比，与其他物理参数无关。

2 分水闸运行情况

分水闸运行期间，辖区内分水闸流量计瞬时流量数据多次发生短时跳变，瞬时流量异常增大，月累计水量异常增大。经流量计厂家技术人员到现场排查故障，判断原因为流量计1#换能器探头被淤泥淹没，无法正常工作，现场采取将1#探头屏蔽的方式，暂时使用2#探头进行计量（但数据明显偏大）。为了进一步确定原因，管理人员安排专业潜水作业队伍到水下进行查看，经检查发现，分水闸箱涵内淤堵比较严重，工作门下游2 m处淤泥厚度为1 m左右，箱涵和进水前池结合部位淤泥厚度为1.5 m左右。经初步分析，原因为分水闸分水流量小，而且进水前池较大，过水截面变大，流速较小造成泥沙淤积。由于该分水闸正在运行使用，且配套工程正值用水高峰期，换能器探头所在涵洞处于满水状态，无法进行停水检修，为了确保正常、稳定运行和水量的准确计量，有关管理部门派遣专业潜水作业队伍进行分水闸清淤。运行期间共清淤两次，一次利用用水低峰时间段紧急停水清淤，一次采取专业潜水作业队伍进行分水闸不停水清淤。郭屯分水闸流量计修复清淤工作一次花费约3.5万元。淤积影响如下：影响流量计正常工作，导致流量计计量错误;影响配套工程正常分水;造成高额的清淤费用。进水前池清淤实景图如图1所示。

3 分水口分水数据分析

3.1 清淤数据分析

流量计安装在涵洞出口，2017年1月1日至2017年4月22日平均流速为0.05 m/s，平均瞬时流量为0.18 m3/s，日分水量为1.46万m3/s;2017年4月22日至2017年7月25日平均流速为0.13 m/s，平均瞬时流量为0.36 m3/s，日分水量为3.10万m3/s;2017年7月25日清淤后平均流速为0.05 m/s，平均瞬时流量为0.19 m3/s，日分水量为1.57万m3/s。

如表1所示，清淤前瞬时流量相差较大，水量差较大，水量差百分比大于10%，清淤后瞬时流量接近，水量差较小，水量差百分比小于10%，随着时间的推移，清淤后水量逐月增大，再次清淤后，水量差又变小。

3.2 率定数据分析

率定时郭屯分水口闸门开度为300 mm，分水闸箱涵有严重淤积，有关流量测量数据与分水闸下游配套工程首端电磁流量计数据差一倍多。配套工程首端采用电磁流量计、单一管线、28 km自流进入水厂，首端末端数据相当。

作業人员于2018年3月24日进场，采用外夹式超声波流量计进行流量率定如图2所示。经过设备安装与调试，3月24日12：00进行了1 h的流量率定。本次率定收集2018年3月24日12：30到13：30的过程数据，同时段调取了分水口门的时差法流量计和地方首端电磁流量计数据。通过数据分析，率定期间，首端电磁流量计偏差保持在6.0%左右，负向偏小;分水口门暗涵流量计偏差保持在85.6%左右，正向偏大。

因郭屯分水口门现场仅具备率定一个流量级，考虑现场安全供水，无法实现分级流量调整，所以郭屯分水口门流量计率定关系定为[Y=0.539x]，其中[x]为分水口门流量计的流量监测数值，[Y]为修正后的分水口门流量计的监测数值。

4 淤积原因分析及处理方法

针对沿线淤积严重分水口，管理处做出了分析研究，并提出或采取了一些措施。经分析，原因主要有：分水运行目标流速较小;在分水口设计过水断面，分水水流从上游到下游经由与总干渠连接的小断面暗函突变为与配套供水管道连接的大断面前池，流速变小。以上两种原因造成大量泥沙在暗函和前池淤积。治淤目前采取在干渠分水口处增设拦污清淤装置、不定期污泥泵清淤、人工清淤、机械清淤等方式，但都存在各种问题，耗费大量的人力、物力，影响分水，水质、清淤不彻底、不理想。

5 分水闸设计、施工、运行建议

超声时差测流技术包含三个不可分割的部分：准确的时间测量技术、准确的几何参数测量技术和有效的流速代表性算法。换能器需要施工方在方涵现场安装，安装完毕需要精确测量流量模型需要配置的几何参数，包括声道长度、声道角、声道高度、断面面积等，特别是由于河南段分水口采用了单声道面配置，声道方向与水流流动方向的夹角通常存在较大的不确定度;几何参数测量的准确度依赖于现场施工和质量控制水平，往往同一款流量计由不同的施工队伍安装，几何参数偏差造成的流量误差可能有高有低。

另外，主要的问题还在于有效的流速代表性算法，其一是探头凸出壁面造成的流体扰动影响，对于几十米宽的方涵可以忽略，对于分水口两三米的方涵宽度，换能器凸出几十毫米，可能导致百分之几的流速测量偏差，其影响需要进行修正;其二是平均流速算法，流量计内置的算法应对的是理想的足够长直的方涵情况，两个试点的顺直段水流通道距离很短，分水口下游几米到几十米的位置安装流量计，暗涵水流与干渠水流形成90°的切角，流场可能存在很大的漩涡，仅用单声道面两个声道很难得到准确的平均流速，漩涡可能导致百分之几甚至百分之几十的测量偏差。

流量计使用基本原则如下：顺直段足够长，无扩散和收缩;如果上下游既有明渠，也有管道，管道段作为首选;无论管道还是暗涵，都应有冗余的考虑，水的流道和流量计一主一备，便于运维;明渠要考虑水草和淤积的影响;管道顺直段足够长，超声时差法的适应性更好;电磁流量计对产品品质要求高，顺直段足够长，上下游无阀门，时差法和电磁监测数据质量都会比较高;大管道时差是首选;时差法流量计要把控安装质量。

建议设计时充分考虑防於、治於问题;考虑流量计安装需要满足的水流条件、位置;施工时严格控制流量计安装的施工精度要求;运行时，要考虑流量计工作条件，及时维护，保证精度;充分考虑好流量计计量问题，避免争议;与受水单位建立运行沟通机制;考虑停水检修问题。

参考文献：

[1]张鹏，宁志超，魏蕊.南水北调中线控制闸流量计率定方案优选[J].河南水利与南水北调，2018（10）：93-95.

[2]康罗英，贾彦磊，贾君洋，等.南水北调中线干线流量计计量差异分析研究[J].水电站机电技术，2018（1）：7-9.