南水北調中線工程總干渠冰期輸水調控仿真研究

劉孟凱

南水北調中線工程總干渠冰期輸水調控仿真研究

劉孟凱

（武漢科技大學恒大管理學院，武漢 430081）

冰情演變數(shù)值模擬是解決南水北調中線工程冰期輸水安全與效益問題的重要手段。該文建立了南水北調中線工程總干渠冰期輸水調控仿真模型，包含明渠非恒定流、浮冰蓋下非恒定流、水溫、冰花輸移、封凍、冰蓋增厚、融冰和閘門調節(jié)等仿真功能，且推薦京石段水面熱交換系數(shù)取值18 W/(m2·℃)，冰面熱交換系數(shù)取值26 W/(m2·℃)為參數(shù)較優(yōu)取值，參數(shù)率定工況下水溫平均絕對誤差為0.07 ℃，冰蓋厚度平均絕對誤差為0.67 cm，封凍時刻誤差小于1 d，表明該模型在水溫、封凍時刻、冰蓋厚度等方面的模擬具有一定的準確度，可為相關研究提供參數(shù)取值參考。同時在京石段工程上應用該模型，進一步證實了模型及參數(shù)取值在大尺度冰情模擬上具有一定適用度，模型具備模擬冰情演變全過程及對應水力響應和閘門群調控過程的功能，揭示了渠系冰期輸水水力響應變化特性，認為PI控制器可實現(xiàn)冰期水力響應控制和維護運行狀態(tài)穩(wěn)定作用。

數(shù)值模擬；模型；輸水；南水北調中線工程；冰期；運行控制

0 引 言

南水北調中線工程總干渠長1 432 km(含天津段干渠155 km)，全程由南至北自流，由63座節(jié)制閘控制，渠系通水后的運行管理將采用中央集中自動化控制模式。該工程自2008年京石段通水以來，冰期輸水安全與效益問題是工程運行每年面臨的困難與考驗，2015－2016年冬季曾發(fā)生冰塞事件[1]。

原型觀測、數(shù)值模擬和模型試驗是冰問題研究的主要手段，相互借鑒，綜合應用。在數(shù)學模型方面，Shen等建立了描述冰情演變完整過程的一維河冰模擬RICEN模型，實現(xiàn)了河流冰情演變過程的準確模擬[2-5]；Mao等建立了貼體坐標下的河冰二維模擬模型[6]；Carson進行了河流冰塞模擬研究[7]；練繼建等提出了冰蓋厚度的計算方法[8]；穆祥鵬等利用數(shù)學模型研究冰水二相流渠道流冰演變規(guī)律，并提出工程安全運行措施[9]；宗全利等利用數(shù)學模型研究了抽水融冰減小冰害的引水方式[10]；She等[11]利用數(shù)學模型研究了水電調峰對下游冰蓋范圍及水力響應影響。在模型試驗方面，王軍等[12-13]通過水槽試驗研究冰塞形成機理；趙新等[14]通過試驗研究提出雙纜網(wǎng)式攔冰索；侯倩文等[15]研究了冰蓋對渠道的作用力。在原型觀測方面，李志軍等[16]總結了常用冰厚監(jiān)測方法及適用范圍；Ansaria等[17]利用圖像處理方法進行河冰演變過程自動監(jiān)測。

學者們通過研究南水北調中線工程冰期輸水特性，探索安全高效輸水方式。在數(shù)學模型應用方面，劉孟凱等分析了結冰期渠系水力響應[18]，建立了浮動平封冰蓋輸水控制數(shù)學模型[19]；郭新蕾等[20]對典型工況下的南水北調中線冰情（水溫、結冰范圍、封凍過程和水位波動）進行了預測分析；穆祥鵬等[21-22]利用渠系冰期輸水運行控制模型，揭示了在控制器作用下的中線冰期輸水特性。在原型觀測方面，溫世億等[23]分析了2014－2015年冬季南水北調中線冰情；段文剛等[24]對比分析了南水北調中線總干渠5年的實測冰情變化特征。另外，學者們通過風險評估、安全輸水措施等手段研究渠系輸水安全，李芬等[25]采用地理模型概念，利用模糊評價方法，對南水北調中線京石段進行了冰塞地點預測，為調水工程冰期輸水風險防控提供了支撐；趙新等[14]設計雙纜網(wǎng)攔冰索提高工程運行安全；穆祥鵬等[26]研究了攔冰索水力控制條件。

南水北調中線工程總干渠以下游常水位運行方式。在渠系自動化運行方面，Wang等[27-28]提出了自動水位控制器；黃會勇[29]搭建了南水北調中線總干渠水量調度模型；劉孟凱[30]研究了長距離渠系冬季運行自動化控制模型，提出結合短期氣象預報和冰情預測模型實現(xiàn)長距離渠系冰期輸水安全和效益最大化思路，為工程實現(xiàn)更好的中央集中控制提供支撐。

總體而言，中國研究南水北調冰期輸水安全問題涉及了冰水兩相流機理、冰情模擬預測、風險評估、工程措施等方面。楊開林[31]指出目前中國冰水力學研究存在冰情觀測站網(wǎng)少，原型觀測與冰情預報脫節(jié)等問題，如何將冰水力學模型用于冰情預報為進一步研究趨勢，這些情況在南水北調中線工程冰期輸水問題上均有所體現(xiàn)。同時，隨著冰期預報精度的提高，如何提高冰期輸水安全性和效益性也值得學者關注。

本文針對南水北調中線工程的冰情模擬模型參數(shù)取值多借鑒其他工程或河流的問題，建立適用于南水北調中線工程總干渠的渠系冰期輸水調控仿真模型，利用南水北調中線工程冰情原型觀測數(shù)據(jù)，率定模型參數(shù)，驗證模型在水溫傳遞、冰蓋發(fā)展和冰蓋厚度等方面的模擬精度，突出冰情數(shù)值模擬預報和自動化控制對冰期輸水安全的優(yōu)勢與成果，為相關研究與應用提供支撐。

1 數(shù)學模型

1.1 工程概化

渠系由閘門分隔而成的多個渠池組成，一個渠池由2個閘門組成（包括上游閘和下游閘），見圖1所示，其中，Q和Q均為已知的取水流量計劃。穩(wěn)定輸水狀態(tài)下，相關變量存在如式（1）和（2）的關系。

（1）

（2）

注：G(i)為渠系第i個閘門的開度,Qdown為渠系下游末端需水流量,Qd(i)為渠池下游閘的過閘流量,Qu(i)為渠池上游閘的過閘流量,Qout(i)為渠池內總的取水流量,i=1,2,3,…n為閘門編號。

1.2 非恒定流

模型采用明渠非恒定流方程模擬渠系在冰期和非冰期的水力響應，控制方程如下[18-19]：

連續(xù)方程：

動量方程：

當渠道內形成浮動冰蓋，有冰蓋部分的渠道濕周和糙率均包含冰蓋的影響[30-32]。

1.3 水溫計算

本模型忽略了渠底對水溫影響，采用對流方程描述水溫變化過程如式（5）所示：

1）當渠道為明渠時，水體熱交換存在于水面與大氣間：

式中φ為水面與大氣間的熱交換量，W/m2；h為水面與大氣間的熱量交換系數(shù)，W/(m2·℃)；T為氣溫，℃。

2）當水面完全封凍后，水體放熱量全部轉化為冰蓋厚度變化量，假設熱交換僅存在于冰體下表面與水體間：

式中φ為水與冰蓋下表面間的熱交換量，W/m2；h為冰蓋下表面與水之間的熱量交換系數(shù)，W/(m2·℃)；為經驗系數(shù)。

3）當水面處于流冰或部分封凍時，水體放熱量考慮水面與冰面兩種熱交換形式：

當水體過冷時，產生冰花，用水體含冰濃度表示為：

用冰花濃度對流方程表征流冰隨流運動情況，如下：

1.4 封凍及冰蓋厚度計算

模型設定：1）在冰量滿足C≥80%時，渠道斷面封凍形成初始冰蓋；2）若傅汝德數(shù)小于0.06，且流速小于0.5 m/s，渠道以平封方式封凍[33]，封凍過程建模詳見文獻[19]；3）若傅汝德數(shù)大于0.06或流速大于0.5 m/s時，渠道以立封方式封凍，主要是冰花下潛輸移，在封凍判定指標小于上述臨界值的地方吸附到冰蓋下表面；4）節(jié)制閘過水不過冰。

在封凍后，主要是冰蓋厚度變化模擬。考慮氣溫、水溫對冰蓋厚度的影響，得到一個時間段內的冰蓋厚度變化情況如下式：

式中?h為?時段內的冰厚變化量，m。

若冰蓋上表面被雪層覆蓋，假設雪層上表面與大氣間的熱量交換僅造成雪層厚度變化，冰蓋厚度變化僅受水溫影響。

1.5 閘門控制器

模型采用下游閘前常水位運行方式，利用PI控制器，實現(xiàn)閘門的實時調節(jié)，詳見參考文獻[18–19]。

1.6 模型求解

本文所建模型的整體框架如圖2所示，可實現(xiàn)冰情模擬、水情模擬和閘門群調控模擬。

模型中圣維南方程組求解采用preissmann四點隱式差分進行離散求解，上下游采用雙流量邊界條件。

模型中水溫控制方程和流冰濃度控制方程采用特征線法進行方程離散求解，通過設置時間不長和斷面間來保證離散格式的求解穩(wěn)定性。渠首入渠水溫為模型輸入條件，其余各渠池首斷面水溫為上一渠池末端斷面值；各渠池首斷面流冰濃度為0。

圖2 模型框架

2 參數(shù)率定

本文通過對長距離輸水渠系冰期輸水調控仿真模型的水溫與冰厚模擬驗證，實現(xiàn)模型參數(shù)率定。在冰情變化仿真的同時，進行必要的水力響應和閘門操作仿真，但不作為參數(shù)率定指標。模型需要率定的參數(shù)為不同情況下的熱交換系數(shù)。

因觀測資料限制，本文通過實例一率定冰蓋厚度模擬參數(shù)h和，并在此基礎上通過實例二率定水溫模擬參數(shù)h。

定義第個實測數(shù)據(jù)點模擬誤差E、累積誤差E、累積絕對誤差E、平均絕對誤差E和最大絕對誤差E，計算過程如式（16）所示。

式中T為第個模擬值，T為第個實測值，為實測數(shù)據(jù)個數(shù)。

E、E、E和E等4個誤差指標越小，則代表相應的h更優(yōu)，如E的絕對值越小代表實測值分布在模擬曲線兩側越對稱；E值越小代表實測值整體上越接近模擬曲線。本文在根據(jù)誤差指標篩選參數(shù)取值時，對各指標考慮的優(yōu)先級從大到小依次為E、E、E、E。

2.1 冰蓋厚度模擬參數(shù)率定

2.1.1 案例背景

利用實測南水北調中線總干渠2012.12－2013.03冬季放水河節(jié)制閘閘前的實測冰蓋厚度進行參數(shù)率定，氣溫采用同期唐縣氣象站公布數(shù)據(jù)。本實例中渠道輸水流量約7 m3/s，渠池傅汝德數(shù)與流速沿程分布如圖3所示，遠低于設定的冰花下潛臨界值0.06；流速也遠低于臨界流速0.5 m/s，因此，渠道封凍過程為平封，現(xiàn)場觀測到渠道內冰蓋上表面光滑、厚度空間分布均勻、下表面無冰花堆積，表明冰蓋為平封冰蓋，相關觀測數(shù)據(jù)適合用于分析冰蓋條件下的熱量交換參數(shù)；2013年1月20日降雪造成冰面覆蓋雪層厚度約0.055 m；取D1=0.056 m。

圖3 漠道溝節(jié)制閘至放水河節(jié)制閘間的渠道傅汝德數(shù)和流速沿程分布（2012年冬）

2.1.2 冰蓋厚度模擬參數(shù)取值優(yōu)選

參數(shù)h和經在一定范圍內以誤差最小為準則進行同步尋優(yōu)，得到工況內5組最優(yōu)參數(shù)方案按E指標排序如表1所示，根據(jù)參數(shù)選取原則，在E相差不大的情況下，選擇E最小的參數(shù)組合方案為最后結果，因此，參數(shù)方案3為較優(yōu)方案，此時的冰蓋厚度驗證結果如圖4所示?？梢娔Ｐ图皡?shù)可模擬冰蓋厚度的整體變化趨勢，且具有一定的模擬精度，模擬誤差在-6.9%~6.1%之間；融冰階段的模擬誤差較大；降雪對模擬結果有影響，考慮降雪影響下的冰蓋厚度模擬誤差較小。

參數(shù)率定誤差原因可能來自以下幾個方面：1）冰蓋厚度空間分布不均勻；2）冰蓋厚度測量誤差；3）模型模擬精度。

表1 冰蓋條件下的熱交換參數(shù)取值

注：h為冰面與大氣間的熱量交換系數(shù)，和均為經驗系數(shù)，E為累積誤差，E為累積絕對誤差，E為平均絕對誤差，E為最大絕對誤差。

Note:his heat exchange coefficient between ice surface and atmosphere,andare empirical coefficients,Eis cumulative error,Eis cumulative absolute error,Eis average absolute error,Eis maximum absolute error.

2.2 水溫模擬參數(shù)率定

2.2.1 案例背景

選取南水北調中線工程總干渠古運河節(jié)制閘至磁河節(jié)制閘之間的渠道進行水溫模擬與參數(shù)率定。該段渠道包含古運河節(jié)制閘、滹沱河節(jié)制閘和磁河節(jié)制閘3個節(jié)制閘，采用2016年1月正定縣小時氣溫和古運河節(jié)制閘實測水溫，輸水流量按43 m3/s，運行水位為節(jié)制閘前常水位等作為模擬輸入條件。本工況下的渠系斷面流速和傅汝德數(shù)分布情況如圖5所示，傅汝德數(shù)和流速均小于相應的冰花下潛臨界值0.06和0.5 m/s，判定封凍方式為平封，且現(xiàn)場觀測也證實該年度渠池封凍為平封，冰蓋厚度空間分布較均勻，冰蓋下無冰花堆積，冰蓋上表面較平整。

圖4 放水河節(jié)制閘前冰蓋厚度驗證

圖5 古運河節(jié)制閘至滹沱河節(jié)制閘間渠道的傅汝德數(shù)和流速沿程分布（2015年冬）

氣象資料顯示，1月23日1:00直接由-3.3 ℃降至-10.3 ℃，降幅達-7.0 ℃/h，氣溫首次低于-10 ℃，且1月23日1:00至1月24日8:00時段經歷寒潮，平均氣溫為-10.3 ℃。經冰情觀測，1月23日8:00時刻，滹沱河節(jié)制閘和磁河節(jié)制閘閘前均有50 m以內的小范圍渠道封凍，說明渠池封凍開始時間在1月23日1:00至8:00之間；1月24日8:00時刻前，2個渠池基本呈現(xiàn)全面封凍狀態(tài)。模擬范圍內渠道受流速較小、來冰量小、冰橋、攔冰索和救生浮索阻冰等因素影響，渠池內形成了明渠-冰蓋-明渠-冰蓋的封凍現(xiàn)象。

圖6為新村橋下游側救生浮索攔冰形成冰蓋觀測圖，因救生浮索漂浮在水面，間接表反映凍模式為平封。

圖6 橋墩下游側救生浮漂攔冰形成冰蓋

2.2.2 水溫模擬參數(shù)取值優(yōu)選

水溫模擬驗證主要是參數(shù)h的率定，不同h取值的水溫誤差分析如表2所示。依照各指標優(yōu)先考慮順序，在本文的參數(shù)取值范圍內，兩個水溫驗證斷面的較優(yōu)區(qū)間為[17, 19]，取區(qū)間平均值h=18 W/(m2·℃)為最后取值，此時，滹沱河斷面水溫模擬相對誤差范圍為[0.3%,18.9%]，均相對誤差為4.8%；磁河斷面水溫模擬相對誤差范圍為[0.2%,41.9%]，平均值相對誤差為9.7%。兩個斷面的水溫模擬驗證如圖7所示，可以看出模擬值與實測值在數(shù)值和趨勢方面吻合較好。本文選取的h=18 W/(m2·℃)時與文獻[3]中的20W/(m2·℃)相近。

水溫驗證誤差的原因可能包括以下幾個方面：1）實測值為工程現(xiàn)場某一水深下水溫值，而本模型模擬結果為斷面平均水溫值，存在實測值選用代表性問題；2）水溫測量設備誤差：如是否采用同一個測量設備、是否校準等；3）模型模擬精度：如古運河暗渠在模型中按明渠處理、渠段長度、數(shù)值求解方法等。

表2 水面熱交換系數(shù)取值分析

注：h為水面與大氣間的熱量交換系數(shù)。0為時間。

Note:his heat exchange coefficient between water surface and atmosphere.0is the time.

Note: hw=18 W·m-2·℃-1

2.2.3 冰情驗證

實例二中冰蓋熱交換參數(shù)取值選用實例一中的優(yōu)選方案，如表1所示。

模擬結果表明，2個渠池分別于1月24日1：00和1月23日19：00開始進入封凍狀態(tài)，較觀測值存在近1天的誤差，但是兩個渠池均存在初始封凍時刻封凍范圍分別為3877 m和6568 m，封凍范圍約為渠池長度的51%和30%，較1月23日8:00前觀測到的冰蓋范圍大，更接近模擬封凍刻的實際封凍范圍。封凍時間和范圍誤差來自冰量誤差、初始冰蓋厚度和面流冰密度封凍標準等因素影響。

在冰蓋厚度模擬方面，磁河節(jié)制閘前厚度驗證良好，但滹沱河閘前斷面冰蓋厚度存在約0.02 m的系統(tǒng)偏差（如圖8），在數(shù)值上認為可以接受，且并未隨時間推移而增大，誤差值較穩(wěn)定，但模擬值和實測值在變化趨勢上具有一致性，所以認為參數(shù)取值依然較為可靠。

圖8 2016年部分斷面冰蓋厚度驗證

造成冰蓋厚度模擬誤差的原因包括：因封凍并非嚴格平封，封凍時因冰量大，存在一定的擠堆；其次因冰蓋空間分布不均，影響不同觀測點冰厚的一致性；模型中未考慮救生浮索等的攔冰卡冰影響，造成形成連續(xù)的模擬冰蓋，將冰量在更大的范圍內平攤，減小了流冰堆積厚度。

根據(jù)上述分析，認為率定的冰蓋表明熱量交換系數(shù)推薦值具有一定的適用性。

3 模型應用分析

利用上述參數(shù)取值，以京石段為模擬渠系，全面應用南水北調中線工程冰期輸水調控模型。模擬渠系由14個節(jié)制閘分隔成的13個渠池組成，如圖9所示。

模擬工況設定河北末端輸水流量20 m3/s，天津分水10 m3/s，第1渠池入渠水溫過程采用2016年1-2月古運河節(jié)制閘實測數(shù)據(jù)，冰蓋糙率n=0.015+0.005e-0.0025(t-0)，0為封凍時刻，為模擬時刻。根據(jù)氣溫條件進行2個工況模擬，1）工況1：為全部模擬渠段采用2016年1－2月正定縣氣象站氣溫過程；2）工況2：第1-6渠池采用2016年1－2月氣溫過程，第7-13渠池采用2016年1-2月保定市氣象站氣溫過程，兩個站點的氣溫對比如表3所示，正定氣溫較保定氣溫暖，且負氣溫持續(xù)時間短。經模型模擬，得到2016年1－2月京石段冰情演變、水力響應和閘門群調節(jié)過程。

圖9 京石段示意圖

表3 正定和保定站點日均氣溫對比

3.1 冰情演變分析

冰情演變模擬過程如表4所示，2個工況下，第1-6渠池的冰蓋封凍日期和解凍日期一致，相比工況1而言，工況2條件下的第7-13渠池因采用保定氣溫過程而造成封凍提前和解封推遲。

文獻[24]中觀測到模擬渠段封凍日期和解凍日期分別為1月14日和2月15日，工況1預測封凍起始日期提前1 d，預測解凍日期提前7 d；工況2預測封凍起始日期提前6 d，預測解凍日期推遲2 d。體現(xiàn)了氣溫值及其作用渠道長度范圍對封凍和解凍的影響較大。

工況1條件下的最大冰蓋厚度約15 cm；工況2條件下，渠系典型時刻的冰蓋范圍和厚度分布如圖7所示，除各別斷面冰蓋厚高達40 cm，第9～13渠池大部分斷面最大冰蓋厚度在25 cm附近。而文獻[24]中指出模擬時段的最大冰蓋厚度為28 cm，與工況2冰蓋厚度相近，可見，在采用附近氣象站點氣溫作用下，模型可實現(xiàn)冰蓋厚度較為準確的預測。

綜合上述分析說明：1）模型參數(shù)在大尺度冰情演變預測模擬方面具有一定的準確性，本文推薦參數(shù)取值在南水北調中線京石段具有較好的適用性；2）渠系下游氣溫變化造成的冰情變化對上游冰情演變基本無影響；3）對于長距離渠系的冰情預測需要進行沿線氣象條件的精確觀測與預報。

表4 不同模擬工況下冰蓋范圍變化

注：工況1為13個渠池全部采用正定縣氣溫過程；工況2為1-6渠池采用正定縣氣溫過程，而7-13渠池采用保定市氣溫過程。下同。

Note: The air temperature process of Zhengding County was used in all 13 canal pools ponds under the simulation condition one. While the air temperature process of Zhengding County was used in 1-6 canal pools, and the air temperature process of Baoding City was used in 7-13 canal pools under the simulation condition two. The same as below.

注：閘門信息詳見圖9。

3.2 水力響應分析

工況2條件下，因渠系冰情演變，在常規(guī)PI控制器作用下的渠系水力響應過程及閘門操作過程如圖11所示。

封凍和解凍過程中的渠系水力響應對劇烈，閘門操作頻繁。在下游常水位運行方式下，一般渠池上游水力響應較下游大，各渠池間水力響應具有非線性串聯(lián)耦合特性，下游任一渠池冰情變化均會導致其上游渠池水力響應與閘門調節(jié)，因此，上游渠池恢復穩(wěn)定時間滯后于下游渠池。

圖11 渠系水力響應（工況2）

在模擬工況下，京石段全部封凍，冰情范圍大，冰蓋厚度較厚，渠系各渠池上游最大水位雍高8 cm，發(fā)生在第13渠池；各渠池下游控制點水位最高雍高3 cm，發(fā)生在第13渠池。各渠池水位波幅大小不具備明顯變化趨勢，影響系水力響應過程的主要因素包括渠池輸水流量占設計流量比、冰蓋范圍變化、冰蓋厚度變化、冰蓋糙率變化、PI控制器參數(shù)和渠池水力耦合和冰蓋最厚等有關。

模型中PI控制器具有通過閘門系列操作減小冰情變化造成的水位波幅，并加快水位盡快恢復控制水位的作用。抑制了冰情演變造成的渠系水力過度響應，且維持原有的運行方式。渠系冰期輸水水力響應具有一定的可控性，通過恰當調節(jié)，可一定程度上提高冰期輸水安全性和高效性。

3.3 參數(shù)取值適用性

本文所涉及模擬工況均采用氣溫為逐時氣溫過程，兩個實例中渠池均屬于南水北調中線工程總干京石段，相隔渠池長度約60 km。實例一模擬渠池位于保定市境內，模擬時段氣溫在-14～13℃之間波動，平均氣溫-2.9 ℃；實例二模擬渠池位于石家莊市境內，模擬時段氣溫在-13～8℃之間波動，平均氣溫-1.9 ℃；模擬應用中的保定與正定氣溫極值均處于參數(shù)率定工況的氣溫范圍中，上述分析也反映了封凍時間、最大冰厚等模擬值與觀測值接近，證明本文率定參數(shù)在京石段具有一定的適用性。

4 結 論

本文建立了南水北調中線總干渠冰期輸水調控仿真模型，并利用兩個實例，分析了影響水溫傳遞過程、封凍時刻和冰蓋厚度的熱量交換系數(shù)取值。研究表明，本文所建模型在率定工況下水溫平均絕對誤差為0.07 ℃，冰蓋厚度平均絕對誤差為0.67 cm，封凍時刻誤差小于1天，且在京石段推薦明渠熱交換系數(shù)約為18 W/(m2·℃)，冰蓋條件下的熱量交換系數(shù)約為26 W/(m2·℃)，明確的參數(shù)取值可為相關研究提供支撐。

基于冰情演變數(shù)值模擬精度的不斷提高，南水北調中線工程總干渠可利用數(shù)學模型實現(xiàn)冰情模擬預報和實時調控，提高冰期輸水的安全性，同時需要不斷累積更加系統(tǒng)詳實的冰情水情實測數(shù)據(jù)，通過參數(shù)訓練、模型精細化等措施不斷提高參數(shù)取值穩(wěn)定性和適用性，并積極規(guī)劃氣象資料使用站網(wǎng)，形成整套的冰期輸水可靠系統(tǒng)。

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Operation simulation model for middle route of south-to-north water transfer project during ice period

LiuMengkai

(,,430081,)

The middle route of south-to-north water transfer project is a canal system. The downstream part from Anyang to Beijing has ice in winter every year. And the water resources requirement of this part is still hard in winter. . Ice condition is important to operation the canal system in winter. Ice evolution simulation is an important method to improve ice hazard threat of the middle route of south-to-north water transfer project by ice prediction and canal system automation operation. In this paper, a one dimensional operation simulation model for the middle route of South-to-North water transfer project has been established, which including unsteady flow simulation, water temperature simulation, ice cover evolution simulation and PI controller. It could describe the ice evolution process, hydraulic responses and gates operation process. And the model had taken the canal system characteristics into consideration including ice cannot flow through downstream gate of each pool and coupling of system hydraulic response. Ice observation is a dangerous work, and the project is so long. So, just limited ice observed data at some canal pools of the project is used to confirm the parameters value for the model. The parameters calibration results showed that the heat exchange coefficient of open channel was 18 W/(m2·℃) and heat exchange coefficient under ice sheet conditions was 26 W/(m2·℃), and the averaged error of ice cover thickness and water temperature were 0.67 cm and 0.07 ℃ respectively. So the reliability of the model was confirmed to calibrate water temperature process, ice cover formation process and ice cover thickness process. And then, the model was applied to Beijing-Shijiazhuang part of the south-to-north water transfer project case simulation to study the ice situation evolution, hydraulic response and gate group regulation process in Ianuary-February 2016.The simulated canal system consists of 13 channels separated by 14 control gates. Water transfer flow of Hebei terminal and Tianjin were set as 20 m3/s and 10 m3/s. Two working conditions were simulated according to the temperature conditions. The results showed that the ice evolution parameters value can worked well to simulate ice evolution for long distance canal system, but the air temperature input conditions of the model must be the local value near each pool. The applied case results show that the canal system hydraulic response processes are complicated caused by ice evolution process, and the PI controller can reduce water level fluctuant amplitude and keep on the downstream water level operation mode well. The prediction of ice evolution process and gates operation processes was helpful to improve safety and economic benefit of the engineering.

numerical simulation; models; water transfer; the middle route of south-to-north water transfer project; ice period; operation control

2019-01-04

2019-06-09

國家自然科學基金資助項目（51779196；51309015）

劉孟凱，副教授，博士，主要從事工程管理研究。Email：mengkailiu@whu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.011

S274.2; TV91

A

1002-6819(2019)-16-0095-10

劉孟凱.南水北調中線工程總干渠冰期輸水調控仿真研究[J]. 農業(yè)工程學報，2019，35(16)：95－104. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.011 http://www.tcsae.org

Liu Mengkai. Operation simulation model for middle route of south-to-north water transfer project during ice period[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 95－104. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.011 http://www.tcsae.org