一种节制闸淹没出流的调控方法

摘要

本发明涉及一种节制闸淹没出流的调控方法，包括：数据准备；第一轮相关系数计算；第二轮相关系数计算；确定闸门过流公式形式；率定闸门过流公式；确定闸门过流公式的率定精度；调控过流：使用经过率定的闸门过流公式计算闸门的开度，对闸门进行调控。本发明基于大量工程案例经验，提出以

说明书

技术领域

本发明涉及一种节制闸淹没出流的调控方法，是一种水工设施的调控方法，是一种根据闸门参数回归计算的调控方法。

背景技术

节制闸作为一种流量和水位调节结构，广泛应用于输水渠道和明渠调水工程中。闸门过流公式描述了过闸流量与闸前水位、闸后水位和闸门开度间的函数关系，是闸门调控的依据。根据闸门过流能力是否受闸后水位影响，闸门出流流态可分为自由出流和淹没出流。

淹没出流的调控相对复杂，原因是受多方面因素影响，节制闸淹没出流调控的关键：淹没出流公式的准确率定十分困难。首先，闸门过流为复杂的三维流态，尤其是过闸收缩断面，存在集中的水头损失，难以准确估算。其次，淹没出流流态下，随着闸后水位升高，流量曲线的曲率快速增加，十分陡峭，易造成大的率定偏差。最后，节制闸的过流能力受诸多环境因素影响，如闸室进口段的平顺度、闸墩墩头形状、闸门边缘的密封形式和材料等。以南水北调中线工程节制闸为例，模型试验表明，其淹没出流的最大运行调控范围达到e/H_u＝1附近，远超常规的0.65。

传统的节制闸调控方式是以自由出流公式的形式为基础，乘以表征淹没特性的淹没出流系数得到用以调控的淹没出流公式。淹没出流系数采用固定的结构形式，其参数由原型观测或试验数据率定得到。近年来，大中型闸门工程增多，环境条件与结构型式愈加复杂，结构固定、形式单一的传统公式常常不能充分反映工程实际，过流关系的率定效果较差。因此，亟需开发结构灵活、形式多样、适用性更广的节制闸淹没出流计算公式，改善调控效果。此外，节制闸过流公式的选定属于一个反复尝试与比较，费时费力的过程，还需提出一种方便实用，可帮助快速选定最佳节制闸调控形式与效果的技术方案。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种节制闸淹没出流的调控方法。所述的方法采用回归抛物线型参数率定方程的节制闸淹没出流公式型式，通过两轮相关性计算与比较，建立闸门过流公式，以此获得更加精确的闸门调控。

本发明的目的是这样实现的：一种节制闸淹没出流的调控方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

步骤1，数据准备：整理好不同流量下的至少n组实测数据，包括过闸流量Q、闸前水位H_u，闸后水位H_d，闸门开度e；给定闸门单宽b和闸门扇数N，令B＝Nb；

步骤2，第一轮相关系数计算：分别计算H_u－H_d与之间，以及H_u－H_d与之间的相关系数；

设：

步骤3，第二轮相关系数计算：

如果|R₁|>|R₂|，分别计算与e之间、与e/H_u之间、与e/H_d之间的相关系数；

设：

如果|R₁|≤|R₂|，分别计算与e之间、与e/H_u之间、与e/H_d之间的相关系数；

设：

步骤4，确定闸门过流公式形式：

如果|R₁|>|R₂|，求解：Max(|R₁|，|R₃|，|R₄|，|R₅|)；

如果解为|R₁|，以其对应的变量H_u－H_d作为自变量，为因变量，确定闸门过流公式的形式为其中f(H_u－H_d)为回归式抛物线函数；

如果解为|R₃|，以其对应的变量e作为自变量，为因变量，确定闸门过流公式形式其中f(e)为回归式抛物线函数；

如果解为|R₄|，以其对应的变量e/H_u作为自变量，为因变量，确定闸门过流公式形式其中f(e/H_u)为回归式抛物线函数；

如果解为|R₅|，以其对应的变量e/H_d作为自变量，为因变量，确定闸门过流公式形式其中f(e/H_d)为回归式抛物线函数；

如果|R₁|≤|R₂|，求解：Max(|R₂|，|R₆|，|R₇|，|R₈|)；

如果解为|R₂|，以其对应的变量H_u－H_d作为自变量，为因变量，确定闸门过流公式形式其中f(H_u-H_d)为回归式抛物线函数；

如果解为|R₆|，以其对应的变量e作为自变量，为因变量，确定闸门过流公式形式其中f(e)为回归式抛物线函数；

如果解为|R₇|，以其对应的变量e/H_u作为自变量，为因变量，确定闸门过流公式形式其中f(e/H_u)为回归式抛物线函数；

如果解为|R₈|，以其对应的变量e/H_d作为自变量，为因变量，确定闸门过流公式形式其中f(e/H_d)为回归式抛物线函数；

步骤5，率定闸门过流公式：

用三次多项式f(x)＝(ax³+bx²+cx+d)率定系数a、b、c、d：

1)对于解为|R₁|的情形：

令H_u-H_d为自变量x，以为因变量y，绘制y～x散点图，并拟合回归式抛物线趋势线，率定多项式的系数a、b、c、d；

闸门过流公式为：

2)对于解为|R₃|的情形：

令e为自变量x，以为因变量y，绘制y～x散点图，并拟合回归式抛物线趋势线，多项式的系数分别定为a、b、c、d；

闸门过流公式为：

3)对于解为|R₄|的情形：

令e/H_u为自变量x，以为因变量y，绘制y～x散点图，并拟合回归式抛物线趋势线，多项式的各项系数分别定为a、b、c、d；

闸门过流公式为：

4)对于解为|R₅|的情形：

令e/H_d为自变量x，以为因变量y，绘制y～x散点图，并拟合回归式抛物线趋势线，多项式的各项系数分别定为a、b、c、d；

闸门过流公式为：

5)对于解为|R₂|的情形：

令H_u-H_d为自变量x，以为因变量y，绘制y～x散点图，并拟合回归式抛物线趋势线，多项式的各项系数分别定为a、b、c、d；

闸门过流公式为：

6)对于解为|R₆|的情形：

以e为自变量x，以为因变量y，绘制y～x散点图，并拟合回归式抛物线趋势线，多项式的各项系数分别定为a、b、c、d；

闸门过流公式为：

7)对于解为|R₇|的情形：

以e/H_u为自变量x，以为因变量y，绘制y～x散点图，并拟合回归式抛物线趋势线，多项式的各项系数分别定为a、b、c、d；

闸门过流公式为：

8)对于解为|R₈|的情形：

以e/H_d为自变量x，以为因变量y，绘制y～x散点图，并拟合回归式抛物线趋势线，多项式的各项系数分别定为a、b、c、d；

闸门过流公式为：

步骤6，确定闸门过流公式的率定精度：应用率定了的闸门过流公式，计算过闸流量，将其与实测流量相减后，除以实测流量，得到率定相对百分误差；

步骤7，调控过流：使用经过率定的闸门过流公式计算闸门的开度，对闸门进行调控：首先，根据当前时刻的闸门开度e(t)，过闸流量Q(t)和流量调控目标值Q(t+1)，确定闸门开度调控增量：其中采用步骤5中确定的闸门过流公式型式求导数，并输入当前的H_u(t)、H_d(t)计算得到；然后，基于当前的闸门开度e(t)，确定闸门调控目标开度：e(t+1)＝e(t)+△e；最后，输入闸门开度调节指令至机械系统，调整闸门开度至e(t+1)。

本发明产生的有益效果是：本发明基于大量工程案例经验，提出以e、H_u-H_d、e/H_u和e/H_d为构造因子，采用回归抛物线型参数率定方程的节制闸淹没出流公式型式，通过两轮相关性计算与比较，快速率定闸门过流公式。所提出的闸门出流公式形式基于淹没出流的水力学特性提出，结构灵活、形式多样、适用性广，拟合精度高，基于该公式的节制闸淹没出流的调控更加精确、简便、易于实现。本发明所提出的公式不但能够应用于调控节制闸，还能应用在工程设计中选择选择闸门的过流公式的形式。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述方法的闸门参数示意图；

图2是本发明的实施例一所述方法的流程图；

图3是本发明的实施例一所述应用实例1的回归式抛物线参数拟合示意图；

图4是本发明的实施例一所述应用实例2的回归式抛物线参数拟合示意图。

具体实施方式

实施例：

本实施例是一种节制闸淹没出流的调控方法。节制闸门的调控主要使用过流公式计算闸门的开度，因此根据实际操作，率定准确的过流公式是调控的关键。过流公式描述了过闸流量Q与闸前水位H_u、闸后水位H_d和闸门开度e间的函数关系，如图1所示，这些参数是闸门调控的依据。

本发明基于大量工程案例经验，提出以e、H_u－H_d、e/H_u和e/H_d为构造因子，采用回归抛物线型参数率定方程的节制闸淹没出流公式型式，过程如图2所示，具体过程如下：

步骤1，数据准备：

整理好不同流量下的实测数据n组(n>10，且均匀覆盖淹没流运行的流量区间)，包括过闸流量Q、闸前水位H_u，闸后水位H_d，闸门开度e，给定闸门单宽b和闸门扇数N，令B＝Nb，设定重力加速度g＝9.81。

步骤2，第一轮相关系数(又称Pearson相关系数)计算：

分别计算(H_u－H_d)与之间，以及H_u－H_d与之间的相关系数。

设：

步骤3，第二轮相关系数计算：

如果|R₁|>|R₂|，分别计算与e之间、与e/H_u之间、与e/H_d之间的相关系数。

设：

如果|R₁|≤|R₂|，分别计算与e之间、与e/H_u之间、与e/H_d之间的相关系数。

设：

步骤4，确定闸门过流公式形式：

如果|R₁|>|R₂|，求解：Max(|R₁|，R₃|，|R₄|，|R₅|)

·如果解为|R₁|，以其对应的变量，H_u－H_d作为自变量，为因变量，确定闸门过流公式的形式为其中f(H_u-H_d)为回归式抛物线函数。

·如果解为|R₃|，以其对应的变量e作为自变量，为因变量，确定闸门过流公式形式其中f(e)为回归式抛物线函数。

·如果解为|R₄|，以其对应的变量e/H_u作为自变量，为因变量，确定闸门过流公式形式其中f(e/H_u)为回归式抛物线函数。

·如果解为|R₅|，以其对应的变量e/H_d作为自变量，为因变量，确定闸门过流公式形式其中f(e/H_d)为回归式抛物线函数。

如果|R₁|≤|R₂|，求解：Max(|R₂|，|R₆|，|R₇|，|R₈|)。

·如果解为|R₂|，以其对应的变量H_u－H_d作为自变量，为因变量，确定闸门过流公式形式其中f(H_u-H_d)为回归式抛物线函数。

·如果解为|R₆|，以其对应的变量e作为自变量，为因变量，确定闸门过流公式形式其中f(e)为回归式抛物线函数。

·如果解为|R₇|，以其对应的变量e/H_u作为自变量，为因变量，确定闸门过流公式形式其中f(e/H_u)为回归式抛物线函数。

·如果解为|R₈|，以其对应的变量e/H_d作为自变量，为因变量，确定闸门过流公式形式其中f(e/H_d)为回归式抛物线函数。

步骤5，率定闸门过流公式：

·对于上一步解为|R₁|的情形，令x＝H_u-H_d，则f(x)＝(ax³+bx²+cx+d)，a、b、c、d为待率定系数。以为因变量y，绘制y～x散点图，并拟合回归式抛物线趋势线，多项式的系数分别定为a、b、c、d。闸门过流公式为：

·对于上一步解为|R₃|的情形，令x＝e，则f(x)＝(ax³+bx²+cx+d)，a、b、c、d为待率定系数。以为因变量y，绘制y～x散点图，并拟合回归式抛物线趋势线，多项式的系数分别定为a、b、c、d。闸门过流公式为：

·对于上一步解为|R₄|的情形，以e/H_u为自变量，以为因变量y，绘制y～x散点图，并拟合回归式抛物线趋势线，多项式的各项系数分别定为a、b、c、d。闸门过流公式为：

·对于上一步解为|R₅|的情形，以e/H_d为自变量x，以为因变量y，绘制y～x散点图，并拟合回归式抛物线趋势线，多项式的各项系数分别定为a、b、c、d。闸门过流公式为：

·对于上一步解为|R₂|的情形，以H_u-H_d为自变量x，以为因变量y，绘制y～x散点图，并拟合回归式抛物线趋势线，多项式的各项系数分别定为a、b、c、d。闸门过流公式为：

·对于上一步解为|R₆|的情形，以e为自变量，以为因变量y，绘制y～x散点图，并拟合回归式抛物线趋势线，多项式的各项系数分别定为a、b、c、d。闸门过流公式为：

·对于上一步解为|R₇|的情形，以e/H_u为自变量x，以为因变量y，绘制y～x散点图，并拟合回归式抛物线趋势线，多项式的各项系数分别定为a、b、c、d。闸门过流公式为：

·对于上一步解为|R₈|的情形，以e/H_d为自变量x，以为因变量y，绘制y～x散点图，并拟合回归式抛物线趋势线，多项式的各项系数分别定为a、b、c、d。闸门过流公式为：

步骤6，确定闸门过流公式的率定精度：

应用率定了的闸门过流公式，计算过闸流量，将其与实测流量相减后，除以实测流量，得到率定相对百分误差。

步骤7，调控过流：使用经过率定的闸门过流公式计算闸门的开度，对闸门进行调控。首先，根据当前时刻的闸门开度e(t)，过闸流量Q(t)和流量调控目标值Q(t+1)，确定闸门开度调控增量：其中采用步骤5中确定的闸门过流公式型式求导数，并输入当前的H_u(t)、H_d(t)计算得到；然后，基于当前的闸门开度e(t)，确定闸门调控目标开度：e(t+1)＝e(t)+△e；最后，输入闸门开度调节指令至机械系统，调整闸门开度至e(t+1)。

应用实例1：

南水北调中线工程淇河倒虹吸出口节制闸，闸门过流公式率定及过流调控的步骤如下：

a)数据准备：如表1所示，第(1)列～第(6)列分别为闸前水位H_u，闸后水位H_d，闸门开度e，过闸流量Q，单闸宽度b，并列闸门数目N。

表1淇河倒虹吸出口节制闸过流公式率定表

b)第一轮相关系数计算：使用Execl的CORREL函数，分别计算(H_u－H_d)与之间，以及H_u－H_d与之间的相关系数，结果分别为0.75和－0.63。

c)第二轮相关系数计算：由于|0.75|>|-0.63|，使用Excel的CORREL函数，分别计算与e之间、与e/H_u之间、与e/H_d之间的相关系数，结果分别为0.09、－0.98和0.07。

d)确定闸门过流公式的形式：由于Max(|0.75|,|0.09|,|-0.98|,|0.07|)的结果为0.98，以其对应的变量e/H_u作为自变量，为因变量，确定闸门过流公式的形式

e)率定闸门过流公式；以(即第(8)列)为因变量y，以e/H_u(即第(9)列)为自变量x，绘制散点图，并拟合回归式抛物线趋势线(如图3)，多项式的系数分别定为a、b、c、d，即a＝－7.2152、b＝13.35、c＝－9.4253和d＝2.8672。率定出的闸门过流公式为：

f)确定闸门过流公式的率定精度：应用率定的闸门过流公式，计算过闸流量Q_v，见第(12)列，计算其相对百分误差，结果见(13)，平均值为2.59％。好于常规公式10％～20％的估算水平。

g)使用经过率定的闸门过流公式计算闸门的开度，对闸门进行调控。首先，根据当前时刻的闸门开度e(t)，过闸流量Q(t)，闸前水位H_u(t)、闸后水位H_d(t)和流量调控目标值Q(t+1)，确定闸门开度调控增量：其中：

然后，基于当前的闸门开度e(t)，确定闸门调控目标开度：e(t+1)＝e(t)+△e；最后，输入闸门开度调节指令至机械系统，调整闸门开度至e(t+1)。

应用实例2：

南水北调中线工程牤牛河南支节制闸，闸门过流公式率定的步骤如下：

a)数据准备，如表2所示，第(1)列～第(6)列分别为闸前水位H_u，闸后水位H_d，闸门开度e，过闸流量Q，单闸宽度b，并列闸门数目N。

表2牤牛河南支节制闸过流公式率定表

b)第一轮相关系数计算。使用Execl的CORREL函数，分别计算(H_u－H_d)与之间，以及H_u－H_d与之间的相关系数，结果分别为0.75和－0.96。

c)第二轮相关系数计算。由于|-0.96|>|0.75|，使用Excel的CORREL函数，分别计算与e之间、与e/H_u之间、与e/H_d之间的相关系数，结果分别为0.68、0.69和0.43。

d)确定闸门过流公式的形式。由于max(|-0.96|,|0.75|,|0.69|,|0.68|)的结果为0.96，以其对应的变量H_u－H_d作为自变量，为因变量，确定闸门过流公式形式其中f(H_u-H_d)为回归式抛物线函数。

e)率定闸门过流公式。以(即第(8)列)为因变量y，以H_u－H_d(即第(9)列)为自变量x，绘制散点图，并拟合回归式抛物线趋势线(如图4)，多项式的系数分别定为a、b、c、d，即a＝0.4545、b＝－2.0648、c＝2.8611和d＝－0.4082。率定出的闸门过流公式为：

f)确定闸门过流公式的率定精度。应用率定的闸门过流公式，计算过闸流量Q_v，见第(12)列，并计算相对百分误差，结果见(13)，平均值为1.85％。好于常规公式10％～20％的估算水平。

g)使用经过率定的闸门过流公式计算闸门的开度，对闸门进行调控。首先，根据当前时刻的闸门开度e(t)，过闸流量Q(t)，闸前水位H_u(t)、闸后水位H_d(t)和流量调控目标值Q(t+1)，确定闸门开度调控增量：其中：

然后，基于当前的闸门开度e(t)，确定闸门调控目标开度：e(t+1)＝e(t)+△e；最后，输入15闸门开度调节指令至机械系统，调整闸门开度至e(t+1)。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如节制闸门的形式、各种公式的运用、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。