南水北調(diào)東線自動化閘門聯(lián)合調(diào)度研究

趙天宇

（南水北調(diào)東線山東干線有限責任公司，山東濟南 250014）

南水北調(diào)東線自動化閘門聯(lián)合調(diào)度研究

趙天宇

（南水北調(diào)東線山東干線有限責任公司，山東濟南 250014）

針對南水北調(diào)東線濟南段渠道輸水工程，通過理論計算與實際歷史水情的對照，判定造成理論計算誤差中的“唯一變量”，研究推導出理論與實際唯一變量因數(shù)之間的規(guī)律關(guān)系。通過規(guī)律關(guān)系來校準理論計算公式，達到提升理論計算精準度的目的。

閘門聯(lián)合調(diào)度；南水北調(diào)；精準算法

對長距離調(diào)水工程，調(diào)度運行是調(diào)水工程最重要的工作內(nèi)容。自動化閘門聯(lián)合調(diào)度技術(shù)，目前在我國國內(nèi)尚屬于空白，相似研究僅在2013年都江堰有過類似研究和實驗。而在全球范圍內(nèi)，僅有澳大利亞具備相對成熟的技術(shù)。由于自動化閘門聯(lián)合調(diào)度技術(shù)影響算法的因素太多，所形成的算法只能適用于其研究所依托的工程，具有極強的專屬性，很難形成范用類型算法。

1 初步研究的邊界范圍

“自動化閘門聯(lián)合調(diào)度技術(shù)精準算法”（以下簡稱“聯(lián)調(diào)算法”），適用范圍是自流型輸水渠道，為保障該算法的準確性，在研究初期應截選一段具有代表性的渠段進行研究和實驗。通過對南水北調(diào)山東段全線自流型渠道進行篩選，濟東渠道段工程具備以上特征。同時，由于濟東渠道段工程自2014年第一次全線調(diào)水運行開始便一直使用淹沒出流計算調(diào)度控制閘門，其水情數(shù)據(jù)中可用于研究的有效水情較多，記錄完整度較高。

濟東渠道段工程以濟南市區(qū)段工程地下輸水暗涵出口為界，由上游濟南市區(qū)段工程及下游濟東明渠段工程組成，濟南市區(qū)段工程進一步又由利用小清河輸水段與穿濟南市區(qū)地下輸水暗涵工程組成，工程結(jié)構(gòu)多樣，具有較強代表性。

2 研究方法

通過對水工理論計算以及實際水情數(shù)據(jù)差異對比分析，確定理論計算中的唯一變量與實際水情對應數(shù)據(jù)的關(guān)系規(guī)律，從而研發(fā)出一套適用于該輸水渠段的聯(lián)調(diào)算法。同時，受淤積及工程情況等綜合因素影響，唯一變量規(guī)律也存在漸變。對此，以“深度學習”理念為基礎(chǔ)，不斷匯入歷次供水運行有效水情數(shù)據(jù)，在每次通水前、后重新率定理論計算唯一變量，確保聯(lián)調(diào)算法的精準性。

3 水工理論算法

濟東渠道段工程的閘門類型主要是節(jié)制閘和倒虹涵閘兩種，研究選取節(jié)制閘淹沒出流計算與倒虹吸淹沒出流計算，理論計算的主要目的是確定影響理論計算精確度的唯一變量。

3.1 節(jié)制閘淹沒出流計算

根據(jù)濟東渠道段工程特點，應采取底坎為寬頂堰型的閘孔出流。計算公式：

式中：e為閘門開啟高度；b為閘孔總寬度；H0為閘前水深；μ為閘孔自由出流的流量系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)。

1）流量系數(shù)：計算公式：

式中：ε為垂直收縮系數(shù)；φ為流速系數(shù)。其中，為方便確定唯一變量，流速系數(shù)取φ=1；垂直收縮系數(shù)ε的取值詳見表1。

表1

2）淹沒系數(shù)：通過圖1曲線查算。

3）唯一變量分析：由于人工修筑輸水渠道工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，所以當閘門開度發(fā)生變化時，閘門開啟高度e、閘孔總寬度b、閘前水深H0、重力加速度g、淹沒系數(shù)σs均可確定。而閘孔自由出流流量系數(shù)μ因為同時受到垂直收縮系數(shù)ε和流速系數(shù)φ兩個變量影響，所以可以選定μ為節(jié)制閘淹沒出流理論計算中的唯一變量，而φ因取值為1，因此可以判定ε是決定理論計算是否與實際情況相符的決定性因素。

圖1

3.2 倒虹吸淹沒出流計算

計算公式：

式中：μc為流量系數(shù)，μc=1/（λL/d+∑ξ出）1/2；λ為內(nèi)壁沿程阻力系數(shù)，一般取0.02～0.03；∑ξ出為局部阻力系數(shù)總和，此處應增加出口局部系數(shù)ξ出=1；ω為管道斷面面積（dh）；z為進出口水位差。

1）公式分析：淹沒出流時，下游流速水頭很小，因此管道系數(shù)μc中可不計α，推出μc=1/（λL/d+∑ξ出）1/2。進一步推出Q=dh·（2gz）1/2/（λL/ d+∑ξ出）1/2。

2）唯一變量分析：通過確認進出口水位差z、管道斷面面積ω。確定唯一變量是μc，主要受λ影響。

4 歷史水情數(shù)據(jù)分析方法

4.1 有效數(shù)據(jù)篩選

歷史水情數(shù)據(jù)的分析方法首先要對水情數(shù)據(jù)的有效性進行判定，規(guī)避經(jīng)驗調(diào)水及水位控制法調(diào)水等會造成頻繁閘門開度調(diào)整的調(diào)水方法，同時篩選排除因人工調(diào)度失誤造成的無效數(shù)據(jù)。

4.2 水情數(shù)據(jù)分類

水情表分類的依據(jù)是渠道內(nèi)流態(tài)的“變化期”與“平穩(wěn)期”，研究每一次調(diào)水運行期間“變化期”的水情演變規(guī)律以及“平穩(wěn)期”時各閘門開度、水位與流量之間的關(guān)系。

4.3 分析方法

1）以變化期為單位的變化：研究每次流量發(fā)生變化時，該渠段內(nèi)上下游各級閘門之間的變化關(guān)系及時間。尤其是在經(jīng)過人工理論測算調(diào)整閘門開度后仍舊需要微調(diào)的閘門，需要重點分析微調(diào)原因，因為微調(diào)的原因就是用于校核算法的關(guān)鍵變量。

2）以平穩(wěn)期為單位的變化：平穩(wěn)期的閘門開度與流量、水位的關(guān)系，是可以直接用作相似水情狀況下的重要調(diào)度參考依據(jù)，人工測算調(diào)度的目的就是為了讓渠道內(nèi)水流態(tài)達到平穩(wěn)狀態(tài)。閘門開度、流量與水位如果趨于穩(wěn)定，則證明在滿足某一末端節(jié)點流量控制要求的情況下，上游各級閘門所有變量都正好滿足末端節(jié)點流量控制要求。此時分析單個閘門的變量因素，就能串聯(lián)出該末端流量控制情況下各級閘門之間的變量關(guān)系。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)調(diào)度運行主要依靠人工計算和經(jīng)驗控制閘門開度，存在因調(diào)度技術(shù)人員業(yè)務(wù)水平差異及計算失誤造成的安全隱患。自動化閘門聯(lián)合調(diào)度技術(shù)，不但能夠提高閘門調(diào)度的精準性，還能夠避免人為因素造成的安全隱患。在遭遇突發(fā)事故需要緊急關(guān)閉全線所有閘門的時候，通過測算事發(fā)地上下閘門聯(lián)合調(diào)度應急變化，可以精準計算最短關(guān)閘時間及關(guān)閘次序，對保障人民生命財產(chǎn)安全和工程安全具有重要意義。從輸水工程的調(diào)度運行管理角度綜合分析，自動化閘門聯(lián)合調(diào)度必將逐步取代人工調(diào)度。

（責任編輯 趙其芬）

TV66

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1009-6159（2016）-12-0023-02

2016-06-20

趙天宇（1989—），男，助理工程師