沙河漯河节制闸调度运行方式研究
收稿日期：2008-06-13修回日期：2008-07-02
作者简介：李冠杰(1977-)，男，河南开封人，工程硕士，高级工程师，主要从事水利规划、水文分析等方面的水利工程设计研究。
摘要：沙河漯河节制闸以抬高河道水位、改善河道景观为建设任务，系采用下卧式闸门的大型水闸。从发挥工程效益、保证防洪安全、防止泥沙淤积等方面出发，通过对洪水起涨段闸门开启的控制流量、库容排泄时间和流量、洪水消退段闸门关闭的控制流量等方面的研究，确定水闸调度运行方式。
关键词：水闸；调度；运行方式；下卧式闸门
中图分类号：TV66文献标识码：C 文章编号：1672-1683（2008）04-0099-03
Study on Regulation and Operation Mode of Luohe Sluice
LI Guan-jie
（Henan Water &Poner Consulting EngineeringCO. , Ltd ,Zhengzhou 450008,China）
Abstract:Luohe Sluice is a large floodgate adopted the down-horizontal gate on Shahe River. Its construction mission is to take up the river water level and to improve the river view. From engineering performance, flood control safety respects, the paper studies control discharge for opening the sluice when flood rise, time and discharge of storage capacity, control discharge for closing the sluice when flood fade away to determinate the regulation and operation mode of the sluice.
Key words:sluice; regulation; operation mode; down-horizontal gate
1 概况
沙颍河是淮河流域的最大支流，发源于豫西伏牛山东麓石人山，沿河城镇众多、人口密集，是一条防洪任务重的河道。沙河漯河节制闸位于沙河干流上，闸址上距漯河市中心8 km，闸上控制流域面积12 580 km2，设计蓄水位57.5 m，水闸挡水高度9 m，分9孔，采用下卧式闸门，闸室总宽度128.0 m，属大（Ⅱ）型水闸。
漯河市位于河南省中部，淮河两大支流沙河、澧河贯穿全境并在市区交汇，滨河城市特色显著，漯河市城市发展将全力打造和突出大环境绿化、滨水城市特色，把漯河市建设成为独具特色的“滨水之都、园林名城”。
根据漯河市发展规划，结合河道特点，沙河漯河节制闸的建设任务为抬高河道水位，改善城市河道景观，兼顾防洪、发电与河道通航要求。
下卧式闸门采用平板钢闸门，门轴设于底槛门槽内，液压启闭机控制。工作闸门平时处于垂直挡水状态，门顶溢流过水；当门体绕门轴向上游转动倾斜时，门顶泄量增加，可调节过闸流量；洪水期间门体落入上游底槛门槽内，闸门面板与闸室上下游底板平齐，达到敞泄要求。下卧式闸门示意图见图1。
下卧式闸门结构简单，操控方便，型式新颖，是一种适用于现代城市景观水利建设的新型闸门[1]。闸门和闸墩隐没于水中，闸上过水，可形成水帘或瀑布，使建筑物融入河道，并凸现水的灵动自然。工程布置于主河糟内，闸体简单，闸门启闭灵活，洪水期间门体落于闸槽内，自由行洪，当洪水位高于闸墩及两侧滩地时，滩地参与行洪，基本不影响河道原有行洪能力。下卧式闸门和嵌入式工程布局不仅可以满足工程建设任务，也充分体现了本工程自然、美观、亲和的设计理念。
以抬高河道水位、改善城市河道景观为主要建设任务的水工建筑，采用下卧式闸门在国内外是一种新的趋势。目前国内外针对该类水闸调度运行方式的研究尚少。为了更好的发挥该类水闸的特点，尽量延长蓄水时间，满足建设任务，本文通过对径流、洪水水沙形势、洪水传播及消退等特性进行分析，针对蓄水、防洪、防淤等在调度运行中需要解决的问题，确定比较科学、合理、优化的水闸调度运行方式。
2 水文、泥沙特性分析
2.1 径流
根据漯河水文站1950年6月—2005年12月2022旬径流系列统计成果见表1，漯河水文站平均每年有5%的时间旬平均流量大于301 m3/s(运用中采用300 m3/s)，10%的旬平均流量大于160 m3/s。
2 洪水流量与泥沙形势
受暴雨特征和地形特征影响，年内降雨高度集中，约60%～70%集中在汛期，沙颍河漯河以西的沙河干流、北汝河、澧河三条河流上游的伏牛山脉和外方山脉地区经常是暴雨中心所在地，沙颍河洪水主要来自漯河以西。在大水年份沙河漯河以上的洪量一般占周口以上的75%，“75.8”大洪水其比例达90%左右。由于泥沙绝大部分来源于洪水暴发期间，而周口站洪水主要来源与漯河以上，因此周口站汛期泥沙观测资料很大程度上可代表漯河站洪水泥沙形势。故根据漯河站历年径流量频率计算成果，以平、丰水年为主选取周口站丰、平、枯水年中有洪水发生的汛期2~4个月连续逐日平均流量、逐日输沙率过程进行分析。经对周口水文站近期10 a中22个月667日的洪水流量泥沙形势分析，周口站水沙形势相关关系图（中低水部分）见图2，统计成果见表2。在洪水期间，有35.0%的流量小于160 m3/s，有57.5%的流量小于300 m3/s。当洪水流量大于300 m3/s时，洪水的输沙率开始明显散布式放大；而在流量小于300 m3/s时，大部分点据呈现为输沙率0~80 kg/s这一低输沙率水平的带状分布。表2 洪水期间水沙统计成果
按流量统计流量/(m3·s-1)出现频率(%)按输沙率统计(流量<300 m3/s)输沙率/(kg·s-1)出现频率(%)按输沙率统计(流量<160 m3/s)输沙率/(kg·s-1)出现频率(%)16035.05065.05081.520040.98076.28088.2 25048.720087.214094.5 30057.530092.620097.135063.340095.130098.7图2 周口站汛期输沙率—流量相关关系(中低水部分)
2.3 洪水传播时间
根据洪水的主要来源，选取1965年以后12次主要来源于沙河干流的洪水过程统计马湾站至漯河站的洪水传播时间，选取14次主要来源于澧河的洪水过程统计澧河何口站与漯河站的洪水传播时间。马湾站至漯河站河道里程37.6 km，洪水传播时间为6~9.5 h；澧河何口站至漯河站河道里程42.6 km，洪水传播时间为6~10 h，考虑漯河闸位于漯河水文站下游7.41 km，故上游沙河马湾站或澧河何口站洪水传播至漯河闸的时间均在7 h以上。
2.4 洪水退水与水闸蓄水
在洪水消退过程中，流量逐渐变小。若关闸早，则入库平均流量大，蓄水容积小，蓄水至设计蓄水位所需时间短，反之，蓄水时间长(蓄水期间考虑6 m3/s的通航流量)。
通过2.2中洪水水沙形势分析，洪水流量小于300 m3/s时其输沙率较小，故拟定250 m3/s 、200 m3/s、150 m3/s三个关闭闸门的控制流量方案进行比较。由于各方案闭闸时的河道水位和槽蓄容积逐次减小，故各方案的蓄水容积分别为505万m3、585万m3、671万m3。
在漯河站洪水资料中选取1965年后洪峰流量不大，退水过程较完整，退水后流量较小，使闸上蓄水较慢的7次洪水退水过程进行统计分析，计算各方案各次洪水退水过程的蓄水时间，成果见表3。
从表可以看出，方案一关闸控制流量为250 m3/s，其蓄水时间在8~12 h；方案二以200 m3/s为控制，其蓄水时间在10~24 h；方案三以150 m3/s为控制，其蓄水时间为16~60 h，其中2000年8月12日退水过程蓄水时间为60 h，合2.5 d。由于方案三闸门关闭控制流量最小，各次洪水退水过程的蓄水时间相对较长，在7次退水过程中有5次蓄水时间在16~26 h以内， 2次蓄水时间在53~60 h。
3 调度运行方式研究
3.1 闸上蓄水位运行时间分析
从本节制闸建设任务出发，考虑河道防洪、通航要求、游人安全以及河道边坡堤防稳定等因素，闸上水位不宜频繁起落，闸下流量也不宜时大时小，故节制闸运行以维持设计蓄水位为宜，避免水位与流量频繁出现较大波动。为了发挥工程效益、保证河道行洪洪安全，考虑下卧式闸门启闭调度系统的自动化程度，结合沙颍河水情自动测报能力，闸门调度运用宜采用动态启闭的实时调度，在非洪水期间，可适时倾斜闸门，控制开度，调节闸顶过水深度与流量，来多少水泄多少水，以保持闸上水位于设计蓄水位57.5 m[3]。
一方面，通过以旬为时段的径流分析，旬平均流量小于300 m3/s的时间占全年的95%；另一方面，通过以日为时段的洪水流量分析，在洪水期间小于300 m3/s的时间较小于160 m3/s的时间多64.3%。因此，以上游马湾闸、澧河何口站两站流量之和为300 m3/s为控制，在小于300 m3/s流量时通过控制闸门开度，可延长设计蓄水位运行时间，较好的满足河道蓄水与景观的要求。
3.2 河道防洪影响分析
为保证洪水在河道中正常安全的行洪，减小或避免由于调度原因对河道防洪造成不利影响，应在洪水到来前将漯河节制闸水库中的蓄水容积排泄至正常的河道槽蓄容积。排泄库容的时间取决于洪水的传播时间，排泄库容的平均流量由入库流量（即闸门开启的控制流量）与泄库流量组成。
通过洪水传播分析，上游沙河马湾站或澧河何口站洪水传播至漯河闸的时间为7 h，因此，排泄库容的时间采用7 h。以300 m3/s为控制流量开启闸门，闸上需要排泄的容积为300 m3/s流量相应河道槽蓄容积以上至设计蓄水位之间的容积，经计算为430万m3，考虑河道的不规整度和排泄安全度，按1.2的裕度系数计算，需要在7 h内排泄容积516万m3，则平均泄库流量为205 m3/s。因此在排泄库容的过程中，闸门实际平均下泄流量为入库流量300 m3/s 与泄库流量205 m3/s之和，即505 m3/s。在此期间，闸门逐步开启(倾斜)控制下泄流量在505 m3/s左右，在上游洪水到达以前，使闸上下游水位相衔接，直至完全开启，确保洪水安全畅泄。
3.3 闸前防淤研究
闸前防淤主要通过减少蓄水泥沙淤积与加大洪水泥沙冲刷两方面现实。
经洪水流量与泥沙形势分析，输沙率与流量成正比关系，流量小于300 m3/s时的输沙率普遍较小，流量大于300 m3/s时的输沙率明显放大。在相关图上表现为流量0~300 m3/s、输沙率0~80 kg/s这一区域密集的带状分布，在流量小于300 m3/s的390组数据中，输沙率小于80 kg/s的天数占76.2%，输沙率大于300 kg/s的天数占7.4%。在流量小于160 m3/s的237组数据中，输沙率小于80 kg/s的天数占88.2%，输沙率大于300 kg/s的天数仅占1.3%。所以从减小水库蓄水泥沙淤积的角度看，以160 m3/s或 300 m3/s作为本闸闸门开启的控制流量均可起到减小闸前泥沙淤积的作用，以160 m3/s相对较好。
经蓄水时间分析，250 m3/s 、200 m3/s、150 m3/s三个关闭闸门的控制流量方案都可以在较短时间内完成闸上蓄水，其中，150 m3/s方案可延长洪水冲刷时间，避免在较大输沙率情况下蓄水，从而可更好的防止泥沙淤积。
3.4 调度运行方式确定
综合上述分析研究，从延长蓄水时间，改善城市河道景观的建设任务出发，以满足防洪、防淤为原则，同时考虑汛期发生多峰型洪水时，减少闸门开启或关闭次数，简化调度运行管理，沙河漯河节制闸调度运行方式可确定为：全年实行实时调度，闸门进行动态启闭，在不发生洪水时，闸门关闭或部分开启(倾斜)，调节下泄流量，保持闸上水位在设计蓄水位57.5 m运行；在洪水的涨水过程中，当马湾闸、澧河何口站两站流量之和大于300 m3/s时， 7 h内闸门逐渐打开至全部开启，控制闸门开度保持下泄流量在505 m3/s左右，直至上下游水位衔接，洪水自由渲泄；在洪水的退水过程中，当本闸过流量小于150 m3/s时关闭闸门开始蓄水。
4 结语
通过对径流、水沙形势、洪水涨落等因素进行分析，研究制定的沙河漯河节制闸调度运行方式，可适当延长水库保持蓄水位运行的时间，满足抬高河段水位的要求，在洪水期间，适时合理地运用闸门使水库的排泄与蓄积更加稳定、平缓，洪水自由渲泄，并适当延长洪水冲刷时间达到减少泥沙淤积的目的，同时可有效减少闸门开启频率，方便运行管理，更好的满足了工程建设任务要求，确保了河道行洪安全。
参考文献:
［1］ 王明才,黄艳君,严忠民.下卧式闸门泄控特性研究 ［J］.红水河，2008,(1):50-53.
［2］ 朱丽娟.江尖水利枢纽设计特点［J］.水利水电工程设计,2007,(04):27-27.
［3］ 李 戬,杨志峰,刘静玲.城市水系闸门调控技术研究及应用［J］资源开发与市场,2007,(7):583-585.
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