都江堰東風(fēng)渠灌區(qū)流量監(jiān)測點敏感性分析及優(yōu)化研究

陳 丹,姜泓吉,吳靜宇

(1.四川省都江堰水利發(fā)展中心東風(fēng)渠管理處,成都 610051;2.成都原水投資有限公司,成都 610213)

0 引言

隨著灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)與改造工作的推進,智能監(jiān)測系統(tǒng)、智能預(yù)備系統(tǒng)、遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)等已成為灌區(qū)管理的利器,灌區(qū)管理工作也在科技的賦能下展現(xiàn)出更智能的基礎(chǔ),同時,釋放出更充足的管理效能。作為灌區(qū)信息化建設(shè)的輸入端口,智能化監(jiān)測系統(tǒng)主要承擔(dān)灌區(qū)渠道流量、水位的監(jiān)測。目前,對于智能化監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)測系統(tǒng)等都有較多的研究成果。胡陽光、牟意紅、劉凌艷等進行了監(jiān)測系統(tǒng)及設(shè)備開發(fā)設(shè)計研究[1-5];馬騰遠(yuǎn)、張慶、夏倩倩等根據(jù)灌區(qū)特點進行了監(jiān)測系統(tǒng)與設(shè)備的運用設(shè)計研究[6-8];周書葵、肖笛等對管網(wǎng)流量監(jiān)測點優(yōu)化的相關(guān)方法開展灌區(qū)流量監(jiān)測點位布置的研究[9-11]。而當(dāng)前對于流量監(jiān)測點位的布置的研究較少,流量監(jiān)測點建設(shè)與改造仍按照工程經(jīng)驗設(shè)置,這在一定程度上造成了建設(shè)的浪費與監(jiān)測的盲目?；诖?本文以都江堰東風(fēng)渠灌區(qū)為依托,提出了有效合理的監(jiān)測點位布置方案,以提升灌區(qū)流量監(jiān)測的科學(xué)性與高效性。

1 研究路線

本文以東風(fēng)渠灌區(qū)的部分主干線為例進行計算,灌區(qū)流量監(jiān)測點一般布置在進水閘下游,通過調(diào)節(jié)閘門的開度控制渠段的流量,流量監(jiān)測點位的敏感性與流量發(fā)生變化的渠段所在位置有顯著關(guān)系。若渠系某渠段耗水量變化或遇降雨匯流導(dǎo)致流量增加,則下游渠段流量會產(chǎn)生不同程度的變化。

若要獲得高敏感度的流量監(jiān)測點位,根據(jù)灌區(qū)管理的需求特點提出優(yōu)化的流量監(jiān)測點位布置方案。研究路線流程如圖1所示。

圖1 研究路線流程

2 監(jiān)測點位敏感系數(shù)及矩陣構(gòu)建

本研究節(jié)選渠系結(jié)構(gòu)中共有11段渠段,11個監(jiān)測點位,如圖2所示。假設(shè)第k段渠段用水量產(chǎn)生△qk的變化,則第i個監(jiān)測點位流量受到影響產(chǎn)生△Qi的變化,則可用△Qi/△qk表示k渠段用水量發(fā)生變化時引起i監(jiān)測點位流量的變化率。本文則以該變化率作為i監(jiān)測點位對k渠段的流量監(jiān)測敏感度系數(shù),計算公式為:

圖2 灌區(qū)渠系結(jié)構(gòu)示意

(1)

式中,0≤Xik≤1,值越大則說明i監(jiān)測點位對于k渠段敏感性越高,監(jiān)測效果越好,值越小則相反。計算所有渠段與監(jiān)測點之間的的敏感系數(shù)Xik用矩陣|X|=(Xik)表示,即為敏感系數(shù)矩陣。矩陣的第k列各元素值表示第k個渠段的用水量變化對所有監(jiān)測點流量的影響程度;矩陣的第i行各元素值表示第i個監(jiān)測點流量受各渠段用水量變化的影響程度。

計算工況選擇東風(fēng)渠灌區(qū)常用運行工況,各渠段的流量及閘門開度與該工況保證一致。在此基礎(chǔ)上分別在各渠段增加微小用水量△qk,保持其它渠段用水量不變,再通過進行水力計算得出各監(jiān)測點流量變化值△Qi,根據(jù)式(1)得出敏感度矩陣。

3 有效監(jiān)測矩陣計算

為實現(xiàn)對所得敏感度矩陣進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,可對矩陣|X|的元素進行如下處理[12]:

式中,Xkmax、Xkmin分別為第k列元素中最大、最小元素。

式中,監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)值C取0.6。

通過計算得到有效監(jiān)測矩陣|Y|。

有效監(jiān)測矩陣Y中,非0元素表示在流量監(jiān)測中k渠段用水量產(chǎn)生變化時會造成i監(jiān)測點流量明顯的影響;對于0元素則表示k渠段用水量產(chǎn)生變化時不會造成i監(jiān)測點流量變化或影響較小。

4 有效監(jiān)測范圍及監(jiān)測點位優(yōu)化

通過上文計算分析可以看出,各監(jiān)測點對于渠段的有效監(jiān)測數(shù)量是不相同的。i監(jiān)測點位可以監(jiān)測到的渠段數(shù)量則稱為該監(jiān)測點位的有效監(jiān)測范圍,有效監(jiān)測范圍如下式[9]:

MS(i)={k|(DM)ik=1(i=1,2,…,m;k=1,2…,n)

則監(jiān)測點2的有效監(jiān)測范圍MS(2)=3,監(jiān)測點2對1、4、5渠段起到有效監(jiān)測作用,以此類推;

MS(3)=4,監(jiān)測點3對1、2、4、5渠段起到有效監(jiān)測作用;

MS(5)=1,監(jiān)測點5對5渠段起到有效監(jiān)測作用;

MS(8)=1,監(jiān)測點8對6渠段起到有效監(jiān)測作用;

MS(9)=2,監(jiān)測點9對3、7渠段起到有效監(jiān)測作用;

MS(10)=5,監(jiān)測點10對3、6、7、8、10渠段起到有效監(jiān)測作用;

MS(11)=7,監(jiān)測點11對3、6、7、8、9、10、11渠段起到有效監(jiān)測作用;

此外,MS(1)=0、MS(4)=0、MS(6)=0、MS(7)=0,監(jiān)測點未起有效監(jiān)測作用。

由此可以看出,在監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)值C的條件下監(jiān)測點的有效監(jiān)測范圍存在不同也存在重疊,例如監(jiān)測點2與監(jiān)測點3,對于1、4、5渠段均為有效監(jiān)測,但監(jiān)測點3也能對2渠段進行有效監(jiān)測。因此,這里可根據(jù)這一特點進行監(jiān)測點的優(yōu)化工作,提升監(jiān)測效率。

監(jiān)測集合點集合選擇原則:

(1)監(jiān)測點集合覆蓋整個渠系網(wǎng)絡(luò);

(2)優(yōu)化監(jiān)測點位,盡量明確變化渠段。

根據(jù)有效監(jiān)測矩陣可選擇諸多覆蓋整個渠系的集合,但部分監(jiān)測點集合,例如{3、11}雖能覆蓋所有渠段但對于變化的渠段所在位置判斷過于籠統(tǒng)。因此,按灌區(qū)管理需求在上文計算結(jié)果中選擇推薦的監(jiān)測點位集合為{2、3、5、8、9、10、11}。在該監(jiān)測點位集合的控制下,能夠覆蓋整個計算渠系同時有效確定用水量發(fā)生變化的渠段,但也存在渠段定位重合的問題包括1和4渠段、3和7渠段、8和10渠段、9和11渠段因處于同一有效監(jiān)測點上游造成無法準(zhǔn)確定位變化渠段,該問題則可借助上游渠段末端位置設(shè)置的監(jiān)測設(shè)施定位到具體渠道。

5 結(jié)語

本文基于東風(fēng)渠灌區(qū)渠系結(jié)構(gòu)開展對流量監(jiān)測點的敏感度、有效監(jiān)測矩陣及有效監(jiān)測范圍的研究與計算,結(jié)合灌區(qū)需求特點推薦更為合理的監(jiān)測點位集合。計算結(jié)論的推薦方案可在工程建設(shè)中指導(dǎo)優(yōu)先升級改造的監(jiān)測點位,在流量監(jiān)測和防洪預(yù)警中可明確監(jiān)測重點,提升監(jiān)測效率。同時,也為信息化灌區(qū)建設(shè)的科學(xué)性、合理性提供支撐。