長距離明渠輸水系統(tǒng)運(yùn)行控制方式的研究

占方晶

(九江市水利電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 九江 332000)

長距離明渠輸水系統(tǒng)運(yùn)行控制方式的研究

占方晶

(九江市水利電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 九江 332000)

對于長距離調(diào)水工程來說，無論是控制還是調(diào)度方面都很復(fù)雜，造成復(fù)雜的原因很多，比如線路跨度大、調(diào)節(jié)時(shí)間長、控制站點(diǎn)分布非常廣泛、流量大以及供水不能間斷等等。文章以上游、中點(diǎn)、下游常水位以及控制容易運(yùn)行方式為重點(diǎn)研究對象，結(jié)合實(shí)例計(jì)算了下游及中點(diǎn)位常水位運(yùn)行控制方式，通過模擬非恒定流典型數(shù)學(xué)模型，采用特征線法，計(jì)算不同控制方式下非恒定流過程。

明渠；輸水系統(tǒng)；運(yùn)行；控制方式

對于長距離調(diào)水工程來說，無論是控制還是調(diào)度方面都很復(fù)雜，造成復(fù)雜的原因很多，比如線路跨度大、調(diào)節(jié)時(shí)間長、控制站點(diǎn)分布非常廣泛、流量大以及供水不能間斷等等[1-4]。在這種條件下，當(dāng)運(yùn)行水位偏離水位的正常情況時(shí)，要想調(diào)節(jié)渠道水流并讓其保持穩(wěn)定，對其控制就會(huì)比較困難。且調(diào)水前如果可調(diào)節(jié)的水庫數(shù)量少，調(diào)蓄能力較差，也會(huì)增加調(diào)水的難度。以南水北調(diào)為例，在中線上的干渠線路上不存在可以調(diào)節(jié)蓄水的水庫，就導(dǎo)致運(yùn)行存在較大的問題。此外，多水源調(diào)度也會(huì)增加調(diào)水系統(tǒng)進(jìn)行控制的難度[5-7]。南水北調(diào)中線工程為好多個(gè)水源共同調(diào)水，當(dāng)這些水源的供水來源不持續(xù)時(shí)，就需要經(jīng)常地調(diào)整整條線路的水流，才能不斷滿足于隨時(shí)發(fā)生的變化。由于工程分水口多，且需水量不固定，這很大程度上增加了調(diào)水控制的難度。是否能夠科學(xué)地進(jìn)行調(diào)度不僅影響工程的安全狀況，也影響工程的運(yùn)行成本。

提升輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率、充分挖掘工程的潛力對輸水工程非常重要，同時(shí)對于提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，也有較高的現(xiàn)實(shí)意義，最關(guān)鍵的是能夠保障工程的順利實(shí)施[8-9]。

1 算例介紹

對于渠道輸水工廠的運(yùn)行和調(diào)度來說，有多種不同的控制方式。當(dāng)然不同的控制方式渠道內(nèi)所流淌的水其穩(wěn)定性等特性也不同，這意味著流量變化后從一個(gè)狀態(tài)到新的穩(wěn)定狀態(tài)所花費(fèi)的時(shí)間長短不一、方式也有所變化。并且由于不同的控制方式對渠系水位和超高的要求不同，導(dǎo)致相對應(yīng)的建設(shè)量也會(huì)有差距。長距離明渠輸水系統(tǒng)分為4種控制的方式，分別為上游常水位、下游常水位、中點(diǎn)常水位、控制容量法，這幾種方式是根據(jù)渠段里水位不動(dòng)點(diǎn)的位置所劃分的。首先文章將會(huì)先對這幾種方式作簡單的說明，并詳細(xì)分析2種運(yùn)行方式，中點(diǎn)常水位控制和下游常水位控制。再從恒定流和非恒定流的穩(wěn)定時(shí)間、水位波動(dòng)、蓄量變化等幾個(gè)方面進(jìn)行相互對照分析，以驗(yàn)證不同運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

文章列舉的計(jì)算實(shí)例是一個(gè)明渠輸水系統(tǒng)的渠首段，在此進(jìn)行簡單地說明：渠段整體長度為30km，底部寬約40m，底坡1/25010，預(yù)設(shè)的流量為602 m3/s，糙率為0.015，邊坡系數(shù)為3。我們預(yù)設(shè)渠段的上段為一個(gè)水的深度一直維持在8.5m的大型水庫，運(yùn)行到中點(diǎn)常水位時(shí)，水庫的深度為7.89m，下段在常規(guī)水位運(yùn)行時(shí)，閘前該水庫的深度為7.456m，如圖1。

2 渠道運(yùn)行方式介紹

2.1 下游常水位運(yùn)行方式

該方式的控制點(diǎn)位于渠道下游，以便來調(diào)節(jié)下游段的水位使其保持在不變的狀態(tài)，該控制方式主要優(yōu)點(diǎn)是建設(shè)的費(fèi)用開支更少。這種運(yùn)行方式下可將渠道的大小設(shè)計(jì)為能夠通過最大恒定流，恒定流狀態(tài)下水的深度不能超過所設(shè)計(jì)的正常狀態(tài)下水的深度。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的流量大于棱柱體渠道的流量，同時(shí)設(shè)計(jì)水面線高于水面線，設(shè)計(jì)水面線坡度也大于水面坡度，因此渠道尺寸的超高才能夠做到最小，從而降低建造的花費(fèi)，如圖2。

圖1 某工程渠首圖

圖2 下游常水位

圖3 上游常水位

其缺點(diǎn)是在這種運(yùn)行方式需要更多的時(shí)間來達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，因?yàn)榱髁扛淖儠r(shí)需要調(diào)節(jié)的水體規(guī)模太大，導(dǎo)致調(diào)整水流所花費(fèi)的時(shí)間較長。在下游常水位運(yùn)行時(shí)前，應(yīng)該提前預(yù)定用戶所需要的水的總量，進(jìn)行調(diào)度、調(diào)整水流的時(shí)候才能夠有時(shí)間保障，以保證供水能夠有條不紊地進(jìn)行。當(dāng)然，如果用戶需水臨時(shí)發(fā)生改變，也會(huì)給渠道的運(yùn)行及控制造成困擾。

2.2 上游常水位運(yùn)行方式

這是維持上游的水深恒定不變無變化的一種控制方式，該方式所能控制的水流支樞點(diǎn)位于渠段的上游一側(cè)，一般設(shè)計(jì)的流量都會(huì)大于渠道的流量。為了將上游端的水深度維持恒定的狀態(tài)，設(shè)計(jì)水面線要位于水面線位的下面。從沒有流量到流量最大值之間的蓄量就可以充分被利用起來，對分水口、下游的蓄水發(fā)生的改變作出快速的反應(yīng)，因此就達(dá)到了蓄水的目的，這也是該控制方式的主要優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)該控制方式也有缺點(diǎn)，為保證沒有流量的時(shí)候水面線保持在渠堤之下，這一段的渠岸一定是水平狀態(tài)，這就要更多的建設(shè)開支，因此應(yīng)用較少，如圖3。

2.3 中點(diǎn)常水位運(yùn)行方式

中點(diǎn)常水位控制即等容積控制，通過維持渠段的中點(diǎn)水位保持在恒定的狀態(tài)，在水的流量發(fā)生變動(dòng)時(shí)，以渠池的中點(diǎn)為軸水面轉(zhuǎn)動(dòng)，總的蓄量才得以保持穩(wěn)定。中點(diǎn)常水位方式有利的是能夠快速調(diào)整渠道的水流情況。其不利的是必須抬高下游渠堤的堆砌高度。雖然與上游常水位方式相比，建設(shè)量相對要小得多，但是等容量運(yùn)行方式人工不容易完成，必須用自動(dòng)化進(jìn)行控制操作，如圖4。

圖4 中點(diǎn)常水位

2.4 控制容量運(yùn)行方式

控制容量即控制渠道中各個(gè)渠段的蓄水量，來進(jìn)行整個(gè)渠段的調(diào)水工作。不同用水戶其需水量不同，用水情況也時(shí)常發(fā)生變化。通過調(diào)節(jié)渠段的蓄水能力可以滿足不同用戶的用水需求。渠段蓄水量作為控制容量運(yùn)行的基本資料，應(yīng)及時(shí)觀察流量和水深這兩個(gè)數(shù)值。如果渠段好比水庫的話，那么渠道就像串在一起的眾多水庫，渠段內(nèi)的水面線不會(huì)恒定不變而是有時(shí)升高有時(shí)降低?？刂迫萘窟\(yùn)行方式的靈活度相對其他幾種來說屬于最高，沒有常水位的約束，只要保證水位波動(dòng)在可以接受的范圍之內(nèi)，在正常、非常及緊急各種情況下渠道都能夠輸水。對于突發(fā)情況來說，這種運(yùn)行方式最能夠有效地進(jìn)行控制，而若使用其它的運(yùn)行方式時(shí)就需要啟動(dòng)退水閘或調(diào)用調(diào)蓄水庫的水量?？刂迫萘康姆绞揭灿凶陨淼娜秉c(diǎn)，就是必須使用監(jiān)控系統(tǒng)才能統(tǒng)一操作控制渠道系統(tǒng)，這導(dǎo)致在不能模擬渠道水力學(xué)的情況下，不容易完成復(fù)雜的控制容量方式。

3 不同運(yùn)行方式下恒定流蓄量變化研究

設(shè)計(jì)渠道時(shí)，按照流量設(shè)計(jì)和渠道參數(shù)來確定固定流水面線，并明確渠道中不同點(diǎn)的水位設(shè)計(jì)高度。因此，在設(shè)計(jì)條件下，不管采用何種控制方式(下游常水位或等容積)，渠道的水面線都具有唯一性?？墒钱?dāng)設(shè)計(jì)的流量大于渠道運(yùn)行的流量時(shí)，渠道水面線與控制方式處于完全不相同的狀態(tài)。相同的渠道分別使用等容積和下游常水位運(yùn)行方式時(shí)，零流量以及設(shè)計(jì)流量的Q=100m3/s水面線如圖5所示，文章所研究的兩種調(diào)度控制方式，均以設(shè)計(jì)流量和水面線均相同為前提條件。

圖5 不同運(yùn)行方式下的水面線

從以上表圖及相關(guān)分析可知：

1)在流量運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)，中點(diǎn)常水位的水面線比閘前常水位的水面線要高，所以與中點(diǎn)常水位相比，渠段總蓄水量要小的多。

2)如果輸水的流量調(diào)整減少，各個(gè)渠段的閘前常水位模式的蓄水總和將會(huì)有所減少；將渠道的中間作為臨界的界限，中點(diǎn)常水位模式下渠段蓄量變少，與之相反，中點(diǎn)常水位模式下渠段蓄量增大，但是總的蓄水量保持在一個(gè)水平不變。當(dāng)流量調(diào)整有所增加時(shí)，情況恰恰相反。

3)如果輸水的流量變化基本相同，渠段內(nèi)下游需要花費(fèi)更多的時(shí)間來達(dá)到穩(wěn)定，因?yàn)榕c需要改變的中點(diǎn)常水位調(diào)蓄水體的體積相比，下游常水位必須調(diào)整的水體體積更大一些。

4)分析可知，在流量變化相同的條件下，多渠段一起串聯(lián)的結(jié)果是渠段越多渠道就越長，下游常水位下，如果蓄水量的改變跨度越大，渠段也將消耗更多地時(shí)間來維持恒定。在中點(diǎn)常水位條件下，則不會(huì)因?yàn)榍未?lián)在一起而增加總的調(diào)蓄體積，多個(gè)渠段完成蓄量改變的時(shí)間與單個(gè)渠段完成蓄量改變所消耗的時(shí)間基本相同。

4 基于非恒定流仿真下的不同運(yùn)行方式比較

作為一個(gè)非恒定流過程，渠道的水流變化在渠道的實(shí)踐實(shí)施中的運(yùn)行方式不同。不同的運(yùn)行方式下，過渡時(shí)間以及渠道水位的波動(dòng)時(shí)間也不盡不同。依照不同的運(yùn)行方式，文章將各自創(chuàng)建不同的單渠道數(shù)學(xué)模型，來進(jìn)行模擬非恒定流狀態(tài)。計(jì)算的前提條件是穩(wěn)定狀態(tài)：如果某一狀態(tài)下的水深與新狀態(tài)下的水深的差值<0.00001，且時(shí)間足夠2h，那么我們普遍認(rèn)為已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)新的穩(wěn)定性較好的狀態(tài)，該調(diào)度工況的穩(wěn)定時(shí)間即為從開始穩(wěn)定到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)所經(jīng)歷的總時(shí)間。文章再次假設(shè)四種不同運(yùn)行方式下游需水流量在60分鐘內(nèi)分別為100-200m3/s，200-100m3/s，100-400m3/s，400-100m3/s。

模擬非恒定流數(shù)學(xué)模型，不同運(yùn)行方式的斷面水位變化關(guān)系如圖6-圖13所示。

圖6 下游常水位運(yùn)行時(shí)渠段各斷面水位變化

圖8 下游常水位運(yùn)行時(shí)渠段各斷面水位變化

圖9 中點(diǎn)常水位運(yùn)行渠段各斷面水位變化

圖10 不同運(yùn)行方式下的斷面最大水位變幅比較

圖11 不同運(yùn)行方式下的斷面最大水位變幅比較

圖12 不同運(yùn)行方式下的斷面最大水位變幅比較

圖13 不同運(yùn)行方式下的穩(wěn)定時(shí)間比較

通過對以上表圖的分析可以得出：

1)計(jì)算并比較流量變化可知，不同控制方式下各個(gè)渠段內(nèi)的斷面水位的最大變幅，中點(diǎn)常水位比下游常水位運(yùn)行時(shí)要大。

2)在流量發(fā)生不同變化的情況下，與其他方式相比，中點(diǎn)常水位渠段中間斷面出現(xiàn)的水位波動(dòng)最小，且最后仍然能夠回到開始狀態(tài)的水位；在渠道的兩個(gè)端頭，斷面產(chǎn)生的水位變化情況最為明顯，波動(dòng)趨勢反而相對穩(wěn)定。當(dāng)流量的改變越多的時(shí)候，渠段中各個(gè)斷面的最強(qiáng)水位變幅也變得越大。

4 結(jié) 論

通過推演非恒定流的蓄量、水力過渡時(shí)間、工程量、水位變幅最大值等幾個(gè)方面得出：以下游常水位運(yùn)行方式是最佳的輸水控制模式，因?yàn)樵谙嗤牧髁孔兓瘲l件下，該模式的蓄量、水位最大變幅都比較大，水力過渡的時(shí)間比較長，建設(shè)工程量也較小。

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1007-7596(2016)12-0032-05

2016-11-30

占方晶(1983-)，男，江西星子人，工程師，研究方向?yàn)樗姽こ獭?/p>

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