大型输水系统闸群调度控制优化及水力响应特征研究

本项目在系统分析国内外已有研究成果的基础上，以中线工程为研究对象，按照闸前常水位的运行方式，计算分析闸门启闭过程中水头损失、变水头作用下流量系数的变化规律，量化复杂内边界水力响应对闸群调控的影响，探求具有水力学机理特征的闸门运行控制经验关系式，进而实现闸门控制模型的优化.在此基础上，研究闸群不同调控方案时的供水响应时间、水流波动范围及幅度与闸门开度变化幅度和操作时间的定性规律和定量关系，利用上述规律和关系，提出闸群调度控制的优化方法，并选择中线工程京石段的进行应用验证，考察优化后的闸群调度控制模型的稳定性和安全性。本项目的实施将完善闸群调度和闸门控制方法，对探索长距离复杂内边界条件下输水渠道运行过程中的水力学机理和运行控制特征具有重要的科学意义，可为其他大型输水渠道的模拟和控制提供重要参考，具有很强的实用价值和前景

我国水资源分布存在“南多北少”的现象，需要修建调水工程从南方调水到北方以缓解水资源短缺的问题。寻求科学合理的方法，对输水系统的控制运行和调度进行精确模拟和预演具有十分重要的意义。在青年基金的资助下，项目负责人对构建优化大型输水系统模拟模型、输水渠道调度运行及其水力响应特征开展了研究。通过收集整理南水北调中线工程渠道的断面资料、过水建筑物布置和相关的设计水位流量资料，建立了闸门调控下的水动力学模型。考虑闸门前后水位对淹没系数的影响，利用泰勒展开和有限差分法，对闸门过流模型进行了改进。选取南水北调中线一期工程总干渠的部分渠段对模型进行了模拟计算。水面线及闸门过流的计算结果表明,模型合理可靠，可以实现闸门过流的连续模拟并提高了计算精度。初步应用该模型进行了闸前常水位模式下典型渠段的水力响应计算，分析了平衡状态的渠道水面线及闸门运动变化。结果显示，闸前常水位运行模式下，闸门开度变化与过流量变化一致，节制闸的启动时间与上边界的距离和流量增减关系密切，计算水面线符合水力学的一般规律。采取数值模拟的方法，计算了闸门开启和关闭两类操作情况下输水渠道的水力响应过程。分析表明，渠道水位波动变化幅度及影响距离、波动传播时间和闸门附近水位下降速率等水力响应参数与闸门运用方式、开度变化速率等影响因素之间存在着密切的关系，能够初步利用简单的定量关系表达式来描述。这些特征规律对进一步深入研究减小渠道水位变化幅度和下降速率的方法，制定合理有效闸门调度控制方式具有重要意义。 对典型分水口不同分水流量大小和操作方式下的渠道水力响应过程进行了计算，得到了相应的水位变化幅度和波动影响距离。结果表明，单步分水的水位变化速率快，波动影响距离大。同时从安全输水的角度出发，为减小水位下降速率，提出了分水口进行分水时的最大分水流量变化范围和较优的分水完成方式等调控原则。在上述研究的基础上，从减小渠道调控影响范围出发，提出了区间调度的概念。以南水北调中线总干渠为研究对象，按照闸前常水位的运行方式，在一定闸前水位变幅下对“顺序”和“交替”两种区间调度模式进行了模拟计算。分析比较了不同模式下影响渠道安全稳定输水的重要参数，结果表明区间调度能够控制波动影响范围，减少参与调节的节制闸个数，可以作为大型输水渠道调度运行的有效方法，并给出了较优的区间调度方式。