一种基于双线互通连续多级船闸的省水控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于双线互通连续多级船闸的省水控制方法，属于省水船闸技术领域。

背景技术

船闸作为通航建筑物的主要型式，在发展内河航运中作用重大。为了提高通航能力，许多通航枢纽在已有船闸的基础上增建复线船闸。过闸船舶的增加和复线船闸的广泛应用使得船闸耗水量激增，在水资源日益匮乏的今天，上游来水量一定的情况下，船闸耗水容易与枢纽发电、灌溉等用水产生矛盾。特别是在天然流量不足、水资源短缺的地区，节约和合理利用水资源已经成为实现可持续发展的一个必须解决的问题。此外，省水船闸还具有降低工作水头的特点，适合我国落差大、枯水季节缺水的河流。创新船闸省水技术对促进国民经济发展、适应中国航运的发展、提升船闸运营的经济效益、响应国家环保政策的号召有着重要意义。

省水船闸主要包含可分以下为三大类，第一类是多级船闸，即在某个枢纽中，沿船闸纵轴线方向有两级及两级以上闸室的船闸称为多级船闸，多级船闸又可分为连续多级船闸和设中间渠道的多级船闸。在水头差较大的河段修建多级船闸，不仅可以降低每次过闸的水头差，增强船舶过闸安全性，也可以起到降低每次过闸耗水量、节约水资源的目的。以连续三级船闸为例，其主体部分主要由闸首、闸室和引航道组成。闸首是将上、下闸室或者闸室与上、下游引航道隔开的挡水建筑物，第1闸首(1)位于上游端称为上闸首，第4闸首(4)位于下游端称为下闸首，第2闸首(2)和第3闸首(3)称为中闸首，在闸首内设有主阀门(10)与灌泄水用的主廊道(11)。闸室是位于闸首之间可供过闸船舶停泊的区域，包括第1闸室(5)、第2闸室(6)、第3闸室(7)。引航道是连接船闸上、下闸首与上、下游航道的一段限制性航道，分为上游引航道(8)和下游引航道(9)。

将连续N级船闸的闸首从上游向下游依次命名为第1闸首、…、第N+1闸首，闸室依次为第1闸室、…、第N闸室；连续多级船闸的水级划分按照船闸的补水、溢水情况，可分为不补不溢、只补不溢、只溢不补以及有补有溢4大类。补水或溢水会增加用水量，在水资源紧缺地区宜采用不补不溢的水级划分方法；某个闸室与该闸室相邻的两个闸首形成某一级船闸，连续N级船闸总水头N×H，每级船闸分担水头H，每级闸室水位变幅为H，定义低水位时水深为0，定义高水位时水深H，上游引航道和下游引航道的水位不变，水深始终为0；中闸首的上、下闸室水深为H、0时，水头差为2H，上、下闸室水深为0、H时，水头差为0；第1闸室水深0或H时，上闸首水头差H或0；第N闸室水深H或0时，下闸首水头差H或0；

连续多级船闸运行时，以闸首序号的奇偶性将闸首分为两类，序号为奇数的闸首称为偶数号闸首，序号为偶数的闸首称为奇数号闸首。在某时刻奇数号闸首输水，上下级闸室水位齐平，可分别打开奇数号闸首的闸门，船舶可通过奇数号闸首，船舶从下游引航道或下一级闸室上行到上一级闸室或上游引航道，或者从上游引航道或上一级闸室下行到下一级闸室或下游引航道，再关闭奇数号闸首的闸门；在下一时刻则是偶数号闸首输水，上下级闸室水位齐平，可分别打开偶数号闸首的闸门，船舶可通过偶数号闸首，继续上行或下行，关闭偶数号闸首的闸门；如此循环可实现船舶连续过闸；

因此，上下相邻级闸室水深出现H、0或0、H交替变化状态，是连续多级船闸顺利运行的充分必要条件；以连续二级船闸为例，水深变化如下表，状态1是奇数号闸首输水，状态2是偶数号闸首输水，每2步为一个循环，每个循环中，从上游取水量H×S，向下游泄水H×S，S为闸室水域面积；

第二类是双线互通船闸，双线船闸之间有互通廊道(13)和互通阀门(12)，是一种利用双线船闸闸室互为省水池的船闸。其输水过程主要分为两部分：一是互相输水过程，打开互通廊道的互通阀门(12)使水深较大闸室向另一线船闸同一级水深较小的闸室输水；二是每线船闸各自输水过程，在双线船闸同一级闸室互灌互泄完成后，再由上游或每线船闸的上一级闸室取水向下游或下一级闸室充水。但是此类省水技术是在双线都同时运行时才可以实现省水。双线互通船闸不另设专门的省水池，具有成本低的优势。但如果来船量减少，只启用一线船闸则不会具有任何省水效果，与单线船闸无异。

以双线连续二级互通船闸为例，水深变化如下表，e为左右闸室互相输水时剩余水头；状态1为A线船闸奇数号闸首、B线船闸偶数号闸首输水、开门、移泊和关门，状态2为A线船闸奇数级闸室向B线船闸同一级闸室输水、B线船闸偶数级闸室向A线船闸同一级闸室输水，状态3为A线船闸偶数号闸首、B线船闸奇数号闸首输水、开门、移泊和关门，状态4为A线船闸偶数级闸室向B线船闸同一级闸室输水，B线船闸奇数级闸室向A线船闸同一级闸室输水，每4步为一个循环，每个循环中，从上游取水量(H+e)/2×S，省水(H-e)/2×S；

这一类双线互通船闸，闸室水深有H、(H+e)/2、0、(H-e)/2等4种状态，循环出现，对应图3中A线船闸Z

第三类是带有省水池的船闸，具体是在船闸每级闸室边上设一级或多级省水池(14)，闸室与省水池之间有省水廊道(15)与省水阀门(16)。当闸室泄水时，不是直接泄向下游或下一级闸室，而是先泄向省水池，当闸室充水时，先从省水池取水，再向上游或上一级闸室取水。由于省水池高度、面积有严格的设计要求，因此带有省水池的船闸造价成本高，且占地面积大。

如每级闸室配设一级省水池，而且省水池、闸室水域面积的相等时，省水池低水位高于闸室低水位(H+e)/3，如图4中省水池Z

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于双线互通连续多级船闸的省水控制方法，本发明就将两种省水方式进行创新结合，在船闸来船量减少之后关闭其中一线船闸作为运行船闸的省水池，使双线相互灌泄水船闸只有一线在运行时也可以实现省水效果；在来船量增多之后可以在适合的水深时将作为省水池的船闸重新运行，转换为相互灌泄水船闸，本发明实现了对船闸的最大利用，达到最佳的省水效果。

优先地，双线船闸包括A线船闸和B线船闸，运行模式包括互灌互泄模式和省水控制模式，设定阈值，基于等待通过船闸的船舶数量切换互灌互泄模式和省水控制模式；

当等待过闸的船舶数量高于阈值时，省水控制模式切换为互灌互泄模式或当前为互泄互灌模式时继续保持互灌互泄模式，在互灌互泄模式下，A线船闸和B线船闸均正常运行，输水过程包括A线船闸闸室或B线船闸闸室之间各自通过主阀门控制的闸首输水过程和双线船闸闸室之间通过互通阀门控制的互通输水过程；

当等待过闸的船舶数量低于阈值时，互灌互泄模式切换为省水控制模式或当前为省水控制模式时继续保持省水控制模式，在省水控制模式下，A线船闸正常运行，B线船闸作为A线船闸的省水池，输水过程包括A线船闸闸室之间通过主阀门控制的闸首输水过程和双线船闸闸室之间通过互通阀门控制的互通输水过程，B线船闸闸室之间无闸首输水过程。

在省水控制模式时，A线船闸上下相邻级闸室水深和是否始终等于H，是确保A线连续多级船闸顺利运行的关键，作为省水池的B线船闸上下相邻级闸室水深和是否始终等于H，是省水控制模式能否及时切换为互灌互泄模式的关键；

优先地，每线连续N级船闸包括N+1个闸首、N个闸室、上游引航道和下游引航道；从上游向下游闸首依次为第1闸首、…、第N+1闸首，第1闸首为上闸首，第N+1闸首为下闸首，其余闸首为中闸首，以闸首命名中的序号为衡量标准，序号为偶数的闸首定义为偶数号闸首，序号为奇数的闸首定义为奇数号闸首，同为偶数号闸首或者同为奇数号闸首定义为序号奇偶性相同的闸首，偶数号闸首与奇数号闸首定义为序号奇偶性相反的闸首；相邻两个闸首之间均有一个闸室，从上游向下游依次为第1闸室、…、第N闸室；某个闸室与该闸室相邻的两个闸首形成某一级船闸，定义闸室低水位时水深为0，定义闸室高水位时水深为H，连续N级船闸总水头为N×H，每级船闸分担水头H，每级闸室水位变幅为H，上游引航道和下游引航道的水深均始终为0；

以双线连续二级为例，省水控制模式水深变化如下表，状态0为初始状态，状态1、5、9为A线船闸奇数级闸室向B线船闸同一级闸室输水，B线船闸偶数级闸室向A线船闸同一级闸室输水，状态2、6、10为A线船闸偶数号闸首输水、开门、移泊和关门，状态3、7、11为A线船闸偶数级闸室向B线船闸同一级闸室输水、B线船闸奇数级闸室向A线船闸同一级闸室输水，状态4、8、12为A线船闸奇数号闸首输水、开门、移泊和关门；每4步为一个循环，每个循环中，A线船闸、B线船闸互相输水时，闸室水深不断变化，A线船闸从上游取水量也不断变化，但始终满足每线船闸上下相邻级闸室水深和等于H的条件，说明省水控制模式可行，且可随时切换为互灌互泄模式；

上行船舶出闸时，第1闸室水深为H；下行船舶出闸时，第N闸室水深为0，N为偶数的船闸第1闸室水深为H，N为奇数的船闸第1闸室水位为0；

上行船舶进闸时，第N闸室水深为0，N为偶数的船闸第1闸室水深为H，N为奇数的船闸第1闸室水位为0；下行船舶进闸时，第1闸室水深为H；

两种转换时水深条件与B线船闸船舶行驶方向有关；互灌互泄模式转换为省水控制模式时可按B线船闸第1闸室水深条件判别，省水控制模式转换为互灌互泄模式时，B线船闸第1闸室水深条件是不定值，需按A线船闸第1闸室水深条件判别；两种转换时第1闸室水深条件见下表

优先地，当互灌互泄模式转换为省水控制模式时，船舶不再进入作为省水池的B线船闸，等待B线船闸内的船舶全部出闸且B线船闸闸门全部关闭，此时如B线船闸原为上行，B线船闸第1闸室水深为H，如B线船闸原为下行，N为偶数时的B线船闸第1闸室水深为H或N为奇数时的B线船闸第1闸室水深为0；每线船闸的所有闸室水深分布为H和0的交错状态，且双线船闸同一级闸室水深分布为H和0的交错状态，水深满足上述条件则可转换为省水控制模式，停止运行B线船闸，继续运行A线船闸；

如A线船闸第1闸室水深为0，则具备B线船闸下行船舶进入第1个闸室闸、或N为偶数时的B线船闸上行船舶进入第N个闸室进闸的条件，如A线船闸第1闸室水深为H，则具备N为奇数时的B线船闸上行船舶进入第N个闸室进闸的条件；此时利用与A线船闸输水闸首序号奇偶性相反的B线船闸闸首进行输水，即可恢复到每线船闸的所有闸室水深分布依次为H和0的交错状态，且双线船闸同一级闸室水深分布为H和0的交错状态，作为省水池的B线船闸可重新开始运行，转换为互灌互泄模式。

优先地，等待B线船闸内的船舶全部驶离B线船闸，B线船闸第1闸室水深为H时，则A线船闸第1闸室水深为0，定义X为偶数且Y为奇数，若B线船闸第1闸室水深为0时，则A线船闸第1闸室水深为H，定义X为奇数且Y为偶数；将A线船闸作为正常运行的船闸，B线船闸作为省水池，省水控制模式包括以下步骤：

步骤0，A线船闸第X闸首输水、开门、移泊和关门完成，A线船闸第X闸室水深为H，A线船闸第Y闸室水深为0；对应的B线船闸第X闸室水深为0，B线船闸第Y闸室水深为H，B线船闸内的船舶已全部出闸；

步骤1，B线船闸第Y闸室向A线船闸同一级闸室输水，B线船闸第Y闸室水深变为

A线船闸第X闸室向B线船闸同一级闸室输水，A线船闸第X闸室水深变为

步骤2，A线船闸中相邻的第X闸室与第Y闸室的水深和等于H，A线船闸第Y闸首输水完成，A线船闸第Y闸室水深变为H，A线船闸第X闸室水深变为0，打开A线船闸第Y闸首的闸门；B线船闸的闸室水深保持不变；

A线船闸上行时，船舶从A线船闸第Y闸室进入上一级的A线船闸第X闸室，下行时船舶从A线船闸第X闸室进入下一级的A线船闸第Y闸室，关闭A线船闸第Y闸首的闸门；

步骤3，A线船闸第Y闸室向B线船闸同一级闸室输水，A线船闸第Y闸室水深变为

B线船闸第X闸室向A线船闸同一级闸室输水，B线船闸第X闸室水深变为

步骤4，A线船闸中相邻的第X闸室与第Y闸室的水深和等于H，A线船闸第X闸首输水完成，A线船闸第X闸室水深为H，A线船闸第Y闸室水深为0，打开A线船闸第X闸首的闸门；B线船闸闸室水深保持不变；

A线船闸上行时，船舶从A线船闸第X闸室进入上一级的A线船闸第Y闸室，下行时船舶从A线船闸第Y闸室进入下一级的A线船闸第X闸室，关闭A线船闸第X闸首的闸门；

步骤5，n加1，循环步骤1至步骤4；

在步骤0、步骤2或步骤4中，如果是A线船闸上闸首输水后，则上游引航道水深始终为0，A线船闸第1闸室水深为H，A线船闸上闸首的闸门打开，船舶在上游进出A线船闸，关闭A线船闸上闸首的闸门；如果是A线船闸下闸首输水后，A线船闸第N闸室水深为0，下游引航道水深始终为0，A线船闸下闸首的闸门打开，船舶在下游进出A线船闸，关闭A线船闸下闸首的闸门；

优先地，如果在步骤0中A线船闸第1闸室水深为H，则X为奇数，步骤3中A线船闸第1闸室水深

优先地，步骤0中，A线船闸第Y闸室水深为0，设B线船闸第Y闸室水深设为B

步骤1中，B线船闸第Y闸室向A线船闸同一级闸室输入水深为

步骤2中，A线船闸第Y闸室水深变为H，B线船闸第Y闸室水深保持为

步骤3中，A线船闸第Y闸室向B线船闸同一级闸室输入水深为

步骤4中，A线船闸第Y闸室水深变为0，B线船闸第Y闸室水深保持不变为

推导得到步骤1中，A线船闸第Y闸室水深为

步骤3中A线船闸第Y闸室水深为

优先地，步骤0中，A线船闸第X闸室水深为H，设B线船闸第X闸室水深设为B″

步骤1中，A线船闸第X闸室向B线船闸同一级闸室输入水深为

步骤2中，A线船闸第X闸室的水深变为0，B线船闸第X闸室水深保持为

步骤3中，B线船闸第X闸室向A线船闸同一级闸室输入水深为

步骤4中，A线船闸第X闸室的水深变为H，B线船闸第X闸室水深保持为

推导得到步骤1中，A线船闸第X闸室水深为

步骤3中，B线船闸第X闸室的水深为

优先地，当省水控制模式转换为互灌互泄模式时，利用与A线船闸输水闸首序号奇偶性相反的B线船闸闸首进行输水；

步骤2中，B线船闸闸室水深同步骤1水深，B线船闸第Y闸室水深变为

步骤4中，B线船闸闸室水深同步骤3水深，B线船闸第X闸室水深为

因此可以完美做到双线船闸上下相邻级、左右同一级闸室的水深处于H或0交错分布状态，完成省水控制模式到互灌互泄模式的转换，不需要对A线船闸或B线船闸进行补水或溢水调节，证明了省水池模式转为互灌互泄模式的合理性与可行性。

本发明所达到的有益效果：

本发明中详细阐述了互灌互泄模式和省水控制模式在双线互通船闸运行过程中完美切换过程，解释了省水控制模式下具体的运行过程，每个步骤中详尽的阐述了船闸闸室的水深与船舶位置状态；本发明方法与现有技术中的省水池船闸水深状态存在差别，现有技术中的省水池水深变幅是固定值，而本发明中的省水控制模式下省水池的水深变幅在不断变化，互灌互泄模式则跟现有技术中运行方式相同；

本发明就上述多级船闸、双线互通船闸、带省水池船闸三种省水船闸进行创新结合，将省水池省水技术与相互灌泄水省水技术结合起来，做到二者的省水技术的互补；对双线相互灌泄船闸在来船量减少时，做到可以转换为另一种省水方法，即通过其中一线作为省水池进行船闸的运行，实现省水技术的转换和对船闸的最大利用。当来船量增多之后可以重启其中作为省水池的船闸，继续采用双线互灌互泄技术运行。本发明的关键点在于在船闸特定水深下运行过程中，这两种省水方法的转换可以完美进行，不需要对船闸进行补水或溢水调节，实现了对省水技术的创新应用。

附图说明

图1为连续三级船闸纵断面示意图；

图2为双线互灌互泄连续三级船闸平面图；

图3为双线互灌互泄船闸运行水位变化过程示意图；

图4为省水船闸运行水位变化过程示意图；

图5为本发明中省水控制模式下运行水位变化过程(一)示意图；

图6为本发明中省水控制模式下运行水位变化过程(二)示意图；

图7为本发明中双线互灌互泄模式下A1(A3、B2)和A2(B1、B3)运行水深变化过程示意图；

图8为本发明中省水控制模式下A1(A3)和A2运行水深变化过程示意图；

图9为本发明中省水控制模式下B1(B3)和B2运行水深变化过程示意图；

图10为本发明中两种模式下A1(A3)和A2运行水深变化过程示意图；

图11为本发明中两种模式下B1(B3)和B2运行水深变化过程示意图。

图中：1-第1闸首；2-第2闸首；3-第3闸首；4-第4闸首；5-第1闸室；6-第2闸室；7-第3闸室；8-上游引航道；9-下游引航道；10-主阀门；11-主廊道；12-互通阀门；13-互通廊道；14-省水池；15-省水廊道；16-省水阀门。

具体实施方式

以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

结合实施例具体说明：

以连续三级船闸为例，从上游到下游依次为第1级、第2级、第3级船闸，双线分别为A线船闸与B线船闸，为表述方便用A1、A2、A3代表A线船闸第1、第2、第3闸室，B1、B2、B3代表B线船闸第1、第2、第3闸室，总水头80m，每级船闸水头H为26.67m，e设为2.0m。

转换方式设为：互灌互泄模式→省水控制模式→互灌互泄模式，转换时闸室水深如下表

以B线船闸上行为例，

下表中，

互灌互泄模式时，A1、A3、B2闸室水深相同，A2、B1、B3闸室水深相同，水深变化曲线如图7所示，呈现H、(H+e)/2、0、(H-e)/2，即26.67m、14.33m、0m、12.33m周期性变化，每线上下相邻级、双线左右同一级闸室水深和均等于H＝26.67m。

上表步骤7为省水控制模式的初始水深条件，子步0；子步1，A2向B2输水，B1、B3分别向A1、A3输水；子步2，A线船闸第1、第3闸首输水、开门、移泊和关门，下行船舶

在省水控制模式运行时，A1(A3)、A2闸室水深，B1(B3)、B2闸室水深变化曲线如图8、图9所示，闸室水深不断在变化中；循环数n≥5以后，B线船闸闸室在(H+e)/3＝9.56m、(2H-e)/3＝17.11m两种水深交替变化，省水高度(H-2e)/3＝7.56m，接近每级闸室带一级省水池的船闸省水率30％；A线船闸闸室在H＝26.67m、2(H+e)/3＝19.11m、0m、(H-2e)/3＝7.56m四种水深交替变化，其中e不宜大于0.1H。

图8、图9中显示，在省水控制模式的每一子步中，A1(A3)+A2、B1(B3)+B2水深和始终等于H＝26.67m。当来船量不断增加，比如上表子步13的下一步，A线船闸第1、第3闸首输水、开门、移泊和关门，A1水深为26.67m，此时B线船闸第2、第4闸首输水，B1(B3)水深变为0，B2水深为26.67m，下游上行船舶

双线连续多级船闸无论互灌互泄模式还是省水控制模式，A线船闸、B线船闸的上下相邻级闸室水深和始终等于H＝26.67m，分别在步骤7、步骤21转换时，闸室水深变化如图10、图11所示，A线船闸运行方式，始终没有改变。在省水控制模式运行时，B线船闸无船，转换为互灌互泄模式时，B线船闸上行还是下行，可以根据实际来船流量流向确定，比如步骤21可转换为B线船闸上行，也可在步骤19转换为B线船闸下行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。例如在实际操作过程中，可以直接在步骤0时，将B线船闸第Y闸室向B线船闸下一级第X闸室泄水(H+e)/3，即可让省水控制模式直接进入最后水深交替变化的稳定状态，但是这样会造成省水效率的下降。