（水利水电工程专业论文）调水工程中明渠输水系统的水力控制研究.pdf

中文摘要 调水工程中明渠输水系统是指由一条长输水干渠和若干节制闸、分水闸等构 成的非常复杂的输水系统。由于渠系距离长、建筑物多、分布广、要求实行不间 断供水，水力调度控制十分复杂。在正常运行工况和非常工况( 事故、水质污染、 渠道损坏) 下，如果调控不当，容易导致堤坝滑坡，渠坡和衬砌的稳定性受到威 胁以及产生各种复杂的水力现象( t g 流漫溢现象、水力振荡现象) 。为保证渠道 输水系统能迅速适应新的流量变化，实现适时、适量、安全供水，需对水力调度 控制进行深入研究。 本文以南水北调中线渠首段为实例，建立非恒定流数学模型，通过数值模拟， 对渠道水力控制方面作了以下几个方面的研究： ( 1 ) 从恒定流蓄量变化以及非恒定流过程中产生的水位波动、稳定时间和 工程量方面对下游常水位控制方式和中点常水位控制方式进行分析、比较，从而 得出两种运行方式的优缺点。 ( 2 ) 研究了不同的节制闸启闭规律对输水系统水力特性的影响。 ( 3 ) 对渠道输水系统中相邻两个节制闸突然关闭引起的渠道内的水位交替 升降现象以及在上游渠道内发生壅水产生水流漫溢现象的原理和水力特性进行 分析。 ( 4 ) 研究了不同节制闸间距对明渠输水渠道响应时间、闸前水位壅高、事 故排空时间、建闸投资比等因素的影响，并由以上各因素综合确定最优节制闸间 距为2 5 3 5 k i n 。对于实际工程中闸间距的合理设计和渠道的安全运行有非常重要 的指导作用。 ( 5 ) 对节制闸联合控制中的同步控制法和顺序控制法进行研究。对不同控 制方法下长距离明渠输水系统的水力特性进行了分析比较。并根据分析结果建议 当流量增大时，采用提前顺序控制方法：当下游渠段流量因意外情况需要立即减 少时，采用同步控制方法。 关键词：水利水电工程；长距离输水；水力控制；数值模拟 a b s t r a c t o p e n - c h a n n e lw a t e rd i v e r s i o ns y s t e mi n t h ew a t e rt r a n s f e rp r o j e c ti sa n e x t r e m e l yc o m p l i c a t e ds y s t e mw h i c hi sm a d eu po fal o n gd i s t a n c em a i nc a n a la n d s e v e r a lc h e c kg a t e sa n dd i v e r s i o ns l u i c e sa n ds oo n d u et os e r i e so ff a c t o r ss u c ha s t h el o n gd i s t a n c ec a n a ls y s t e m , m u l t i p l eb u i l d i n g sa n dw i d ed i s t r i b u t i o n ，i t sh a r dt o c o n t r o lt h eh y d r a u l i cd i s p a t c hf o ru n i n t e r r u p t e dw a t e rs u p p l y u n d e rn o r m a lo p e r a t i n g c o n d i t i o n sa n da b n o r m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ( a c c i d e n t ，w a t e rp o l l u t i o na n dc a n a l d a m a g e ) ，i fi t c o n t r o l l e di n a p p r o p r i a t e l y , i tw i l ll e a dt od a ms l i d ea n dt h r e a tt h e s t a b i l i t yo ft h ec a n a ls l o p ea n dl i n e r b e s i d e s ，i tw i l lc a u s ev a r i o u sc o m p l i c a t e d h y d r a u l i cp h e n o m e n a ( t h ep h e n o m e n ao fh y d r a u l i co s c i l l a t i o na n dg r a v i t yc h a n n e l ) f o re n s u r i n gt h ec a n a lw a t e rc o n v e y a n c es y s t e mt oa d a p tt ot h ec h a n g eo ff l o w q u i c k l y , i m p l e m e n t i n gw a t e rs u p p l ys a f e l y , t i m e l ya n ds u i t a b l y , i tn e e dt om a k e f u r t h e rr e s e a r c ho nt h eh y d r a u l i cc o n t r 0 1 t a k et h ec a n a l - - h e a ds e g m e n to fm i d d l e - - l i n es c h e m eo fw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t f r o ms o u t ht on o r t hc h i n aa se x a m p l e ，t h i se s s a ym a i n l yr e s e a r c h e so nt h ec a n a l h y d r a u l i cc o n t r o lb ye s t a b l i s h i n gu n s t e a d ym a t h e m a t i cm o d e la n dm a k i n gn u m e r i c a l s i m u l a t i o n t h er e s e a r c hi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) d o w n s t r e a mc o n s t a n tl e v e lc o n t r o lm e t h o da n dm i dp o i n tc o n s t a n tl e v e lc o n t r o l m e t h o da r ea n a l y z e da n dc o m p a r e db ys t o r a g ea m o u n to ft h es t e a d yf l o w , w a t e rl e v e l f l u c t u a t i o na n ds t a b l et i m ew h i c hg e n e r a t e di nt h ep r o c e s so fu n s t e a d yf l o wa n dt h e e n g i n e e r i n ga m o u n t s ( 2 ) s t u d yo nt h ei n f l u e n c eo fc h e c ks l u i c e so p e n c l o s em e c h a n i s mo nt h eh y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a t e rd e l i v e r ys y s t e m ( 3 ) a n a l y z et h et h e o r ya n dh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r a v i t yc h a n n e la n d w a t e ra l t e r n a t i v el i f tp h e n o m e n aw h i c hc a u s e db ys u d d e n l yc l o s i n go ft w oa d j a c e n t c h e c ks l u i c ei nt h ec h a n n e lh y d r a u l i cp i p e l i n e ( 4 ) s t u d yo nt h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n tc o n t r o l l i n gg a t ei n t e r v a l so nt h er e s p o n s e t i m ea n dr a i s i n gw a t e rl e v e lw h e nd i s c h a r g ec h a n g e s ，e l i m i n a t i n ga c c i d e n tt i m ea n d i n v e s t m e n tr a t i oo fg a t eb u i l d i n gi nt h ew a t e rt r a n s p o r t a t i o no p e nc h a n n e la n da d v i c e t h a tt h eo p t i m a lc o n t r o l l i n gg a t ei n t e r v a li s2 5 3 5 k m ，w h i c hc a ng u i d ec o n t r o l l i n gg a t e i n t e r v a l sd e s i g na n ds a f e t yr u n n i n go ft h es l u i c ei np r a c t i c a le n g i n e e r i n g ( 5 ) s t u d yo nt h ec o m b i n e dc o n t r o lo fc h e c ks l u i c e i nt h e l o n g - d i s t a n c e a n d o p e n 。c 8 n a l w a t e rd e l i v e r ys y s t e m t h es y n c h r o n o u sc o n t r o lm e t h o da n d t h es e q u e n t i a l c o n 昀lm e t h o da r ec o m p a r e db ya n a l y z i n gt h eh y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s b a s e do n 他s u l t s ，w h i l et h ed i s c h a r g ee n l a r g e d ，s e q u e n t i a lc o n t r o lm e t h o di ss u g g e s t e dt ou s e ； w h i l et h ef l o wo fd o w n s t r e a mn e e dt or e d u c ei m m e d i a t e l yf o r u n e x p e c t e ds i m a t i o n s s y n c h r o n o u sc o n t r o lm e t h o di ss u g g e s t e dt ou s e k e y w o r d s ：h y d r a u l i ca n dh y d r o p o w e r h y d r a u l i cc o n t r o l ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n e n g i n e e r i n g ；l o n g d i s t a n c ew a t e rt r a n s f e r ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：i 习易 签字日期：2 秒留年d 月d 归 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤注盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者懿闰驾 签字日期：彩年p 月d 细 导师签名： 签字同期：2 秒c 召年侈月晔日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 供水和需水的矛盾已经成为当今世界面临的重大课题之一。尽管水是循环并 可以再生的自然资源，但在某些特定的区域或时段内可供给人类使用的水量总是 有限的。与此同时，随着经济的发展、社会的进步、人口的增长、城市化进程的 加快和人民生活水平的日益提高，工业、生活以及生态等各方面对水的需求量也 相应提高，使得水资源的供需矛盾日益突出。这一供需矛盾的解决往往需要修建 调水工程。 为了解决水资源短缺问题，古今中外修建了很多跨流域、长距离调水工程 【1 j - 【4 1 。国外最早的调水工程是公元前2 4 0 0 余年的埃及尼罗河调水工程，该工程 从尼罗河引水灌溉埃塞俄比亚高原南部地区。但是，国外大量兴建跨流域调水工 程，则是自1 9 世纪中叶以后。美国在1 8 4 2 年至1 9 0 4 年间，从对克洛顿河的开 发利用开始，先后兴建了克洛顿至纽约市等小型调水工程，平均输水距离为 2 5 0 k m 。进入2 0 世纪以后，国外跨流域调水发展较快，己建大型的调水工程有 美国联邦中央河谷调水工程、加利佛尼亚州北水南调工程、柯罗拉多河水道工程、 柯罗拉多大汤普森工程、特拉华调水工程、秘鲁东水西调工程、澳大利亚雪山 调水工程、以色列北水南调工程等。这些大规模、长距离、跨流域调水，不仅缓 解或解决了缺水地区城市和工农业用水，而且带来了水力发电、防洪、航运、养 殖、旅游等综合效益。目前国外已有3 9 个国家建成了3 4 3 项大大小小的调水工 程。据报道，前苏联( 现解体为1 5 个国家) 共有调水工程近1 0 0 项，加拿大有 6 0 项，印度有4 6 项大中型灌溉干渠，巴基斯坦有4 8 项大中型引水灌溉干渠， 南非共和国有7 项，埃及有6 项等等，在很大程度上促进受水地区的社会、经济 全面发展。 我国引水历史悠久【l 】，公元前4 8 6 年修建的引长江水入淮河的邢沟工程、公 元前2 5 6 年修建的都江堰引水工程、公元前2 1 9 年建成的沟通湘江( 长江水系) 和 漓江( 珠江水系) 的灵渠、公元1 2 9 3 年全线贯通的京杭大运河等早期跨流域调水 工程，主要用于漕运和农业灌溉。近年来，我国又兴建了江苏江水北调工程、广 东东深工程、冀津引滦工程、冀豫引黄入淀工程、山东引黄济青工程、甘肃引大 入秦工程及山西引黄入晋工程等。作用已扩大到为工业、城乡生活和改善生态环 境而供水。现阶段最引人瞩目的是我国的南水北调工程，其目的是解决北方地区 第一章绪论 主要是黄、淮、海河流域的缺水问题，是一项重大战略性基础设施建设，关系到 我国经济、社会和生态环境可持续发展的长远利益。整个工程跨越四大流域，年 总调水量约五百多亿吨，工程量大，计划将按东、中、西的顺序分批实施。目前 南水北调东线、中线工程己开工建设，以此为标志，我国将在本世纪修建不同规 模的调水工程，以满足国民经济持续发展的需要。 南水北调中线工程是为解决我国水资源分布不均并严重影响北方地区经济 发展问题而兴建的一项特大型跨流域、具有战略性意义的宏伟工程【5 】。工程从长 江支流汉江丹江口水库陶岔闸引水，经长江流域与淮河流域的分水岭方城娅口， 沿唐白河流域和黄淮海平原西部边缘开挖渠道，在郑州以西孤柏处过黄河，沿京 广铁路西侧北上，自流到北京、天津。中线工程主要向唐白河流域、淮河中上游 和海河流域的西部平原的湖北、河南、河北、北京及天津五省市供水，重点解决 北京、天津、石家庄等沿线2 0 多座大中城市的生活和工业用水缺水问题，并兼 顾沿线生态环境和农业用水。工程的实施可缓解京、津、华北地区水资源危机， 从而大大改善供水区生态环境和投资环境，推动我国中部地区的经济发展。南水 北调中线一期工程由水源工程、输水工程和汉江中下游治理工程三大部分组成。 水源工程包括丹江口大坝加高和陶岔枢纽；输水工程包括明渠、管涵、各类建筑 物；汉江中下游治理工程包括兴隆水利枢纽、引江济汉工程、部分闸站改扩建工 程和局部航道整治工程。输水工程以明渠为主，局部渠段采用泵站加压管道输水 的组合方案。输水线路总长1 4 3 1 7 5 k m ，其中陶岔枢纽至北拒马河段1 1 9 6 1 7 k m ， 采用明渠输水方案，渠道采用梯形过水断面，并对断面进行衬砌，防渗减糙；北 京段长8 0 0 5 2 k m ，采用p c c p 管和暗涵相结合的输水形式；天津干线1 5 5 5 3 l k m ， 采用暗涵输水形式。总干渠主要控制点流量规模：陶岔枢纽引水量3 5 0 4 2 0 m 3 s ( 设计a n 大，下同) ，穿黄工程2 6 5 3 2 0 m 3 s ，进河北输水规模2 3 5 2 6 5 m 3 s ，北 拒马河( 进京) 5 0 6 0 m 3 s ，天津干线段首为5 0 6 0 m 3 s 。 修建调水工程的实质是通过水力控制改变水流的自然流动方向，实现对水资 源的重新分配峥】。在输水系统中【7 】渠系起着将水从水源地输送到用水目的地的作 用，是一种主要的输水方式。各用水单位所需水量通过各取水口进行分配，为保 证各用水单位能得到规定的稳定流量，取水口取水闸门前水位要求稳定不变。但 是，取水的每一种状态变化必然引起渠道水面的波动，这种波动使渠道处于不稳 定状态，如不进行有效控制，。必然会引起渠道水位的振荡，甚至会放大，导致整 个系统的破坏或瘫痪。长距离的调水工程往往跨越一个或几个流域，采用明渠、 有压管道和无压隧洞输水方式，沿线有许多控制建筑物，因此需要对水库和水泵 等进行统一的水力控制调度。以南水北调中线工程为例【8 】，中线工程北调水量过 程变化不均，总干渠沿线有9 0 个分水口门，各口门的需水量是变化的。在实际 2 第章绪论 运行调度中，根据需水量和丹江口水库当前的可调水量，进行水量分配，然后通 过节制闸控制调度，将各分水口的分配水量送达口门。如果没有节制闸的控制， 水流以自然状态从丹江口流到北京需要1 0 1 5 天，为了提高总干渠控制运行的灵 活性，可以使总干渠全线的节制闸同时动作；若某一渠段需水量变化，相关节制 闸同时调整开度，使进入每一渠段的流量发生相应的变化。这样总干渠的响应时 间缩短为单渠段的响应时间。另外，有节制闸控制时，渠道运行水位较高，有利 于分水口的取水。水位较高，渠道贮水较多，能够适应需水的突然增加。中线总 干渠为全线全断面衬砌。为了保护衬砌，渠道水位变化不能太大，特别是水位的 降落速度应有严格的限制。只有运用节制闸，对渠道进行运行控制才能保证渠道 水位波动不超过允许范围。因此，无论是从按时按量供水、提高水的利用率、以 及最大限度满足用户需水方面考虑，还是从渠道安全方面考虑，都需要对渠道运 行进行控制调度。 长距离调水工程是一项比较复杂的系统工程【9 】。由于距离长、控制站点多、 分布广、要求实行不间断供水，调度和控制十分复杂。其特点：( 1 ) 线路长、流 量大、调节时间长。当运行水位偏离正常运行水位时，要想把渠道水流从个状 态调节到另一个状态，并保持稳定，控制比较困难。( 2 ) 调节水库少，调蓄能力 差。如南水北调中线工程，干渠上没有任何调蓄水库，控制难度比较大。( 3 ) 多 水源调度增加调度运行难度。如南水北调中线为多水源调水工程，当各水源水量 不能稳定供水时，全线流量需要不断的调整，以适应水量的变化，这给输水控制 增加了很大的难度。( 4 ) 分水口多，需水量不稳定。( 5 ) 工程若建在北方，线路 冬季可能结冰，存在冰期运行问题。因此，水力调度控制是其中的一项非常重要， 也是难度较大的工作，调度运行的科学性不仅直接关系到工程的安全，也关系到 运行的经济合理性。 因此，对调水工程中明渠输水系统水力控制进行研究，从而选择最优的控制 运行方式、最优的闸门启闭方式和最优的闸门调控方法，对提高工程的输水效率、 充分发挥工程的潜力和效益，同时又保证工程的顺利、安全和稳定的运行，具有 不可低估的重要性和意义。 1 2 调水工程中水力控制研究的现状 1 2 1 国外调水功程水力控制研究现状 对于明渠输水非恒定流控制，早期有两种方法：上游控制和下游控制。对于 上游控制，渠道里的水位随时由渠首闸门调节，是属于需求型的；对于下游控制 第一章绪论 【lo 】1 1 1 1 ，水位由渠尾闸门调节，是属于供给型的，即将水位传感器布置在渠段上 游端的闸门下游一侧，当渠段下游的取水量增加( 减小) 时，水面将产生负( 正) 波 向上游传播，直到上游传感器监测到波号信号时，指令闸门做启闭动作。这种控 制系统的缺点是，水位变化大、滞后时间长、控制不灵活且要求渠道边坡高、渠 道分段受到限制。随着越来越多调水工程的建设，国外关于明渠输水系统运行调 度控制方面的研究有了很大的发展，并开始渠系自动化的研究【lo 】- 【1 4 】。2 0 世纪3 0 年代，首先由法国n e y r p i c 公司研制了一系列用以实行渠系自动化运行的水力自 动闸门，并提出了水力自动化灌溉的控制方法，并于1 9 3 7 年成功的将上游常水 位控制闸门a m ，安装于阿尔及利亚的o u e dr h i o u 地区的灌溉工程中，实现了灌 溉区到的水力自动化调节和输水。5 0 年代以来，渠系自动化技术在法国、美国、 日本等发达国家以及一些发展中国家得到了日益广泛的应用和发展。控制方式也 由早期的当地控制发展到可遥测、遥控的集中控制方式。中央自动监控技术是发 展的重点。中央控制系统中应用较多的是动态调节技术。六十年代后，随着科学 技术的飞速发展，尤其是通讯、电子技术的飞跃及计算机技术的广泛应用，提出 了一些渠系控制算法并编写相应的软件程序，同时还发展了一些实施中央自动监 控的灌溉系统，其中比较著名的是法国的普洛斯旺灌区与美国的加利福尼亚输水 道工程。法国在1 9 7 1 年开始将动态调节技术应用于普鲁旺斯渠系的一条支渠， 1 9 8 6 年扩展到全渠系。该工程干支渠长1 0 5 k m ，压力管道1 3 0 k i n ，在全系统内 有3 3 个节制闸、2 4 个事故排水闸、4 个泵站和2 个渠道电站。该系统运行很可 靠，供水效率高，几乎无弃水。美国加州水道工程于1 9 7 0 年代应用“控制容量 法”对原有调水渠道进行自动化改造。该工程包括许多调蓄水库、水电站和支渠， 水流控制涉及所有抽水站和节制闸门同时的运行，保证各渠池两端的进水流量的 平衡。计算程序根据用户的用水要求计算出泵站和节制闸的运行计划，保证水位 在运行的范围之内。8 0 年代，美国垦务局研发了一套“水道控制软件( a c s ) ”用 于中央利桑那渠系( c a p ) 的自动控制，该渠系包括4 0 k m 渠道、在线倒虹吸、隧 洞以及1 4 个梯级泵站和3 6 个节制闸，输水流量8 5 m 3 s 。该系统实行按需供水的 运行方式，沿渠不设排水闸、无弃水。系统同步运行，无论正常运行还是事故处 理，系统水位波动不大，稳定性较好。目前国外对于调水工程的运行在线计算机 仿真非常关注，正在开发与控制管理系统配套的水力控制在线计算机仿真软件。 1 2 2 国内水力控制研究现状 我国在长距离调水水力控制领域的研究启动较晚，近2 0 多年来，因大量实 际工程应用的需要，国内外学者对长距离明渠输水系统的实时控制方式进行了较 多的研究。2 0 世纪8 0 年代，王长德对渠道水力闸门控制运行的稳定问题【1 5 】和上 4 第一章绪论 游常水位自动控制渠道明渠非恒定流动态边界条件【1 6 j 进行了研究，完善了单渠池 水力自动闸门的运行控制问题。王念慎、董兴林、郭军等将圣维南方程组与现代 控制理论相结合，提出了明渠瞬变流的等容量最优控制模型【i7 1 。所谓等容量最优 控制，是指当渠道发生流量变化时，全渠道所有控制闸门都能按计算机程控软件 指令同时操作，使各渠段水体容量变化最小，因而达到水深变化最小的目的。9 0 年代末，周斌、吴泽宇等根据渠段中水位不动点的位置总结出了闸前常水位、闸 后常水位、等容量、控制容量4 种运行方式【8 】。阮新建等人采用现代控制理论研 究了明渠自动控制设计方法，设计了多渠段多级闸门渠道系统最优控制器【l 睨。 崔巍、王长德【2 l 】等提出将模糊控制理论应用于渠道运行系统，并利用m a t l a b 语言 的模糊逻辑控制工具箱实现了仿真，结果表明系统超调下，调整时间短，适应能 力强，具有较好的动态和稳态性能。王涛、阮新建【2 2 】提出在渠道自动控制中应用 b p 神经网络p i d 控制器技术，该方法主要利用b p 神经网络具有逼近任意非线性函 数的能力，且能够通过自身的学习找到某一最优控制规律下的p i d 控制参数，从 而能顺利确定渠道闸门的开度调节量，调节过程由m a t l a b 的神经网络工具箱进行 仿真。王涛、杨开林【2 3 】将现代控制理论与数字仿真技术相结合，建立明渠输水系 统的水力控制状态模型，并运用神经网络理论对参数进行优化。该仿真模型对调 水系统具有良好的调节和控制性能。韩延成 9 】对长距离调水工程进行渠道输水控 制模型研究及渠道输水调度运行及自动控制数字仿真模拟系统开发，提出了将传 统渠道下游常水位输水p i d 控制和r b f 人工神经网络结合得非线性输水控制方 法，使输水控制具有自学习、自适应、容错性和鲁棒性。 虽然近年来不少专家已作了大量有益的探索，但是水力自动控制发展还不成 熟，闸门频繁开启或关闭，不仅造成水流流态不稳，不利闸门稳定，在工程上也 是不允许的，还存在很多问题。尤其在建的南水北调中线工程是目前线路最长、 流量最大的调水工程，且沿线可利用的反调节调蓄工程少、冬季存在结冰问题等 都是目前国外已应用各种技术所未曾遇到的难题，而且国外的各种自动控制技术 和设备多属专利技术，引进费用高，且不一定适合中国国情。 1 3 长距离明渠输水系统的一些基本概念 长距离明渠输水系统【1 4 】是指由一条长输水干渠( 包括沿线渡槽、倒虹吸、暗 渠、有压管涵) 和若干节制闸、分水闸构成的输水系统。该系统的控制对象是输 水干渠中的水位、流量和各分水口的流量。其主要控制设施是输水系统中的节制 闸和分水闸。 第一章绪论 1 3 1 渠段运行控制方式 长距离明渠输水系统根据渠段中水位不动点的位置可分为下游常水位( 或称 闸前常水位) 、上游常水位( 或称闸后常水位) 、中点常水位( 或称等容量控制方 式) 、控制容量方式4 种运行方式2 6 1 。各种不同的运行方式各有其优缺点，在本 文第三章将对这几种控制运行方式具体介绍。 1 3 2 渠道系统的控制方法 渠系控制方法可划分为四类，各种控制方法都有其有缺点，在选择时，应进 行经济可行分析，并考虑运行的灵活性和工程的总体目标，结合实际情况选择合 适的控制方法【26 | 。 ( 1 ) 就地人工控制 控制人员或水管员巡回于上下游闸门之间，调节节制闸和分水闸的开度。启 动闸门由人工或电动启闭机进行启闭。大型渠系可能需要很多的水管员。渠道分 成若干部分，每个水管员负责一部分。管水员利用移动通信工具或电话与调度中 心保持联系，交换观测数据和调度指令，保证调督中心和现代管水员协调动作。 管水员通过实践提高其技能，通常不需要高深的专业技术，但不能立即觉察水流 的异常和紧急情况。一旦发现，需要较长时间才能对出现问题地区的上游和下游 进行必要的调整。由于人工控制固有的反应迟缓的特征，经常会引起渠道棱柱体 内出现或高或低的水流条件严重平衡。因此很难在大型渠系上使用。 ( 2 ) 就地自动控制 控制动作由就地的控制设备自动完成，正常情况下自动控制不需要操作人员 的参与。这些控制设备由传感器、测量装置、启闭设施以及自动控制逻辑、通信 等设备组成。自动控制室与渠系调度中心保持联系，交换测量数据和下达调度指 令，自动按时完成。就地自动控制设备安装好后，除了定期维护、校验或偶尔调 整参数外，一般无需人工干预。控制器一般都有报警系统，将紧急情况报警到调 度中心，总调督远可监控报警状态迅速采取对策。 ( 3 ) 集中监控 采用这种控制方法，调督中心可以直接对渠系建筑物进行监测和控制。分布 在渠系上的各个数据采集点将采集的数据提交给中控室用于控制决策。采集的数 据包括水位、闸门开度、流量、泵站工况等。数据传到中控室后，进行存贮、分 析、制表。数据采集点主要设在节制闸、泵站、重要的渠道分叉点和分水口。正 常情况下决策由调度中心做出，然后把指令( 如闸门启闭指令) 发送回现场。 集中控制需要数据采集设备，通讯设施及控制设施，每个现场需要配备远程 6 第一章绪论 终端。远程终端采集数据，与总控制台通讯并执行总控室发来的指令，终端与中 控室必须是双向联系，总控台可以监视并指挥终端的工作。由于集中控制的硬件 和软件复杂，并需要可靠的高的通信系统，费用比较高。集中控制的决策是根据 整个渠系得状态制定好的，任何局部变化都会立刻反映到中控室，中控室在作出 恰当的反应。因此调督的灵活性特别大。4 种渠道运行方式都可以通过集中控制 加以实现。 ( 4 ) 综合控制方法 就是将上述三种方法中的两种或三种结合起来的控制方法。例如，常将就地 自动控制和就地人工控制方法结合起来，一旦就地自动控制不能顺利执行( 如断 电、设备出现故障、失灵或其它突发情况) ，就可以采用就地人工控制方式。 1 3 3 闸门调控方法 渠道中的闸门调控一般有顺序调控、同步调控和选择调控三种方式。 ( 1 ) 顺序调控，即渠道中的节制闸门按一定的次序进行开度调节，可以是 从渠首节制闸依次向下游渠道节制闸调节( 顺序向下游) ，也可以是从渠道末端 节制闸依次向渠首节制闸调节( 顺序向上游) 。顺序调控适合于前面提到的任一 种渠系控制方法。 ( 2 ) 同步调控，即渠道中的控制闸门同时进行开度调节。这种调控方式的 优势在于，渠道中水流由于闸门调控所形成的非恒定流能在较短的时间内过渡到 恒定流状态，因为当渠道中闸门同时进行调节时，每一渠段内产生的涨水波和落 水波将相向传播，到渠段中部两波相互抵消，从而渠中水流能很快达到恒定状态。 这种调控方式适合于就地自动控制和监控方法，但并不适合于就地人工控制，因 为让一个渠道管理员同时对众多闸门进行调节明显不可能，而每个闸门都配备一 个管理员以期达到同时调节的目的也不现实。 ( 3 ) 选择调控，是有选择的对某个( 些) 闸门进行调控，以满足特定渠段 的流量或水深要求，当然前提是这样的调控不会对整个渠系的水流状态形成过大 的影响。 1 3 4 渠系运行的基本要求 将水从水源输送到下游一个或多个引水点称渠道运行。运行涉及渠道中水的 运动与状态，它遵循明渠水力学原理。渠道的基本运行要求为：向渠侧出水口分 水；在要求的时间内从上游水源向下游配水点输送一定的水量；使引水日的供水 与需水量相匹配，以维持渠道的平衡运行；在渠系的约束条件范围内运行。 渠道都有其运行约束条件，当向下游输水时必须考虑这些约束条件。主要包 第一章绪论 括以下几个方面：( 1 ) 水位约束，渠道运行的最基本的要求就是把运行水位控制 在一定的范围之内，否则就会造成漫堤或水位太低达不到分水流量。( 2 ) 水位变 化速度约束条件，渠道内的水位如果下降速度过快，容易使渠堤产生滑坡，危及 渠道的安全。在明渠输水中，水位下降速率都要有严格的控制。( 3 ) 流速约束， 在一些输水渠道或一段渠道不是衬砌渠道或没有完全衬砌，要求渠道的流速不能 过大，以免引起冲刷。对一些多泥沙渠道，流速又不能太小，以免熬成渠道淤积。 ( 4 ) 过流能力约束，由于渠道的过流能力是有限的，渠道过水不能超过规定的 最大流量。( 5 ) 开停机次数约束。在实际的输水调度过程中要其泵站尽量减少开 停机次数，以延长水泵的使用寿命。对于闸站，频繁启闭容易造成闸门变形、不 稳定。 1 4 本文的主要研究内容 本文以南水北调中线渠首段为实例，建立非恒定流数学模型，通过数值模拟， 对渠道水力控制方面主要做以下几个方面的研究： ( 1 ) 对长距离明渠输水系统的闸前常水位、闸后常水位、等容量、控制容 量4 种运行方式作简要介绍，并对下游常水位控制方式和中点常水位控制方式进 行分析，并从恒定流蓄量、非恒定流过程中产生的水位波动以及稳定时间，工程 量方面进行比较研究。从而验证各种运行方式的优缺点。 ( 2 ) 在正常流量调节工况下，闸门的调节速度是控制水位波动的关键，对 节制闸不同调节速度下输水系统水力特性进行分析。 ( 3 ) 对节制闸突然关闭引起的水位交替升降的现象以及在上游渠道内发生 壅水产生水流漫溢现象的原理和水力特性进行研究。 ( 4 ) 研究不同节制闸间距对渠道响应时间、闸前水位壅高、事故排空时间、 建闸投资比等因素影响。 ( 5 ) 为保证渠系适应新的流量变化，实现适时、适量、安全供水，对多个 节制闸联合控制下的同步控制法和顺序控制法进行研究，研究不同控制方法下长 距离明渠输水系统的水力特性，并进行比较选择最优的控制方式。 第二章明渠输水系统非恒定流计算模型 2 1 前言 第二章明渠输水系统非恒定流计算模型 对于长距离输水明渠，如果渠道上没有控制建筑物和其他控制措施，在重力 作用下，水的输送呈完全的自然流动状态。水流从水源到用户取水口需要花费很 长时间。若用户的需水量发生改变，水流难以很快适应流量变化，造成供水不足 或水流漫溢。在沿线众多分水口门的共同影响下，自流状态的水流无法满足输水 的要求【2 7 】。而渠道输水的目标是满足缺水区人民的生活、工业以及农业用水，修 建渠道的目的就是高效而经济的输水，满足用户的要求。 节匍i 闸 图2 - 1渠道节制闸控制示意图 因此，需要对输水系统进行控制，节制闸是实现渠道系统输水控制的重要建 筑物。典型的渠道节制闸控制系统如图2 1 所示，输水干渠由节制闸分成一系列 的明渠渠段。两个节制闸之间的渠段称为渠池。渠池以上下游节制闸为边界，图 中的输水渠道由即个渠池组成，渠道上游为一水库，且假设水库无限大。因此可 以认为整个渠道系统的上游边界条件为渠首闸门上游常水位。渠道下游为下游用 户，系统下游边界条件可以是水位或流量的变化过程。水流通过节制闸从上游渠 段向下游渠段输送。每个渠段类似于一个小水库，长距离输水渠道由这些小水库 串联而成，通过调节这些小水库而控制整个渠道水流。 渠道输水的运行调度与控制过程，是根据各用户的用水需求，通过控制一系 列节制闸的过流状态，适时、适量地将水输送给用户的过程。节制闸的控制动作 与渠道水力动态响应密切相关，在保证水位波动变化率不超过允许值的前提下， 则力求将用户所需要的水量通过逐个渠段的水体传递，迅速输送到用户的取水 口。并且避免水量浪费，降低运行管理成本，实现渠系的高效、经济运行。 通常渠道系统在运行调节中是从一种恒定流状态向另一种恒定流状态过渡 9 第二章明渠输水系统非恒定流计算模型 的过程。在过渡过程中水流是非恒定流渐变流。目前，明渠非恒定流理论方面研 究比较深入，1 7 7 5 年法国数学家拉普拉斯和拉格朗日就已开始对明渠不恒定流 进行研究。1 8 7 0 年圣维南首次用数学方法描述了明渠不恒定流的现象，即“圣维 南不恒定流偏微分方程”。后来的研究主要是对圣维南方程进行改进和计算2 8 1 。 2 2 明渠过渡流基本原理和控制方程 在推导明渠过渡流控制方程时，作了如下一些假定： ( 1 ) 断面上压力按静水压力分布。如果水面是渐变的，垂直向的加速度很 小，这个假定就是正确的。 ( 2 ) 过渡流的摩擦水头损失可以用恒定流摩擦水头损失公式计算。 ( 3 ) 断面上的流速分布是均匀的。 ( 4 ) 明渠底坡很小，因此s i n 目t a n 0 秒，c o s 0 1 。实际上，明渠底坡一 般都是很小的。 ( 5 ) 明渠是直的和棱形的。 2 2 1 连续方程 见图2 2 所示的控制体。x 取水流运动方向； 单位时间内净流入控制体的质量为 m i n = p a y 单位时间内流出控制体的质量为 水深y 取与渠底垂直方向。 ( 2 1 ) 肌。甜= p ( 4 + 丝o x 缸) ( v + 罢厶) c 2 单位时间净流入控制体的质量，略去高阶项后，为 m i n - - m o 埘：p a v - p ( a + 豢缸) ( 1 ，+ 尝a x ) = - p v 罢缸一宴血( 2 - 3 ) oodxo x 单位时间控制体质量增加为 l o 第二章明渠输水系统非恒定流计算模型 耀嬲 善 农深y 漉建 y y + 鍪m 竞t 承喇积彳 _ + 箬6 # 图2 - 2 推导连续方程控制体 m 。：p 丝缸 ( 2 4 ) j ，l =i x l z 。 j 根据质量守恒原理，单位时间净流入控制体的质量等于单位时间控制体质量 增量， 故有 p 詈缸= 一罢缸一罢a x c 2 - 5 ， 简化后，得 一0 , 4 + v 丝+ 堡：0 a ( 2 一- 0 一) + v + = l， 由于假定渠道为棱形，么是y 的函数，则有 罢= 多。砉= 曰) 罢 。2 州 一= 一= ， l ，- 一i 苏咖苏舐i、 等= 等瓦o y = b ( y ) 考i 一= = i 一l 钟咖a 、7a l 式中：b 是水深y 处得渠道水面宽，即自由水面处水面宽度，将式( 2 7 ) 代入 ( 2 6 ) 得 塑+ 1 ，塑+ 兰一0 v ：0 0 ( 2 - 8 一) 二+ 1 ，二+ 一= l z ， 式( 2 8 ) 就是明渠过渡流连续方程 由于q = a v ，因此 一o q ：彳堡+ v 丝：a - 堡+ b v 塑 = 彳+ v = + 二 叙叙苏苏o x ( 2 9 ) 将式( 2 9 ) 代入式( 2 8 ) ，得 o q + b 塑：o ( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 就是以流量表示的明渠过渡流连续方程。 第二章明渠输水系统非恒定流计算模型 2 2 2 运动方程 图2 3 中作用在控制体上的力有 水压力：f i = e = p g a y ，e = p g aa y 缸 摩擦力：只= p g a s r 血，式中：s r = 刀； ，2 r 4 n ，s r 为能坡，r 为水力半径，刀。 为糙率。 i - 一a j - - l 帮 图2 3 推导运动方程控制体 控制体水重沿x 向分力：e = p g a z l ，c s i n 0 = p g a 山c s o ，式中：s o 为底坡；臼为渠 道底与水平交角。因此作用在控制体上的力( x 向为正方向) f = f = e 一最一e f + e ( 2 1 1 ) 故得 f = 一倒学a x p g a , c s ，+ p g a 山c s 。 ( 2 1 2 ) 净流入控制体的动量通量为 埘= 一p 昙0 1 ，2 ) 缸 ( 2 1 3 ) 单位时间控制体增加的动量为 m 。= 詈汹心) ( 2 - 1 4 ) 根据动量守恒定理( 埘= m 。) 有 昙( 山) = 一p 昙o v 2 k 一倒罢厶一p g a a x s + , o g a a x s o ( 2 - 1 5 ) 简化并整理有 昙( 加) + 昙( 加2 ) + 鲥妻= g a ( s o - s ) ( 2 - 1 6 ) 将偏导数展开，除以么，经整理可得 g 罢+ v 亲+ 害+ 三( 詈+ v 瓦0 4 + 彳妻) = g ( s o - s y ) c 2 邯) g 衰w 瓦+ 瓦+ j 【瓦w 瓦+ 彳瓦j 2 g 忆。1 ” 将式( 2 6 ) 代入( 2 1 7 ) 得 1 2 第二章明渠输水系统非恒定流计算模型 竺+v霎+g尘=g(sos，ot苏。8 x ” 式( 2 1 8 ) 就是明渠过渡流运动( 动量) 方程。 如果以流量q 和水深y 为未知变量，则把q = a v ， 罢：彳宴+ y 罢代入式( 2 1 8 ) 中，经整理有 ( 卜等 罢+ 署箸+ 刍詈都。书， 以匕为流量表示的明渠过渡流运动方程。 2 3 明渠过渡流的控制方程的求解 ( 2 - 1 8 ) 望：彳翌+ v 丝， a ta t氆 ( 2 1 9 ) 一维圣维南方程组属于一阶拟线性双曲形偏微分方程组。除非引入很多简化 条件，否则要对这些方程的求解析解是不可能的。通常是对方程进行数值求解， 即把微分方程连续的定解域离散到定解域中的一些网格点上，亦即把偏微分方程 转化为一组代数方程。然后求解这组代数方程，给出解的这些节点的近似值。 圣维南方程组的数值解法，目前主要有特征线法【3 2 】，【3 3 1 ，有限差分法【3 4 】【3 6 】， 有限元法【3 7 】t 3 8 1 和有限体积法等。一般最常用的两种方法是特征线法和隐式差分 法。特征线法是先将圣维南方程组转换为特征方程，然后用有限差分法，用微商 代替偏导数，把特征方程离散为代数方程，然后就可以求解未知量。有限差分法 又分为显式和隐式两大类，显式法是将偏微分方程中空间偏导数项展开在已知变 量的时间层上，得到的代数方程中，对一个网格剖分结点只有一个未知变量，可 从代数方程中直接求解未知变量。隐式法则将偏微分方程中空间偏导数项展开在 待求未知变量的时间层上，必