一种水闸生态流量改造与计量系统及其控制方法与流程

本发明涉及生态流量改造领域，尤其涉及一种水闸生态流量改造与计量系统及其控制方法。

背景技术：

1、生态流量是维系河湖生态系统结构和功能，提升河湖生态系统质量和稳定性的基础。长期以来，面对河道水能开发、取用水量增加和城市水景观等需求，拦河水闸等挡水工程日益增加，河道正常连通受阻，对生态流量的正常下泄提出了较大挑战。水闸作为最为常见的拦河建筑物，如何确保其生态流量的准确下泄与计量对保障下游生态流量至关重要。受功能与成本方面考虑，大多水闸在建设之初并未设置专门的生态流量下泄通道或鱼道，因此现状水闸生态流量的下泄主要有两种：一是通过发电尾水下泄并利用管道流量计计量；二是抬高局部闸门，利用闸底孔进行流量下泄，并利用理论计算或试验得出的不同水位条件下，开度～流量的关系曲线推算不同工况下的流量。第一种生态流量下泄方式具有较高的记录准确性，但该方案受上下游水位差影响较大，当水位差小于设计发电水头时，出于发电效益考虑，往往会关闭上游进水口以抬高上游水位，进而影响生态流量正常下泄；第二种利用下部底孔下泄生态流量一方面在上下游水位差较大时，会导致闸下产生复杂的湍流结构及震动，长期运行会影响水闸整体结构稳定与寿命，另一方面变化水位条件下的，不同开度～流量的关系具有较大差异，难以实现变化水位下生态流量的精准测量与实时调控。因此，亟需一种水闸生态流量改造与计量系统，在确保水闸整体结构稳定的基础上，实现生态流量精准计量和实时调控，同时也兼具结构简单、水流流态平顺、不新增占地等优势。

技术实现思路

1、本发明克服了现有技术的不足，提供了一种水闸生态流量改造与计量系统及其控制方法。

2、为达上述目的，以某单一闸室为例，本发明采用的技术方案为：

3、本发明第一方面公开了一种水闸生态流量改造与计量系统，包括固定建筑物、挡水装置、量水装置、测量装置、监测装置以及控制系统；

4、所述固定建筑物包括闸墩、支撑结构以及工作桥，所述闸墩两侧设有止水升降槽；

5、所述挡水装置包括上部挡板、中部挡板、下部挡板、电控柱销式密接车钩连接器以及滚轮；所述上部挡板临水面下部设有凹槽；所述中部挡板临水面上部设有凸槽，下部设有凹槽；所述下部挡板临水面上部设有凹槽；

6、所述量水装置包括量水堰板、密封边条以及滚轮；所述量水堰板上部有开槽，所述密封边条位于量水堰板背水面左右两侧及下部，在水压力的作用下量水装置、挡水装置和闸墩构成封闭的挡水体系；所述滚轮位于量水堰板左右两侧；

7、所述监测装置包括支撑杆与雷达水位计，所述支撑杆位于工作桥且末端伸入至上游河道，所述雷达水位计位于支撑杆末端，并可实时读取水位数据传输给中央控制系统；

8、所述控制系统包括中央控制系统、电控测量堰起重机、电控闸门起重机、第一牵引绳以及第二牵引绳；所述中央控制系统可接受雷达水位计监测得到的上游实时水位，并可控制电控测量堰起重机、电控闸门起重机和电控系统；所述第一牵引绳一端连接电控测量堰起重机，另一端连接量水装置；所述第二牵引绳一端连接电控闸门起重机，另一端连接上部挡板。

9、进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述电控柱销式密接车钩连接器包括壳体、钩舌、弹簧装置、电力装置、电控系统、电动绞盘、绳索、定滑轮；所述滚轮位于上部挡板、中部挡板、下部挡板两侧；所述电控柱销式密接车钩连接器位于上部挡板下部两侧、中部挡板上部和下部两侧、下部挡板的上部两侧。

10、进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述上部挡板、中部挡板、下部挡板可在电控闸门起重机与第二牵引绳的带动下在止水升降槽中上下运动；所述量水堰板可以在电控测量堰起重机与第一牵引绳的带动下在止水升降槽中上下运动，河道上游水体可通过量水堰板上的开槽进行泄流。

11、进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述上部挡板中的凹槽下部可与相邻中部挡板的凸槽耦合密接；所述中部挡板的凹槽可与相邻中部挡板的凸槽或下部挡板的凸槽耦合密接，并在水压力的作用下与闸墩构成封闭的阻水体系。

12、进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述钩舌尾部固结有手动解钩器；所述弹簧装置处于拉伸状态；所述弹簧装置一端连接壳体，另一端连接手动解钩器。

13、进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述电力装置为电控系统，所述电控系统受中央控制系统控制并可控制电动绞盘收放绳索；所述绳索一端连接电动绞盘，另一端连接手动解钩器。

14、进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述电控柱销式密接车钩连接器可在挡水装置的自重下实现自动锁钩，也可通过手动或电控系统驱动电动绞盘带动绳索运动的方式实现解钩；解钩时，位于同一高度的电控柱销式密接车钩连接器同步解钩。

15、进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述量水堰板开槽宽度与深度根据所需下泄生态流量确定；所述挡水装置、量水装置密度应大于水体密度，以便在自重与浮力作用下向下运动。

16、本发明第二方面公开了一种水闸生态流量改造与计量系统的控制方法，应用于任一项所述的一种水闸生态流量改造与计量系统，包括以下步骤：

17、根据所需生态流量下泄目标确定适宜的量水堰板的具体形式、开槽宽度、开槽高度和所需改造的水闸的闸孔数，进而确定所采用的堰流公式及适用水位范围；

18、优化挡水装置、增设量水装置、中央控制系统、雷达水位计、电控测量堰起重机、电控闸门起重机及第一牵引绳与第二牵引绳，并按预设关系安装与连接好装置，使得装置正常运作；

19、其中，装置运作时主要有四种情况：分别为3h0≤上游水位＜4h0；2h0≤上游水位＜3h0；h0≤上游水位＜2h0；上游水位＜h0；

20、其中，h0为上部挡板、两块中部挡板以及下部挡板的高度，且上部挡板、两块中部挡板以及下部挡板的高度相等。

21、进一步地，本发明的一个较佳实施例中，还包括以下步骤：

22、当出现第一种情况时，即3h0≤上游水位＜4h0，上游水位位于上部挡板之间；通过雷达水位计反馈的上游水位和下述堰流公式，反推出对应堰上水头h：当堰上水头h≤3h0时，通过中央控制系统控制上部挡板的电控柱销式密接车钩连接器解钩，并控制电控测量堰起重机拉动上部挡板上升，利用量水装置与其余挡板实现上部挡水及实时生态流量控泄；当堰上水头h0＞h≥3h0时，通过中央控制系统控制第一块中部挡板的电控柱销式密接车钩连接器解钩，并控制电控测量堰起重机拉动上部挡板和第一块中部挡板上升，利用量水装置与其余挡板实现上部挡水及实时生态流量控泄；当堰上水头h≥h0，启用其他改造水闸闸孔泄流，原理同上；

23、当出现第二种情况时：2h0≤上游水位＜3h0，上游水位位于第一块中部挡板之间，此时调控方式与原理和第一种情况相同；

24、当出现第三种情况时：h0≤上游水位＜2h0，上游水位位于第二块中部挡板之间；通过雷达水位计反馈的上游水位和下述堰流公式，反推出对应堰上水头h：当堰上水头h≤h0时，通过中央控制系统控制第二块下部挡板的电控柱销式密接车钩连接器解钩，并控制电控测量堰起重机拉动上部挡板和两块中部挡板上升，利用量水装置与其余挡板实现上部挡水及实时生态流量控泄；当堰上水头h0＞h≥h0时，启用其他改造水闸闸孔泄流，原理同上；

25、当出现第四种情况时：上游水位＜h0，上游水位位于下部挡板之间，此时量水堰板已无法进行生态流量下泄，考虑到此时上下游水位差较小，此情况仅在极枯年份发生，通过直接整体抬高挡水装置，运用闸门下部底孔下泄生态流量。

26、本发明的有益技术效果在于：

27、本发明通过固定建筑物、挡水装置、量水装置、测量装置、控制系统的有效结合，可在改善水流流态，且保障水闸结构安全、正常行洪和蓄水功能的前提下，通过堰流公式准确计算量水装置的过堰水流流量，并通过控制堰上水头实现动态水位下的生态流量实时调控，有效确保了下游河道生态流量达标；并且，可在不新增建设用地的前提下通过对已有闸室进行改造，即可实现水闸实时计量功能并具有较高的计量准确率，又可节约征拆投资；

28、本发明还提出了一种新型水闸生态流量控制方法，可通过选取不同形式、不同开槽深度与宽度的薄壁堰形式或改造闸室数量，以满足不同流域面积、不同宽度、不同水位变化范围河流的生态流量下泄需求，具有广泛的适用性。