長距離明渠輸水系統(tǒng)運行控制方式的研究

王征（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110166）

長距離明渠輸水系統(tǒng)運行控制方式的研究

王征
（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110166）

文中介紹了4種長距離明渠輸水常用的渠道運行的方式，上游常水位、中點常水位、下游常水位、控制容量運行方式。并結(jié)合實例對下游常水位和中點常水位運行方式進行計算，模擬非恒定流的典型數(shù)學模型，借鑒了特征線法，并用來計算不同的運行條件下的非恒定流過程。

明渠；輸水系統(tǒng)；運行；控制方式

1 算例介紹

實例：文中列舉的計算實例是一個明渠輸水系統(tǒng)的渠首段，在此進行簡單地說明：渠段整體長度為30 km，底部寬約40 m，底坡1/25 010，預(yù)設(shè)的流量為602 m3/s，糙率為0.015，邊坡系數(shù)為3。預(yù)設(shè)渠段的上段為一個水的深度一直維持在8.5 m的大型水庫，運行到中點常水位時，水庫的深度為7.89 m，下段在常規(guī)水位運行時，閘前該水庫的深度為7.456 m。

1.1 下游常水位運行方式

該方式的控制點位于渠道下游，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)點是建設(shè)的費用開支少，缺點是在這種運行方式需要更多的時間來達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，以保證供水能夠有條不紊地進行。

1.2 上游常水位運行方式

該方式所能控制的水流支樞點位于渠段的上游一側(cè)，其主要優(yōu)點是對分水口、下游的蓄水發(fā)生的改變，做出快速的反應(yīng)，因此就達到了蓄水的目的，缺點是需要更多的建設(shè)開支[4-5]。

1.3 中點常水位運行方式

中點常水位控制即等容積控制，通過維持渠段的中點水位保持在恒定的狀態(tài)，在水的流量發(fā)生變動時，以渠池的中點為軸水面轉(zhuǎn)動，總的蓄量才得以保持穩(wěn)定。該與上游常水位方式相比，建設(shè)量相對要小得多，但是等容量運行方式人工不容易完成，必須用自動化進行控制操作。

1.4 控制容量運行方式

控制容量即控制渠道中各個渠段的蓄水量，來進行整個渠段的調(diào)水工作?？刂迫萘窟\行方式的靈活度相對其他幾種來說屬于最高，在正常、非常及緊急各種情況下，渠道都能夠輸水。缺點是必須使用監(jiān)控系統(tǒng)才能統(tǒng)一操作控制渠道系統(tǒng)，不易完成復雜的控制容量方式。

2 不同運行方式下恒定流蓄量變化研究

在設(shè)計條件下，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。相同的渠道分別使用等容積和下游常水位運行方式時，零流量以及設(shè)計流量的Q=100 m3/s水面線正如圖1所示，文中所研究的兩種調(diào)度控制方式，均以設(shè)計流量和水面線均相同為前提條件。

從以上圖1及相關(guān)分析可知：

1）在流量運行平穩(wěn)時，中點常水位的水面線比閘前常水位的水面線要高。

2）如果輸水的流量調(diào)整減少，各個渠段的閘前常水位模式的蓄水總和將會有所減少；與之相反，中點常水位模式下渠段蓄量增大，但是總的蓄水量保持在一個水平不變。當流量調(diào)整有所增加時，情況恰恰相反。

圖1 不同運行方式下的水面線

3）如果輸水的流量變化基本相同，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間來維持恒定。在中點常水位條件下，則不會因為渠段串聯(lián)在一起而增加總的調(diào)蓄體積，多個渠段完成蓄量改變的時間與單個渠段完成蓄量改變所消耗的時間基本相同。

3 不同運行方式比較

作為一個非恒定流過程，不同的運行方式下，過渡時間以及渠道水位的波動時間也不盡不同。依照不同的運行方式，將各自創(chuàng)建不同的單渠道數(shù)學模型，來進行模擬非恒定流狀態(tài)。假設(shè)四種不同運行方式下游需水流量在60 min內(nèi)，分別為100~ 200 m3/s，200~100 m3/s，100~400 m3/s，400~100 m3/s。

模擬非恒定流數(shù)學模型，不同運行方式的斷面水位變化關(guān)系（圖略）。分析可以得出：

1）計算并比較流量變化可知，中點常水位控制方式下各個渠段內(nèi)的斷面，其水位的最大變幅均比下游常水位運行時要大。

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

3）針對不一樣的運行方式，相同的是中間斷面的最大水位變幅會達到最小值。因為中點常水位運行時，渠道蓄量變化以渠池中點為軸轉(zhuǎn)動，因此可以控制中點水位保持不變；而下游常水位運行時，由于渠道上游和下游節(jié)制閘同時調(diào)節(jié)產(chǎn)生的水波在此交錯、重疊、抵消，導致水位波動最小。

4）當流量變化一樣時，在過渡時間這方面，中點比下游常水位的時間要長。因此，與之相比，渠段中點比較容易較快達到新的恒定流狀態(tài)。

5）當流量穩(wěn)定運行時，下游常水位的各個斷面均比比中點常水位要低。下游流量數(shù)值為零時，中點常水位運行時水位相比最高。與下游常水位運行時相比，比中點常水位建設(shè)工程量要大。

4 結(jié)論

文中結(jié)合實例對下游常水位和中點常水位運行方式進行計算，模擬非恒定流的典型數(shù)學模型，借鑒了特征線法，并用來計算不同的運行條件下的非恒定流過程。通過推演恒定流的蓄量、水力過渡時間、工程量、水位變幅最大值等幾個方面得出：以下游常水位運行方式是最佳的輸水控制模式，因為在相同的流量變化條件下，該模式的蓄量、水位最大變幅都比較大，水力過渡的時間比較長，但是建設(shè)工程量也較小。

［1］萬暉.長距離明渠輸水系統(tǒng)運行調(diào)度控制方式研究［D］．河海大學，2006.

［2］陳玉恒.國外大規(guī)模長距離跨流域調(diào)水概況［J］.南水北調(diào)與水利科技，2002，23（3）：42-44.

［3］楊立信等編譯.國外調(diào)水工程［M］.北京：中國水利水電出版社，2003：10-20.

［4］鄭連第.世界上的跨流域調(diào)水工程［J］.南水北調(diào)與水利科技，2003（1）：8-9.

［5］李善同，許新宜.南水北調(diào)與中國發(fā)展［M］．北京：經(jīng)濟科學出版社，2004：85-88.

［6］楊開林.南水北調(diào)中線工程水力控制實時數(shù)字三維視景仿真［J］.南水北調(diào)與水利科技，2004，2（1）：1-3.

［7］王濤.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)渠道PID控制理論及其動態(tài)仿真研究［D］.武漢大學，2004.

［8］吳澤宇，周斌.南水北調(diào)中線渠道控制計算模型［J］.人民長江，2000，31（5）：10-11.

［9］韓延成.長距離調(diào)水工程渠道輸水控制數(shù)學模型研究及非恒定流仿真模擬系統(tǒng)［D］.天津大學，2007.

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2016-08-11