多闸门联合运用下的渠道水力响应机理及闸群协同调控研究

To serve for the operational management needs of the south-to-north water transfer project, also the need for developing the automatic gate control platform, this project plan to study hydro-response involved with multiple gates operation and the coordinated regulation approach for combination use of multiple gates. At present, existing theoretical models and methods can not accurately describe and effectively regulate the channel hydrodynamics for the case of combination use of multiple gates. In order to solve the problem, this project is intended to develop advanced hydro-response analysis tool, single gate control and coordinated regulation method of multiple gates. Through studying water supply response time, gate opening and its intervals under different gate combination schemes, the project expects to obtain their qualitative rules or quantitative relation, identify the coupling, nonlinearity, time-varying characteristics and uncertainty factors that affect water flow, and further reveal water wave fluctuation, transmission and harmonic vibration forming mechanism. On the basis of that, analyses will be further extended to complex hydraulic boundary conditions (such as inverted siphon, aqueduct and buried culvert et al.) as well as model parameter perturbation (such as node allocation, head loss and discharge coefficient variation et al.) so as to explore the technical path of automatic gates control for long-distance channels with complex inner boundary. And finally, coordinated gates regulation approach will be proposed for an integrated and effective control. We believe this study can provide support to efficient utilization and scientific regulation of transferred water.

以南水北调中线工程运行管理需求为牵引，以输水干渠闸门群自动控制平台研发为背景，开展多闸门联合运用下的水力学响应机理分析和闸群协同调控研究。目前，现有理论模型和方法还难于精确描述和有效调控多闸门联合运用下的渠道水动力学过程。本项目针对渠道输水特点，建立多闸门联合运用下的渠道水力学响应机理分析模型、闸门控制模式和闸群协同调控方法。通过研究不同调控方案下的供水响应时间、水流波动范围及幅度、闸门开启变化幅度及操作时间之间的定性规律和定量关系，识别水力输移过程中耦合性、非线性、时变性和不确定性因素，揭示水波的波动特性、传播特征以及谐振形成机理。在此基础上，分析渠道边界条件（如倒虹吸、渡槽、暗涵等）和模型参数摄动（如节点配置、水头损失、流量系数变异等）等对闸群调控的影响，探索实现长距离、复杂内边界渠道闸群自动控制的技术路径，提出合理有效的闸群协同调控策略，为外调水水资源的高效利用和科学调控提供支撑。

本项目于2016年初正式启动，历时4年集中攻关，在多闸门联合运用下的渠道水力特征识别及响应机理辨识、引调水工程闸群联合调度及闸门实时控制方法（常态+应急）、输配水渠道系统不同类型水力控制设施的自动、联动控制、大型引调水工程运行控制平台四方面取得创新突破，研发出引调水工程“闸群集中-闸站当地-闸门液压”三级自动化控制模式及自动化平台，实现了以闸门控制为核心的引调水工程（或称“级联供水系统”）常态和应急工况下的全自动控制。.项目初期以南水北调中线工程总干渠为主要应用对象，以工程调水中使用的“南水北调电子渠道系统”为主要研究载体，通过深入分析渠道输水过程中的水动力学特征，研究了闸门当地控制、闸群集中调控及其耦合建模方法，发展和完善了输水渠道水量调配系统实时控制技术及平台，更进一步地，本项目将专利技术成果成功转化，推广应用于北疆额河供水工程、三峡-清江梯级水库群联合调度及黄河巴家嘴-五台山联合供水等级联工程群调控运行自动化项目，取得良好的应用效果，获“大禹水利科学技术奖”等省部级科技奖励3项。.截止目前，本项目发表期刊论文35篇，其中，SCI检索29篇，SSCI检索1篇，EI检索1篇，核心期刊论文4篇。尚毅梓作为第一作者发表在Applied Energy（2018）论文入选“ESI前1%高被引”论文，发表在Energy（2018）论文获第九届汪闻韶院士青年优秀论文奖，发表在Energy（2016）论文获北京市第十四届北京青年优秀科技论文一等奖；出版3部专著，其中在德国兰伯特学术出版社出版英文专著1部；已申报6项发明专利，登记软件著作权3项；获得4项科技奖励，其中省级部科技进步奖励3项。.项目执行期间，项目资助国际学术交流7人次，其中，研究骨干进行赴美国、意大利等国参加国际会议6人次，特别是，尚毅梓赴澳大利亚昆士兰大学开展了为期78天的交流访问，考察学习自动化闸门控制技术在澳大利亚雪山调水工程、昆士兰州宽湾调水工程和SEQ智能水网工程上的应用模式与方法，促进了本项目科技成果的成功转化应用。此外，项目聘用研究生9名，包括6名博士研究生和3名硕士研究生，项目执行期间，项目组骨干成员4人晋升高级职称，1人由副高晋升为正高。项目负责人受邀担任国际水资源协会（IWRA）会刊Water International（SCI）副主编。