刁口河河道及局部海域物理模型測(cè)控系統(tǒng)研究

陳俊 徐奕蒙 倪藝萍 王天奕

摘??要：淤積、延伸、擺動(dòng)、改道是黃河口主要演變規(guī)律，黃河治理必須給黃河入海留有出路。刁口河作為備用流路、分洪通道、生態(tài)補(bǔ)水通道，其戰(zhàn)略地位十分突出。因此，借助于物理模型試驗(yàn)手段開展刁口河相關(guān)重大問題研究至關(guān)重要。針對(duì)刁口河河道及局部海域?qū)嶓w物理模型，設(shè)計(jì)了一套潮汐模擬測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)行可靠、試驗(yàn)精度高，可實(shí)現(xiàn)上游流量、下游水位及流向等多邊界耦合控制，為黃河治理提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：刁口河??局部海域??物理模型??測(cè)控系統(tǒng)??邊界控制??專家PID

中圖分類號(hào)：TH166

Research?on?the?Measurement?and?Control?System?for?the?Physical?Model?of?the?Diaokou?River?Channel?and?Local?Sea?Areas

CHEN?Jun???XU?Yimeng???NI?Yiping???WANG?Tianyi

（Pearl?River?Water?Resources?Research?Institute，?Pearl?River?Water?Resources?Commission?of?the?Ministry?of?Water?Resources，?Guangzhou，?Guangdong?Province，?510611?China）

Abstract：?Siltation，?extension，?oscillation?and?diversion?are?the?main?evolution?laws?of?the?Yellow?River?Estuary，?and?the?governance?of?the?Yellow?River?must?leave?a?way?for?the?Yellow?River?to?enter?the?sea.?The?Diaokou?River，?as?a?backup?flow?path，?flood?diversion?channel?and?ecological?water?supplement?channel，?has?a?very?prominent?strategic?position.?Therefore，?it?is?crucial?to?conduct?research?on?major?issues?related?to?the?Diaokou?River?with?the?help?of?physical?model?experiments.?This?article?designs?a?tidal?simulation?and?measurement?system?for?the?physical?model?of?the?Diaokou?River?channel?and?local?sea?areas.??With?reliable?operation?and?high?experimental?accuracy，?the?system?can?achieve?the?multi-boundary?coupling?control?of?upstream?flow，?and?the?downstream?water?level?and?flow?direction，?which?provides?technical?support?for?the?governance?of?the?Yellow?River.

Key?Words：?Diaokou?River;?Local?sea?area;?Physical?model;?Measurement?and?control?system;?Boundary?control;?Expert?PID

刁口河流路是現(xiàn)行清水溝流路達(dá)到改道標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，優(yōu)先啟用的備用入海流路?！饵S河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》《中華人民共和國(guó)黃河保護(hù)法》等明確提出加強(qiáng)刁口河流路保護(hù)、實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水等要求[1]。鑒于刁口河作為優(yōu)先啟用的備用流路特殊地位，目前保護(hù)治理存在的突出問題，以及重大國(guó)家戰(zhàn)略關(guān)于刁口河保護(hù)治理的新要求，刁口河綜合治理研究迫在眉睫[2]。

刁口河物理模型是開展綜合治理方案措施論證必不可少的技術(shù)手段。黃河河口屬于典型的多沙弱潮河口，沖淤演變劇烈。由于問題的復(fù)雜性，加之觀測(cè)資料少且不系統(tǒng)，難以深入開展流路和海岸沖淤演變分析。數(shù)學(xué)模型受制于黃河河口復(fù)雜的動(dòng)力環(huán)境和基礎(chǔ)理論的不完善，難以準(zhǔn)確模擬流路出漢擺動(dòng)和海岸淤進(jìn)蝕退等演變特征。因此，開展刁口河相關(guān)重大問題研究，必須借助于物理模型試驗(yàn)手段，并結(jié)合實(shí)測(cè)資料分析和數(shù)學(xué)模型計(jì)算才可望得到有效解決[3]。

生潮測(cè)控系統(tǒng)是刁口河河道及局部海域物理模型建設(shè)的重要組成部分，考慮到黃河口潮流的沿岸流較強(qiáng)，且潮差較小，需要對(duì)現(xiàn)有的生潮測(cè)控技術(shù)進(jìn)行重構(gòu)，以適應(yīng)黃河口局部海域?qū)Τ辈睢⒊毙魏脱匕读鞯莫?dú)特要求?[4]。

1?模型設(shè)計(jì)

根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外河道動(dòng)床模型、河口潮汐模型建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，要使潮位、流速、流態(tài)和河床沖淤規(guī)律與原型盡可能相似，模型的幾何變率不能過小，模型設(shè)計(jì)為水平比尺λL=600、垂直比尺λH=60的變態(tài)模型。模型模擬范圍包括羅家屋子以下河道、口門潮間帶濕地、部分自然保護(hù)區(qū)、10?m以內(nèi)淺海域。其他比尺見表1。

2?測(cè)控系統(tǒng)組成

刁口河河道及局部海域物理模型測(cè)控系統(tǒng)主要由生潮裝置、導(dǎo)流裝置、加沙裝置、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集儀器等部分構(gòu)成，各組成部分之間相互聯(lián)系，形成統(tǒng)一整體。測(cè)控系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議的分布式工業(yè)以太網(wǎng)控制技術(shù)，由中心控制計(jì)算機(jī)、變頻器、潛水泵、導(dǎo)流裝置、水位儀、流速儀、流量計(jì)和工業(yè)以太網(wǎng)等組成[5]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖1。

3??邊界控制

測(cè)控系統(tǒng)從功能上分為邊界控制和數(shù)據(jù)采集兩部分，邊界控制完成模型上游徑流、下游開放邊界的潮位和潮流控制任務(wù)，數(shù)據(jù)采集完成模型試驗(yàn)范圍內(nèi)布設(shè)儀器的潮位、流速、流量等試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)讀取和存儲(chǔ)任務(wù)。模型上游通過變頻器頻率變化調(diào)節(jié)水泵功率，實(shí)現(xiàn)流量連續(xù)變化，從渾水池和地下水庫抽水進(jìn)上游河道，控制徑流過程；下游采用雙向潛水泵控制水流從地下水庫進(jìn)出模型調(diào)控水位變化，通過導(dǎo)流裝置控制口外潮流方向，實(shí)現(xiàn)外海潮流過程模擬。

刁口河河道及局部海域物理模型邊界控制共分為4個(gè)，如圖2所示。

（1）模型上游邊界，安裝2臺(tái)潛水泵模擬黃河上游流量的變化，采用流量計(jì)+變頻器+水泵閉環(huán)控制方式。2臺(tái)潛水泵分別往河道模型輸入清水和渾水。

（2）模型下游西側(cè)潮位邊界，安裝12臺(tái)潛水泵模擬黃河口西側(cè)海區(qū)的潮位變化，采用水位儀+變頻器+水泵閉環(huán)控制方式，通過與模型下游東側(cè)潮位邊界配合，產(chǎn)生潮位差，實(shí)現(xiàn)口外沿岸流的模擬。該邊界布置1臺(tái)水位儀作為控制點(diǎn)。

（3）模型下游東側(cè)潮位邊界，安裝12臺(tái)潛水泵模擬黃河口東側(cè)海區(qū)的潮位變化，采用水位儀+變頻器+水泵閉環(huán)控制方式，通過與模型下游西側(cè)潮位邊界配合，產(chǎn)生潮位差，實(shí)現(xiàn)口外沿岸流的模擬。該邊界布置1臺(tái)水位儀作為控制點(diǎn)。

（4）模型下游南側(cè)潮位邊界，安裝13臺(tái)潛水泵模擬黃河口南側(cè)海區(qū)的潮位變化，采用水位儀+變頻器+水泵閉環(huán)控制方式，根據(jù)數(shù)模計(jì)算出潮位曲線，控制南側(cè)邊界的潮位。該邊界布置1臺(tái)水位儀作為控制點(diǎn)。

另外，在海區(qū)5?m等深線位置布置1臺(tái)水位儀，作為水位驗(yàn)證點(diǎn)，在海區(qū)2?m等深線位置和5?m等深線位置各布置1個(gè)流速測(cè)桿，作為流速驗(yàn)證點(diǎn)。沿河道依次布置8臺(tái)水位儀作為上游水位觀測(cè)站。

3.1???控制算法

目前潮汐模型模擬系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)的PID控制方法。控制算法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳感器的測(cè)量反饋，與給定值比較計(jì)算參數(shù)誤差，通過一定的算法計(jì)算相應(yīng)的輸出值，對(duì)具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，自動(dòng)跟蹤給定參數(shù)曲線[6]。潮汐測(cè)控系統(tǒng)需要及時(shí)響應(yīng)水位變化，并且容易受到各種干擾因素的影響。研究實(shí)現(xiàn)的專家預(yù)估PID算法（原理如圖3所示）可以滿足潮汐測(cè)控系統(tǒng)的工況復(fù)雜多變過程的控制需要，通過推理機(jī)制能夠快速響應(yīng)水位變化且有效地抑制干擾因素的影響，自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于水位數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)控制。經(jīng)過組合處理，漲潮模擬效果良好，尤其是在落急轉(zhuǎn)為漲急的轉(zhuǎn)換段沒有出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象，可達(dá)到試驗(yàn)要求[7]。

3.2??上游流量控制

上游水流邊界用于模擬黃河上游流量的變化。上游水流邊界控制的實(shí)現(xiàn)路徑為：用變頻器直接控制水泵，通過調(diào)節(jié)加在電機(jī)上的交流電壓頻率來改變電機(jī)的運(yùn)行速度，從而調(diào)節(jié)水泵的進(jìn)出口流量，根據(jù)流量計(jì)的測(cè)量反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)[8]。

3.3???下游潮位控制

下游生潮邊界用于模擬黃河下游潮位的變化。下游生潮邊界控制的實(shí)現(xiàn)路徑為：用變頻器直接控制水泵，通過調(diào)節(jié)加在電機(jī)上的交流電壓頻率來改變電機(jī)的運(yùn)行速度，從而調(diào)節(jié)水泵的進(jìn)出口流量，根據(jù)水位儀的測(cè)量反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

4??走潮試驗(yàn)及存在問題

本次走潮測(cè)試，在刁口河局部海域設(shè)置2個(gè)水位控制站，分別位于東西側(cè)邊界。模型試驗(yàn)水位目標(biāo)曲線（潮位過程線）是由1968年水文站觀測(cè)的原型數(shù)據(jù)經(jīng)過比尺換算得到。通過閉環(huán)控制方式并多次調(diào)整系統(tǒng)PID參數(shù)，且在漲潮波峰時(shí)間段和落潮波谷時(shí)間段加入適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，最終驗(yàn)證點(diǎn)可產(chǎn)生如圖4所示潮位變化過程，均方差小于1?mm，海區(qū)潮位變化基本滿足要求。

在水位變化過程中，驗(yàn)證點(diǎn)附近流速是在一個(gè)很小的范圍波動(dòng)，不隨給定的過程而變化，通過對(duì)控制方法和系統(tǒng)參數(shù)多次調(diào)整，流速仍然沒有達(dá)到預(yù)想的效果，即按照東西邊界原始潮位曲線模擬無法實(shí)現(xiàn)黃河口沿岸流。分析原因，發(fā)現(xiàn)東西側(cè)潮位曲線最大潮差只有5?mm，該潮差不足以產(chǎn)生明顯的東西向流速，再加上本次流速采集設(shè)備的起動(dòng)流速為2?cm/s，無法采集低流速，因此流速從數(shù)據(jù)上體現(xiàn)得不明顯。后續(xù)試驗(yàn)在原來的2個(gè)水位控制點(diǎn)潮位曲線基礎(chǔ)上進(jìn)行相位和幅值適當(dāng)調(diào)整，形成更明顯的潮差，并更換小量程高精度流速采集設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)明顯的沿岸流。

5??結(jié)語

刁口河作為清水溝流路行河完成后優(yōu)先啟用的備用入海流路，是確保黃河下游及河口地區(qū)防洪安全、生態(tài)安全、維持黃河長(zhǎng)治久安的重要保障。利用水工物理模型試驗(yàn)研究刁口河流路和海岸沖淤演變分析至關(guān)重要，而模型測(cè)控系統(tǒng)又是控制刁口河及局部海域?qū)嶓w模型的重中之重。本文針對(duì)刁口河河道及局部海域?qū)嶓w物理模型，設(shè)計(jì)了一套潮汐模擬測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠、試驗(yàn)精度高，可實(shí)現(xiàn)上游流量、下游水位及流向等多邊界耦合控制，該研究成果對(duì)刁口河治理具有重要意義。

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