高 哲

（西安市引湑济黑调水工程管理中心，陕西 西安 710077）

1 引湑济黑调水工程简介

西安市引湑济黑工程是西安市行政区内跨流域调水工程，作为西安市主要水源之一，列入2005 年国务院批准的《西安市2004 年～2020 年城市总体规划》中。取水口位于周至县厚畛子湑水河上游吊沟，出水口位于周至县厚畛子乡黑河上游矛坪沟，主体工程包括引水枢纽、输水隧洞和出口电站，其中输水隧洞长6245 m，输水能力10 m3/s，自流供水。满足湑水河取水断面最小下泄流量0.25 m3/s。

引湑济黑工程取水水源为湑水河，取水地点为引水地点位于周至县境内湑水河支流吊沟口下游200 m 处。

为了保证正常引水，防止突发事件，进水闸启闭机采用螺杆式手电两用启闭机。为了保证闸前正常进水，防止闸前引水道泥沙淤积，设计在进水闸旁邻河侧布置冲沙闸，及时清除闸前淤沙。

2 生态基流的保障措施及现状问题

2.1 现状生态基流的保障措施

引湑济黑调水工程的取水点，位于为秦岭南麓的的湑水河上，建有引水枢纽，采用低坝引水，湑水河生态基流取水断面设计最小下泄流量为0.25 m3/s。现状生态基流保障措施主要采用控制冲沙闸前水头与冲沙闸开启度之间相互关系来满足进水闸取水和生态基流的最小生态流量。当下泄0.25 m3/s 时的冲沙闸前水头与闸门开启度相互关系见表1。

表1 冲沙闸前水头与闸门开启度相互关系

冲沙闸上游侧布置有浮子水位计，用于监测闸前水头，以便提供闸前水头数据供分析，进而确定闸门开启的高度，以便确保基本的生态基流；引水闸下游侧10 m 位置引水隧洞内安装有明渠流量计，串口采用RS485。

2.2 生态基流保障措施的现状问题

1）枯水期问题

枯水期河道来水量变化不大，引水口位置的溢流坝基本没有生态基流的溢流，生态基流的保障措施只能采用人工按钮电机正转、反转，启闭设置冲沙闸开度，从冲沙闸闸口处下泄。但是，冲沙闸闸前水头小，为确保下泄流量为0.25 m3/s 生态基流，冲沙闸开度约在2 cm 左右。启闭开度较小，容易被河道中树枝树叶塞缝堵水，开启后无法保证下泄生态基流，若启闭开度稍微过大，容易将原本少量的河水全部下泄于原河道，又不能满足日计划调水量的工作要求。

2）丰水期问题

丰水期河道水量的频繁变化，特别在汛期中，有时河道水量比较大，生态基流直接从溢流坝溢流下泄。虽能满足下游生态基流，但是，人工调节引水流量相应频繁，人为按钮继电器控制电动机正转反转，拖动启闭闸门，工作简单重复量大，人力运行成本较高。

3 解决生态基流现状问题的自控化控制研究论证

3.1 解决生态基流现状问题的自动控制思路

针对引湑济黑调水工程引水口的实际工况条件，结合当前电气工程及其自动化控制技术的成熟发展，考虑采用引水闸启闭电机的自动化控制技术，对引水闸进行常态化自动控制，精准实现河水过溢流坝下泄生态基流（至少0.25 m3/s）的工作要求，同时，避免因启闭冲沙闸下泄生态基流而引发的冲沙闸闸门堵塞、下泄生态流过大、人工频繁操作等问题。

3.2 生态基流自动控制原理分析

引湑济黑调水工程引水口位置见图1。引水闸与冲沙闸、溢流坝，方向垂直，且引水隧洞、溢流坝面均为无压流水。引水隧洞长6252 m，坡度1.26‰，引水隧洞水流断面为2.9 m 宽的矩形，可简化为明渠流水。隧洞设计引水量不应超过10 m3/s；溢流坝址宽度28 m，按照20 年一遇洪水设计防洪标准，按照50 年一遇洪水进行设计校核。其中，引水闸尺寸3.5 m×2 m，冲沙闸尺寸4.0 m×3.5 m。

图1 引湑济黑调水工程引水口工况示意图

根据《西安市引湑济黑工程水资源论证报告书》中引水指标要求，按照引水隧洞的最小断面过流能力，设计确定隧洞引水能力为10 m3/s，引水原则为：以引洪水为主，应切割一定下泄流量作为下游生态用水，即当设计取水断面来水流量Q0小于0.25 m3/s 时不引水；当来水流量Q0大于0.25 m3/s 且小于10.25 m3/s 时，引水流量等于来水流量Q0减去0.25 m3/s；当来水流量Q0大于10.25 m3/s 时，引水流量为10 m3/s。

对于工程引水口，某时刻河道来水流量Q0=引水流量Q+生态流量 q。其中 Q=BHV；q=bhv。Q 为引水隧洞的调水量；B 为矩形宽度，2.9 m；H 为水深；V 为流速，q 为溢流坝面的过坝量；b 为矩形宽度，28 m；h 为水深；v 为流速。

对于明渠标准断面，水流水深H 与流速V 之间成相应关系，可以实践测出水位流量曲线图。可以采用流速仪、水位计直接将流量Q 测出，显示出流量数据。

在冲沙闸常态化的闭合下，某时刻河道来水流量瞬时不变，只需要自动启闭引水闸，来动态调节引水流量和过坝生态流量，使其满足引水原则。目前引水隧洞、溢流坝位置安装有流量计仪表，分别可显示出引水流量Q 和生态流量q 的实时动态数据。

根据自动化技术知识，采用PID 调节器启闭控制闸门，构建引水闸门启闭的自动控制原理图，属于单回路负反馈控制，见图2。

图2 自动启闭引水闸保证生态基流的控制原理图

其中，采用PLC 可编程逻辑控制器，对流量数据进行逻辑判别。由PID 调节器对引水闸启闭机自动化控制，电机正传、反转动态启闭闸门（设定电机正转为开启引水闸门、电机反转为关闭引水闸门），实现引水流量Q 和过坝生态水流q 数据满足引水原则。同时，设定好引水闸门的上、下限位安全行程，即可实现无人值守功能。

根据引水原则，采用PLC 可编程逻辑控制器，对流量数据逻辑判别：当来水流量Q0＜0.25 m3/s 时，闸门引水流量Q=0；当来水流量Q0＞10.25 m3/s 时，闸门引水流量Q=10 m3/s；当来水流量 0.25 m3/s＜Q0＜10.25 m3/s 时，过坝生态流量 q=0.25 m3/s，闸门引水流量Q=Q0-0.25。

其过程表现为典型非线性系统环节，数学描述见图3。

图3 引水流量调控的非线性数学描述

3.3 自动控制系统硬件构成

系统采用总线分布式控制模式，实现单孔闸门的远程控制。系统采用计算机监控系统，包括工业控制计算机、工作计算机、服务器、集线器，通过以太网，实现各计算机之间的通讯。控制层由一台PLC 可编程序控制器来完成，它负责引水流量、过坝生态流量数据的逻辑判别，输出控制信号，指令引水闸电机的正转、反转，进而直接控制引水流量，间接实现过坝生态流量的工作要求。现场层保留原设备的手动操作启闭机功能，做好安全应急，同时增设远程接口控制电气回路，继电器、流量计、闸门限位开关等，接受PLC 可编程序控制器的动作。

直接采用流量计数据反馈于PLC 逻辑控制器中，进行引水闸电机正反转控制，避免闸门前后水头数据的重复计算。特别重要的是，河道水流量是一个长期动态变化量，同样的闸门开度，因闸门前后水头不同，水流压力差不同，引水流量就不同。在PLC 可编程逻辑控制器上嵌入PID 调节器，使引水闸门电机正反转更加稳定运行，增强抗干扰能力，消减控制误差。

3.4 自动控制系统软件构成

采用组态软件，在工作计算机上进行组态设计。可直接与PLC 生产厂家定制，符合流量反馈控制电机正反转的逻辑模块，做好数据串口、数据存储。对PLC 逻辑控制器中嵌入PID控制的方式，实现平稳控制。对工作计算机数据显示，采用C 语言编辑数据采集管理程序，实时动态显示。

根据工作要求，可自行汇编控制软件。在丰水期，为避免汛期水量较大，引水隧洞内水流流量数据波动的影响，可以按照1 h 采集1 次流量数据，并反馈控制闸门启闭1 min 的周期设计，保证从长期来看闸门是在动态调控着，从短期来看是周期1 h 的调控，减少电动机拖动、闸门启闭磨损损耗，提高使用寿命。在枯水期，来水量相对稳定，可实时负反馈调控启闭闸门。

4 对现状生态基流的保障措施建议

在实际安装控制器中，结合引水闸门、启闭电机的功率，选择传感器要注意精度误差，满足工作需要。

在引水闸启闭机上必须安装有限位行程开关，避免因继电器、或PLC 模块出现问题，产生失控，造成闸门启闭设备损毁，出现安全事故。

对引水闸门、启闭电动机、过坝流量计、引水隧洞流量计、继电器等，要做好维修保养，避免各设备作业出现故障。

5 结论

1）西安市引湑济黑调水工程引水口，设计下泄生态基流为0.25 m3/s。现场工况具备条件，对引水闸启闭进行自控化控制，能同时保障河道生态水流与引水水流的工作要求，即可实现一闸双控水流的目标。

2）自动化控制主要采用PLC 可编程逻辑控制器进行，通过引水流量与来水流量的逻辑判断，实现单回路负反馈控制，输出信号直接控制引水闸电动机的正反转，调节闸门开度进而调控引水流量与过坝生态流量。

3）安装传感器、流量计、PLC 逻辑控制器等硬件设备时注意参数选择合理，软件可自行汇编或购置成型软件进行数据管理。在丰水期，为避免汛期水量较大，引水隧洞内水流流量数据波动的影响，可以按照1 h 采集1 次流量数据，并反馈控制闸门启闭1 min 的周期采样控制设计，减少电动机拖动、闸门启闭磨损损耗，提高使用寿命。

4）西安市引湑济黑调水工程是众多中小型调水工程的一个典型代表，在类似调水工程的工况条件下，可采用相关自动控制技术，在满足日常调水工作同时，保障引水口生态基流的生态环保要求。