刁口河河道及局部海域物理模型測控系統研究

摘""要：淤積、延伸、擺動、改道是黃河口主要演變規律，黃河治理必須給黃河入海留有出路。刁口河作為備用流路、分洪通道、生態補水通道，其戰略地位十分突出。因此，借助于物理模型試驗手段開展刁口河相關重大問題研究至關重要。針對刁口河河道及局部海域實體物理模型，設計了一套潮汐模擬測控系統。該系統運行可靠、試驗精度高，可實現上游流量、下游水位及流向等多邊界耦合控制，為黃河治理提供技術支撐。

關鍵詞：刁口河""局部海域""物理模型""測控系統""邊界控制""專家PID

中圖分類號：TH166

Research"on"the"Measurement"and"Control"System"for"the"Physical"Model"of"the"Diaokou"River"Channel"and"Local"Sea"Areas

CHEN"Jun"""XU"Yimeng"""NI"Yiping"""WANG"Tianyi

（Pearl"River"Water"Resources"Research"Institute，"Pearl"River"Water"Resources"Commission"of"the"Ministry"of"Water"Resources，"Guangzhou，"Guangdong"Province，"510611"China）

Abstract："Siltation，"extension，"oscillation"and"diversion"are"the"main"evolution"laws"of"the"Yellow"River"Estuary，"and"the"governance"of"the"Yellow"River"must"leave"a"way"for"the"Yellow"River"to"enter"the"sea."The"Diaokou"River，"as"a"backup"flow"path，"flood"diversion"channel"and"ecological"water"supplement"channel，"has"a"very"prominent"strategic"position."Therefore，"it"is"crucial"to"conduct"research"on"major"issues"related"to"the"Diaokou"River"with"the"help"of"physical"model"experiments."This"article"designs"a"tidal"simulation"and"measurement"system"for"the"physical"model"of"the"Diaokou"River"channel"and"local"sea"areas.""With"reliable"operation"and"high"experimental"accuracy，"the"system"can"achieve"the"multi-boundary"coupling"control"of"upstream"flow，"and"the"downstream"water"level"and"flow"direction，"which"provides"technical"support"for"the"governance"of"the"Yellow"River.

Key"Words："Diaokou"River;"Local"sea"area;"Physical"model;"Measurement"and"control"system;"Boundary"control;"Expert"PID

刁口河流路是現行清水溝流路達到改道標準時，優先啟用的備用入海流路。《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》《中華人民共和國黃河保護法》等明確提出加強刁口河流路保護、實施生態補水等要求[1]。鑒于刁口河作為優先啟用的備用流路特殊地位，目前保護治理存在的突出問題，以及重大國家戰略關于刁口河保護治理的新要求，刁口河綜合治理研究迫在眉睫[2]。

刁口河物理模型是開展綜合治理方案措施論證必不可少的技術手段。黃河河口屬于典型的多沙弱潮河口，沖淤演變劇烈。由于問題的復雜性，加之觀測資料少且不系統，難以深入開展流路和海岸沖淤演變分析。數學模型受制于黃河河口復雜的動力環境和基礎理論的不完善，難以準確模擬流路出漢擺動和海岸淤進蝕退等演變特征。因此，開展刁口河相關重大問題研究，必須借助于物理模型試驗手段，并結合實測資料分析和數學模型計算才可望得到有效解決[3]。

生潮測控系統是刁口河河道及局部海域物理模型建設的重要組成部分，考慮到黃河口潮流的沿岸流較強，且潮差較小，需要對現有的生潮測控技術進行重構，以適應黃河口局部海域對潮差、潮形和沿岸流的獨特要求"[4]。

1"模型設計

根據當前國內外河道動床模型、河口潮汐模型建設經驗，要使潮位、流速、流態和河床沖淤規律與原型盡可能相似，模型的幾何變率不能過小，模型設計為水平比尺λL=600、垂直比尺λH=60的變態模型。模型模擬范圍包括羅家屋子以下河道、口門潮間帶濕地、部分自然保護區、10"m以內淺海域。其他比尺見表1。

2"測控系統組成

刁口河河道及局部海域物理模型測控系統主要由生潮裝置、導流裝置、加沙裝置、控制系統、數據采集儀器等部分構成，各組成部分之間相互聯系，形成統一整體。測控系統采用TCP/IP協議的分布式工業以太網控制技術，由中心控制計算機、變頻器、潛水泵、導流裝置、水位儀、流速儀、流量計和工業以太網等組成[5]。系統硬件結構見圖1。

3""邊界控制

測控系統從功能上分為邊界控制和數據采集兩部分，邊界控制完成模型上游徑流、下游開放邊界的潮位和潮流控制任務，數據采集完成模型試驗范圍內布設儀器的潮位、流速、流量等試驗數據的自動讀取和存儲任務。模型上游通過變頻器頻率變化調節水泵功率，實現流量連續變化，從渾水池和地下水庫抽水進上游河道，控制徑流過程；下游采用雙向潛水泵控制水流從地下水庫進出模型調控水位變化，通過導流裝置控制口外潮流方向，實現外海潮流過程模擬。

刁口河河道及局部海域物理模型邊界控制共分為4個，如圖2所示。

（1）模型上游邊界，安裝2臺潛水泵模擬黃河上游流量的變化，采用流量計+變頻器+水泵閉環控制方式。2臺潛水泵分別往河道模型輸入清水和渾水。

（2）模型下游西側潮位邊界，安裝12臺潛水泵模擬黃河口西側海區的潮位變化，采用水位儀+變頻器+水泵閉環控制方式，通過與模型下游東側潮位邊界配合，產生潮位差，實現口外沿岸流的模擬。該邊界布置1臺水位儀作為控制點。

（3）模型下游東側潮位邊界，安裝12臺潛水泵模擬黃河口東側海區的潮位變化，采用水位儀+變頻器+水泵閉環控制方式，通過與模型下游西側潮位邊界配合，產生潮位差，實現口外沿岸流的模擬。該邊界布置1臺水位儀作為控制點。

（4）模型下游南側潮位邊界，安裝13臺潛水泵模擬黃河口南側海區的潮位變化，采用水位儀+變頻器+水泵閉環控制方式，根據數模計算出潮位曲線，控制南側邊界的潮位。該邊界布置1臺水位儀作為控制點。

另外，在海區5"m等深線位置布置1臺水位儀，作為水位驗證點，在海區2"m等深線位置和5"m等深線位置各布置1個流速測桿，作為流速驗證點。沿河道依次布置8臺水位儀作為上游水位觀測站。

3.1"""控制算法

目前潮汐模型模擬系統多采用傳統的PID控制方法。控制算法根據現場傳感器的測量反饋，與給定值比較計算參數誤差，通過一定的算法計算相應的輸出值，對具體執行機構進行調節，構成閉環控制系統，自動跟蹤給定參數曲線[6]。潮汐測控系統需要及時響應水位變化，并且容易受到各種干擾因素的影響。研究實現的專家預估PID算法（原理如圖3所示）可以滿足潮汐測控系統的工況復雜多變過程的控制需要，通過推理機制能夠快速響應水位變化且有效地抑制干擾因素的影響，自動調整參數，實現對于水位數據的精準控制。經過組合處理，漲潮模擬效果良好，尤其是在落急轉為漲急的轉換段沒有出現明顯的滯后現象，可達到試驗要求[7]。

3.2""上游流量控制

上游水流邊界用于模擬黃河上游流量的變化。上游水流邊界控制的實現路徑為：用變頻器直接控制水泵，通過調節加在電機上的交流電壓頻率來改變電機的運行速度，從而調節水泵的進出口流量，根據流量計的測量反饋，構成閉環控制系統[8]。

3.3"""下游潮位控制

下游生潮邊界用于模擬黃河下游潮位的變化。下游生潮邊界控制的實現路徑為：用變頻器直接控制水泵，通過調節加在電機上的交流電壓頻率來改變電機的運行速度，從而調節水泵的進出口流量，根據水位儀的測量反饋，構成閉環控制系統。

4""走潮試驗及存在問題

本次走潮測試，在刁口河局部海域設置2個水位控制站，分別位于東西側邊界。模型試驗水位目標曲線（潮位過程線）是由1968年水文站觀測的原型數據經過比尺換算得到。通過閉環控制方式并多次調整系統PID參數，且在漲潮波峰時間段和落潮波谷時間段加入適當的控制策略，最終驗證點可產生如圖4所示潮位變化過程，均方差小于1"mm，海區潮位變化基本滿足要求。

在水位變化過程中，驗證點附近流速是在一個很小的范圍波動，不隨給定的過程而變化，通過對控制方法和系統參數多次調整，流速仍然沒有達到預想的效果，即按照東西邊界原始潮位曲線模擬無法實現黃河口沿岸流。分析原因，發現東西側潮位曲線最大潮差只有5"mm，該潮差不足以產生明顯的東西向流速，再加上本次流速采集設備的起動流速為2"cm/s，無法采集低流速，因此流速從數據上體現得不明顯。后續試驗在原來的2個水位控制點潮位曲線基礎上進行相位和幅值適當調整，形成更明顯的潮差，并更換小量程高精度流速采集設備，從而實現明顯的沿岸流。

5""結語

刁口河作為清水溝流路行河完成后優先啟用的備用入海流路，是確保黃河下游及河口地區防洪安全、生態安全、維持黃河長治久安的重要保障。利用水工物理模型試驗研究刁口河流路和海岸沖淤演變分析至關重要，而模型測控系統又是控制刁口河及局部海域實體模型的重中之重。本文針對刁口河河道及局部海域實體物理模型，設計了一套潮汐模擬測控系統，該系統運行可靠、試驗精度高，可實現上游流量、下游水位及流向等多邊界耦合控制，該研究成果對刁口河治理具有重要意義。

參考文獻

[1]"錢裕，陳雄波.刁口河在黃河口治理中的戰略地位研究[C]//中國水利學會2019學術年會論文集.北京：中國水利水電出版社，2019：188-194.

[2]"韓沙沙，鄭珊，談廣鳴，等.黃河口清水溝與刁口河流路演變過程對比分析[J].泥沙研究，2019，44（6）：27-32.

[3]"于守兵，王萬戰.黃河河口人工出汊時機和北汊河啟用分析[J].人民黃河，2020，42（10）：37-41.

[4]"錢裕，徐東坡，王倩雯，等.黃河口雙流路同時行河運用年限研究[J].人民黃河，2023，45（5）：46-50.

[5]"郭慧敏，任艷粉.淺談黃河河口局部實體模型生潮控制系統[C]//第十四屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集.北京：海洋出版社，2009：1085-1087.

[6]"陳俊，王天奕，徐奕蒙，等.智慧感知技術在黃河口實體模型中的應用[J].科技資訊，2021，19（15）：69-73.

[7]"陳俊，邢方亮，董年虎，等.黃河口實體模型測控技術與應用[C]//中國水利學會2020學術年會論文集.北京：中國水利水電出版社，2020：359-368.

[8]"吳國英，劉剛森.黃河口實體模型生潮設備和控制技術研究與討論[J].中國水運，2014，4（11）：190-191.