南水北調(diào)東線自動(dòng)化閘門聯(lián)合調(diào)度研究

趙天宇

（南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南 250014）

南水北調(diào)東線自動(dòng)化閘門聯(lián)合調(diào)度研究

趙天宇

（南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南 250014）

針對(duì)南水北調(diào)東線濟(jì)南段渠道輸水工程，通過理論計(jì)算與實(shí)際歷史水情的對(duì)照，判定造成理論計(jì)算誤差中的“唯一變量”，研究推導(dǎo)出理論與實(shí)際唯一變量因數(shù)之間的規(guī)律關(guān)系。通過規(guī)律關(guān)系來校準(zhǔn)理論計(jì)算公式，達(dá)到提升理論計(jì)算精準(zhǔn)度的目的。

閘門聯(lián)合調(diào)度；南水北調(diào)；精準(zhǔn)算法

對(duì)長距離調(diào)水工程，調(diào)度運(yùn)行是調(diào)水工程最重要的工作內(nèi)容。自動(dòng)化閘門聯(lián)合調(diào)度技術(shù)，目前在我國國內(nèi)尚屬于空白，相似研究僅在2013年都江堰有過類似研究和實(shí)驗(yàn)。而在全球范圍內(nèi)，僅有澳大利亞具備相對(duì)成熟的技術(shù)。由于自動(dòng)化閘門聯(lián)合調(diào)度技術(shù)影響算法的因素太多，所形成的算法只能適用于其研究所依托的工程，具有極強(qiáng)的專屬性，很難形成范用類型算法。

1 初步研究的邊界范圍

“自動(dòng)化閘門聯(lián)合調(diào)度技術(shù)精準(zhǔn)算法”（以下簡稱“聯(lián)調(diào)算法”），適用范圍是自流型輸水渠道，為保障該算法的準(zhǔn)確性，在研究初期應(yīng)截選一段具有代表性的渠段進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)南水北調(diào)山東段全線自流型渠道進(jìn)行篩選，濟(jì)東渠道段工程具備以上特征。同時(shí)，由于濟(jì)東渠道段工程自2014年第一次全線調(diào)水運(yùn)行開始便一直使用淹沒出流計(jì)算調(diào)度控制閘門，其水情數(shù)據(jù)中可用于研究的有效水情較多，記錄完整度較高。

濟(jì)東渠道段工程以濟(jì)南市區(qū)段工程地下輸水暗涵出口為界，由上游濟(jì)南市區(qū)段工程及下游濟(jì)東明渠段工程組成，濟(jì)南市區(qū)段工程進(jìn)一步又由利用小清河輸水段與穿濟(jì)南市區(qū)地下輸水暗涵工程組成，工程結(jié)構(gòu)多樣，具有較強(qiáng)代表性。

2 研究方法

通過對(duì)水工理論計(jì)算以及實(shí)際水情數(shù)據(jù)差異對(duì)比分析，確定理論計(jì)算中的唯一變量與實(shí)際水情對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的關(guān)系規(guī)律，從而研發(fā)出一套適用于該輸水渠段的聯(lián)調(diào)算法。同時(shí)，受淤積及工程情況等綜合因素影響，唯一變量規(guī)律也存在漸變。對(duì)此，以“深度學(xué)習(xí)”理念為基礎(chǔ)，不斷匯入歷次供水運(yùn)行有效水情數(shù)據(jù)，在每次通水前、后重新率定理論計(jì)算唯一變量，確保聯(lián)調(diào)算法的精準(zhǔn)性。

3 水工理論算法

濟(jì)東渠道段工程的閘門類型主要是節(jié)制閘和倒虹涵閘兩種，研究選取節(jié)制閘淹沒出流計(jì)算與倒虹吸淹沒出流計(jì)算，理論計(jì)算的主要目的是確定影響理論計(jì)算精確度的唯一變量。

3.1 節(jié)制閘淹沒出流計(jì)算

根據(jù)濟(jì)東渠道段工程特點(diǎn)，應(yīng)采取底坎為寬頂堰型的閘孔出流。計(jì)算公式：

式中：e為閘門開啟高度；b為閘孔總寬度；H0為閘前水深；μ為閘孔自由出流的流量系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)。

1）流量系數(shù)：計(jì)算公式：

式中：ε為垂直收縮系數(shù)；φ為流速系數(shù)。其中，為方便確定唯一變量，流速系數(shù)取φ=1；垂直收縮系數(shù)ε的取值詳見表1。

表1

2）淹沒系數(shù)：通過圖1曲線查算。

3）唯一變量分析：由于人工修筑輸水渠道工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，所以當(dāng)閘門開度發(fā)生變化時(shí)，閘門開啟高度e、閘孔總寬度b、閘前水深H0、重力加速度g、淹沒系數(shù)σs均可確定。而閘孔自由出流流量系數(shù)μ因?yàn)橥瑫r(shí)受到垂直收縮系數(shù)ε和流速系數(shù)φ兩個(gè)變量影響，所以可以選定μ為節(jié)制閘淹沒出流理論計(jì)算中的唯一變量，而φ因取值為1，因此可以判定ε是決定理論計(jì)算是否與實(shí)際情況相符的決定性因素。

圖1

3.2 倒虹吸淹沒出流計(jì)算

計(jì)算公式：

式中：μc為流量系數(shù)，μc=1/（λL/d+∑ξ出）1/2；λ為內(nèi)壁沿程阻力系數(shù)，一般取0.02～0.03；∑ξ出為局部阻力系數(shù)總和，此處應(yīng)增加出口局部系數(shù)ξ出=1；ω為管道斷面面積（dh）；z為進(jìn)出口水位差。

1）公式分析：淹沒出流時(shí)，下游流速水頭很小，因此管道系數(shù)μc中可不計(jì)α，推出μc=1/（λL/d+∑ξ出）1/2。進(jìn)一步推出Q=dh·（2gz）1/2/（λL/ d+∑ξ出）1/2。

2）唯一變量分析：通過確認(rèn)進(jìn)出口水位差z、管道斷面面積ω。確定唯一變量是μc，主要受λ影響。

4 歷史水情數(shù)據(jù)分析方法

4.1 有效數(shù)據(jù)篩選

歷史水情數(shù)據(jù)的分析方法首先要對(duì)水情數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行判定，規(guī)避經(jīng)驗(yàn)調(diào)水及水位控制法調(diào)水等會(huì)造成頻繁閘門開度調(diào)整的調(diào)水方法，同時(shí)篩選排除因人工調(diào)度失誤造成的無效數(shù)據(jù)。

4.2 水情數(shù)據(jù)分類

水情表分類的依據(jù)是渠道內(nèi)流態(tài)的“變化期”與“平穩(wěn)期”，研究每一次調(diào)水運(yùn)行期間“變化期”的水情演變規(guī)律以及“平穩(wěn)期”時(shí)各閘門開度、水位與流量之間的關(guān)系。

4.3 分析方法

1）以變化期為單位的變化：研究每次流量發(fā)生變化時(shí)，該渠段內(nèi)上下游各級(jí)閘門之間的變化關(guān)系及時(shí)間。尤其是在經(jīng)過人工理論測算調(diào)整閘門開度后仍舊需要微調(diào)的閘門，需要重點(diǎn)分析微調(diào)原因，因?yàn)槲⒄{(diào)的原因就是用于校核算法的關(guān)鍵變量。

2）以平穩(wěn)期為單位的變化：平穩(wěn)期的閘門開度與流量、水位的關(guān)系，是可以直接用作相似水情狀況下的重要調(diào)度參考依據(jù)，人工測算調(diào)度的目的就是為了讓渠道內(nèi)水流態(tài)達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。閘門開度、流量與水位如果趨于穩(wěn)定，則證明在滿足某一末端節(jié)點(diǎn)流量控制要求的情況下，上游各級(jí)閘門所有變量都正好滿足末端節(jié)點(diǎn)流量控制要求。此時(shí)分析單個(gè)閘門的變量因素，就能串聯(lián)出該末端流量控制情況下各級(jí)閘門之間的變量關(guān)系。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行主要依靠人工計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)控制閘門開度，存在因調(diào)度技術(shù)人員業(yè)務(wù)水平差異及計(jì)算失誤造成的安全隱患。自動(dòng)化閘門聯(lián)合調(diào)度技術(shù)，不但能夠提高閘門調(diào)度的精準(zhǔn)性，還能夠避免人為因素造成的安全隱患。在遭遇突發(fā)事故需要緊急關(guān)閉全線所有閘門的時(shí)候，通過測算事發(fā)地上下閘門聯(lián)合調(diào)度應(yīng)急變化，可以精準(zhǔn)計(jì)算最短關(guān)閘時(shí)間及關(guān)閘次序，對(duì)保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全和工程安全具有重要意義。從輸水工程的調(diào)度運(yùn)行管理角度綜合分析，自動(dòng)化閘門聯(lián)合調(diào)度必將逐步取代人工調(diào)度。

（責(zé)任編輯 趙其芬）

TV66

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1009-6159（2016）-12-0023-02

2016-06-20

趙天宇（1989—），男，助理工程師