大型調水工程自動化運行控制數值仿真研究

丁志良,王長德,王 玲

（1.長江勘測規劃設計研究院，武漢 430010;2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072;3.武漢大學動力與機械學院，武漢 430072）

我國水資源水量有限并在時空上分布不均勻，跨流域調水勢在必行。渠道起著將水從水源地輸送到用水目的地的作用，是一種主要的輸水方式。傳統的渠系運行多采用人工控制，操作笨拙，信息傳遞、系統響應緩慢，還需要大量有經驗的操作、管理人員，運行費用高，造成人力、財力及水資源的大量浪費，渠系運行自動化控制正是解決此弊端的有效途徑[1]。

渠系自動化是為提高渠系運行水平所實施的控制系統，它是優化調度理論和自動控制技術兩者的有機結合，其目的是提高渠系的輸水效率和運行水平，根據用戶的要求適時、適量的供水，減少工程建設費用，避免水量浪費，降低運行管理成本，從而實現渠系高效、經濟的運行[1]。由于渠道系統具有大滯后性、高度非線性，而且各個渠道系統之間還存在著耦合，再加上一些不確定性的干擾，使得水流的控制變得非常復雜。王長德等在渠道自動化運行控制研究和應用方面做了大量的研究工作[2-5]，在其研究的基礎之上，本文把大型調水工程運行調度數值仿真模型運用到南水北調中線工程的運行調度仿真計算中，得到了一些有益的結論。

1 渠道運行控制系統及數學模型

1.1 渠道系統運行數學模型

通常輸水干渠由節制閘分成一系列的明渠渠段。圖1中的輸水渠道由幾個渠池組成，渠道上游為一水庫，且假設水庫無限大，因此可以認為整個渠道系統的上游邊界條件為渠首閘門上游常水位，渠道下游為下游用戶，系統下游邊界條件可以是流量或水位的變化過程。

圖1 渠道運行Fig.1 Schematic of canal operation

渠系的動態過程可以用擬線性雙曲型偏微分圣·維南方程組結合非線性斷面結構方程來模擬。圣·維南方程組形式如下:

式中，B為水面寬；Z為水位；t為時間；Q為流量；C為謝才系數；s為斷面的距離坐標；g為重力加速度；A為過水斷面面積；q為旁側入流量；v為水流沿軸線方向的流速；vqs為旁側入流在水流方向的平均流速，常忽略不計；R為水力半徑；i為渠道底坡；M為明渠單寬、定深（常深）、斷面沿程的放寬率，，對于棱柱型明槽，可令

求解圣·維南方程組的數值方法中普萊士曼（Preissmann）隱式差分格式以其精度高、無條件收斂等優點被廣泛采用，通常采用追趕法求解[6]。

1.2 渠道控制系統仿真模型

渠系控制系統是根據來自渠道中的信息，通過一定的方式計算控制設備的調整量，控制渠道的某一或某些變量按一定的規則變化，以實現預定的控制目標。目前我們所編寫的渠系控制仿真程序可以完成多渠段，多取水口，包含倒虹吸、渡槽等建筑物的渠道系統在采用不同控制器條件下的渠道運行控制仿真過程。渠道運行控制仿真系統基本框圖如圖2所示。

渠道運行控制仿真系統主要包括6個功能模塊:輸入模塊、恒定流計算模塊、非恒定流計算模塊、控制器算法模塊、過閘流量計算模塊、輸出模塊。這6個模塊緊密聯系，相互作用，以實現渠道按所設計的運行方式運行，滿足下游的需水要求，這里重點介紹一下控制器算法模塊。

控制器算法是控制系統的核心部分，在本文的大型輸水渠道控制仿真中，采用的是流量前饋+水位反饋PID復合控制器。

圖2 渠道運行控制仿真系統結構Fig.2 Structure of canal operation control simulation system

計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量。離散系統的數字PID控制表達式為[7]:

式中，k為采樣序號；T為采樣周期；e（k）為第k次采樣時刻輸入的偏差值；e（k-1）為第（k-1）次采樣時刻輸入的偏差值；Ki為積分系數，Ki＝KpT/Ti；Kd為微分系數，Kd＝KpTd/T。

上式中U（k）為第k次采樣時刻PID控制器的輸出值，它對應于執行機構的位置，故稱為位置式算法。這種算法在計算過程中要對e（k）進行累加，計算機運算工作量大。而且計算機輸出的U（k）對應的是執行機構的實際位置，如計算機出現任何故障，都會引起執行機構位置的大幅度變化，這顯然對于控制機構的安全控制運行不利，需要改進以上算法，因而產生了增量式PID控制算法。當執行機構需要的是控制量的增量時，可由式（3）導出增量式PID控制算法:

增量式和位置式控制算法實現的閉環數字系統，就其控制功能而言并無本質區別，但在實際的工程應用中，增量算法應用更為廣泛。本文的渠系運行控制仿真系統中的PID控制器采用增量式控制算法，即控制器輸出的是閘門開度變化值。

1.3 渠道中建筑物的模擬

渡槽、隧洞、暗渠等渡槽、隧洞、暗渠等有自由水面的建筑物，我們把它們當作一段特殊明渠來處理，其水流狀況可用圣·維南方程組進行模擬，可適當加大計算網格密度以增加計算精度即可。

倒虹吸內為壓力管流，其水流狀況不能用明渠非恒定流方法模擬，在此，我們將建筑物內部水流的運動規律用相應的程序表示并封裝起來，僅提供建筑物的起始斷面和結束斷面之間水位、流量關系[8]，在進行非恒定流求解時，兩斷面節點間的水位差為計算出的水頭損失，流量保持連續不變。關于渠道建筑物水頭損失在仿真模型中的引入及在調節過程中的計算方法，詳見文獻[9]。

1.4 模型驗證

本文主要是基于模型算法等軟件方面的研究，若要在實際渠道上實現還需要進行硬件方面的研究，如數據采集系統、通訊系統、中央控制系統、自動化閘門等，所以這也給模型驗證帶來了困難。限于費用和時間，本文未對數學模型作實測資料驗證，但是本文對ASCE渠道控制算法工作委員會提供的標準測試算例進行過模擬計算，發現兩者的計算結果一致，有關測試算例的詳細資料見文獻[10]。目前，南水北調中線京石應急供水段已經全面通水，將來在獲得京石段運行調度實測資料的基礎上，可以對本文的數學模型及研究成果作進一步的驗證。

2 仿真實例

2.1 渠道基本情況及仿真工況

選取南水北調中線工程應急段古運河節制閘～放水河節制閘之間的渠道作為研究對象[11]，起點總樁號:968+909，終點總樁號:1070+382，全長101.473 km。整個渠道系統由7座節制閘分成6個渠段，起點渠段設計流量170 m3·s-1，終點渠段設計流量135 m3·s-1。渠道沿程包括5個分水口，6個倒虹吸，1個渡槽，2個暗渠，1個涵洞，渠道漸變段、排水建筑物若干。各渠段整體參數見表1。

表1 各渠段整體參數Table1 Overall parameters of each canal pools

由于各渠段內部都存在斷面形式變化等情況，所以各渠段內部需要再分成若干子渠段，內部子渠段劃分及計算參數見文獻[8]。

假設渠系最上游端水深保持7.0 m不變，為簡單起見，僅考慮設計流量最大的中管頭分水口（位于第4渠段）參與分水運行，其余分水口流量為零，分水口及渠道下游端流量變化過程如圖3所示。

圖3 下游需水及分水口流量變化過程Fig.3 Discharge variation processes of canal downstream end and turnout

2.2 仿真結果及結論

等體積運行、下游常水位運行及控制蓄量運行方式下各渠段上游閘門開度過程見圖4～6。列出三種運行方式下渠道4的水位過渡過程，分別如圖7～9所示。三種運行方式下渠道的控制效果見表2。

圖4 等體積運行各渠段上游閘門開度過程線Fig.4 Upstream gate opening processes of each pool under constant volume operation method

圖5 下游常水位運行各渠段上游閘門開度過程線Fig.5 Upstream gate opening processes of each pool under constant downstream depth operation method

圖6 控制蓄量運行各渠段上游閘門開度過程線Fig.6 Upstream gate opening processes of each pool under controlled volume operation method

圖7 等體積運行渠段4水位過程線Fig.7 Water level variation processes of pool 4 under constant volume operation method

圖8 下游常水位運行渠段4水位過程線Fig.8 Water level variation processes of pool 4 under constant downstream depth operation method

圖9 控制蓄量運行渠段4水位過程線Fig.9 Water level variation processes of pool 4 under controlled volume operation method

表2 各種運行方式下渠道控制效果Table2 Canal control effects under different canal operation methods

從以上仿真結果，可得出以下幾點結論:

a.建立的大型輸水渠道自動化運行控制仿真系統，可以實現渠道多種運行方式下的運行調度仿真計算，各種運行方式下，渠道節制閘開度及水位過渡過程都較為良好，系統的穩定性、動態特性及穩定態特性也都較好。

b.在同一條件下，等體積運行方式明顯優于下游常水位運行方式。這是由于下游常水位運行方式下每個渠段都需要補充相應的楔型水體體積，這需要從水源處依次進行補給，當渠道較長時，尾端渠道由于得不到及時的補給，導致穩定時間較長，同時，當渠道內水體得不到補給時，渠道只能降低水位運行，從而導致渠道水位波動較大，并使取水口水位不足，而等容積運行方式則由于渠段僅從上一級渠道補水，因此穩定較快，同時渠道的水面波動也較小。

c.控制蓄量運行方式下渠道系統可通過控制一個或多個渠段中的蓄水量來滿足運行標準，渠道的水面可以上升也可以下降，所以該運行方式具有很強的靈活性。控制蓄量運行方式可以作為下游常水位與等體積運行方式之間的過渡運行模式。

3 結語

大型輸水渠道系統，渠道沿線穿過眾多建筑物，運行控制邊界條件復雜，約束條件多，研究渠道的運行調度問題需要考慮輸水渠道的水力學特性，又要研究運行控制理論在此基礎之上的應用。本文把大型輸水渠道運行控制數值仿真模型直接運用到南水北調中線工程的運行調度中，結果表明，該模型可較好地對渠道多種運行方式下的運行調度工況進行仿真計算，在大型輸水渠道設計時，可利用本文建立的數值仿真模型對工程各種可能出現的工況進行預演，優化設計參數，改進整體設計，從而為工程建成后進行實時運行調度提供服務。

[1]美國內務部墾務局.現代灌區自動化管理技術實用手冊[M].高占義,謝崇寶,程先軍,譯,北京:中國水利電力出版社,2004.

[2]王長德,柳樹票,崔玉炎,等.串聯倒虹吸渠系P＋PR控制[J].武漢大學學報:工學版,2002,35(1):15-19.

[3]姚雄,王長德,李長菁.基于控制蓄量的渠系運行控制研究[J].水利學報,2008,39(6):733-738.

[4]姚雄,王長德,丁志良,等.渠系流量主動補償運行控制研究[J].四川大學學報:工程科學版,2008,40(5):38-44.

[5]Wang D,Yao X.Study on operation of a long distance water transfer canal system[C].Proceedings of USCID Fourth International Conference on Irrigation and Drainage,Sacramento,New York:Committee on Irrigation and Drainage,2007:615-629.

[6]楊國錄.河流數學模型[M].北京:海洋出版社,1993.

[7]劉金琨.先進PID控制maTLAB仿真[M].2版.北京:電子工業出版社,2004.

[8]范杰.渠系運行特性分析及智能控制研究[D].武漢:武漢大學,2006.

[9]丁志良,王長德,談廣鳴,等.大型輸水渠道系統建筑物水頭損失處理方法研究[J].南水北調與水利科技,2008,6(5):18-23.

[10]Clemmens A J,Kacerek T F,Grawitz B,et al.Test case for canal control algorithms[J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering,1998,124(1):23-30.

[11]張志明,文丹.南水北調中線工程總干渠總體布置[D].武漢:長江水利委員會長江勘測設計研究院,1997.

[12]Ding Z L,Wang C D,Tan G M,et al.Studies on roughness and the dynamic response and performance of canal system[C].2008 Proceedings of information technology and environmental system sciences,Beijing:Publishing House of Electronic Industry,2008:753-758.