南水北调东线自动化闸门联合调度研究

赵天宇

（南水北调东线山东干线有限责任公司，山东济南 250014）

南水北调东线自动化闸门联合调度研究

赵天宇

（南水北调东线山东干线有限责任公司，山东济南 250014）

针对南水北调东线济南段渠道输水工程，通过理论计算与实际历史水情的对照，判定造成理论计算误差中的“唯一变量”，研究推导出理论与实际唯一变量因数之间的规律关系。通过规律关系来校准理论计算公式，达到提升理论计算精准度的目的。

闸门联合调度；南水北调；精准算法

对长距离调水工程，调度运行是调水工程最重要的工作内容。自动化闸门联合调度技术，目前在我国国内尚属于空白，相似研究仅在2013年都江堰有过类似研究和实验。而在全球范围内，仅有澳大利亚具备相对成熟的技术。由于自动化闸门联合调度技术影响算法的因素太多，所形成的算法只能适用于其研究所依托的工程，具有极强的专属性，很难形成范用类型算法。

1 初步研究的边界范围

“自动化闸门联合调度技术精准算法”（以下简称“联调算法”），适用范围是自流型输水渠道，为保障该算法的准确性，在研究初期应截选一段具有代表性的渠段进行研究和实验。通过对南水北调山东段全线自流型渠道进行筛选，济东渠道段工程具备以上特征。同时，由于济东渠道段工程自2014年第一次全线调水运行开始便一直使用淹没出流计算调度控制闸门，其水情数据中可用于研究的有效水情较多，记录完整度较高。

济东渠道段工程以济南市区段工程地下输水暗涵出口为界，由上游济南市区段工程及下游济东明渠段工程组成，济南市区段工程进一步又由利用小清河输水段与穿济南市区地下输水暗涵工程组成，工程结构多样，具有较强代表性。

2 研究方法

通过对水工理论计算以及实际水情数据差异对比分析，确定理论计算中的唯一变量与实际水情对应数据的关系规律，从而研发出一套适用于该输水渠段的联调算法。同时，受淤积及工程情况等综合因素影响，唯一变量规律也存在渐变。对此，以“深度学习”理念为基础，不断汇入历次供水运行有效水情数据，在每次通水前、后重新率定理论计算唯一变量，确保联调算法的精准性。

3 水工理论算法

济东渠道段工程的闸门类型主要是节制闸和倒虹涵闸两种，研究选取节制闸淹没出流计算与倒虹吸淹没出流计算，理论计算的主要目的是确定影响理论计算精确度的唯一变量。

3.1 节制闸淹没出流计算

根据济东渠道段工程特点，应采取底坎为宽顶堰型的闸孔出流。计算公式：

式中：e为闸门开启高度；b为闸孔总宽度；H0为闸前水深；μ为闸孔自由出流的流量系数；σs为淹没系数。

1）流量系数：计算公式：

式中：ε为垂直收缩系数；φ为流速系数。其中，为方便确定唯一变量，流速系数取φ=1；垂直收缩系数ε的取值详见表1。

表1

2）淹没系数：通过图1曲线查算。

3）唯一变量分析：由于人工修筑输水渠道工程结构稳定，所以当闸门开度发生变化时，闸门开启高度e、闸孔总宽度b、闸前水深H0、重力加速度g、淹没系数σs均可确定。而闸孔自由出流流量系数μ因为同时受到垂直收缩系数ε和流速系数φ两个变量影响，所以可以选定μ为节制闸淹没出流理论计算中的唯一变量，而φ因取值为1，因此可以判定ε是决定理论计算是否与实际情况相符的决定性因素。

图1

3.2 倒虹吸淹没出流计算

计算公式：

式中：μc为流量系数，μc=1/（λL/d+∑ξ出）1/2；λ为内壁沿程阻力系数，一般取0.02～0.03；∑ξ出为局部阻力系数总和，此处应增加出口局部系数ξ出=1；ω为管道断面面积（dh）；z为进出口水位差。

1）公式分析：淹没出流时，下游流速水头很小，因此管道系数μc中可不计α，推出μc=1/（λL/d+∑ξ出）1/2。进一步推出Q=dh·（2gz）1/2/（λL/ d+∑ξ出）1/2。

2）唯一变量分析：通过确认进出口水位差z、管道断面面积ω。确定唯一变量是μc，主要受λ影响。

4 历史水情数据分析方法

4.1 有效数据筛选

历史水情数据的分析方法首先要对水情数据的有效性进行判定，规避经验调水及水位控制法调水等会造成频繁闸门开度调整的调水方法，同时筛选排除因人工调度失误造成的无效数据。

4.2 水情数据分类

水情表分类的依据是渠道内流态的“变化期”与“平稳期”，研究每一次调水运行期间“变化期”的水情演变规律以及“平稳期”时各闸门开度、水位与流量之间的关系。

4.3 分析方法

1）以变化期为单位的变化：研究每次流量发生变化时，该渠段内上下游各级闸门之间的变化关系及时间。尤其是在经过人工理论测算调整闸门开度后仍旧需要微调的闸门，需要重点分析微调原因，因为微调的原因就是用于校核算法的关键变量。

2）以平稳期为单位的变化：平稳期的闸门开度与流量、水位的关系，是可以直接用作相似水情状况下的重要调度参考依据，人工测算调度的目的就是为了让渠道内水流态达到平稳状态。闸门开度、流量与水位如果趋于稳定，则证明在满足某一末端节点流量控制要求的情况下，上游各级闸门所有变量都正好满足末端节点流量控制要求。此时分析单个闸门的变量因素，就能串联出该末端流量控制情况下各级闸门之间的变量关系。

5 结语

传统调度运行主要依靠人工计算和经验控制闸门开度，存在因调度技术人员业务水平差异及计算失误造成的安全隐患。自动化闸门联合调度技术，不但能够提高闸门调度的精准性，还能够避免人为因素造成的安全隐患。在遭遇突发事故需要紧急关闭全线所有闸门的时候，通过测算事发地上下闸门联合调度应急变化，可以精准计算最短关闸时间及关闸次序，对保障人民生命财产安全和工程安全具有重要意义。从输水工程的调度运行管理角度综合分析，自动化闸门联合调度必将逐步取代人工调度。

（责任编辑 赵其芬）

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2016-06-20

赵天宇（1989—），男，助理工程师