水库取水闸门调度与运行技术研究

王笃丰

（黑龙江省水利水电集团有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

1 控制系统的执行方案

控制系统的执行方案如图1 所示，借助配合相关水库的经验流量、库中实际水位、库中水质指标、紧急事件模型等边界约束的条件生成相应的信息数据相互融合的数学模型来产生对应的调度动作的命令，综合过往调度工作的经验，最终得到相关调度操作的信息。

图1 系统执行方案方框图

本文采用的数据信息融合方案的初始信息源于相关传感装置单独作用过程中捕捉到的数据信息，经过融合操作生成代表系统整体状态的综合性信息数据，使得所有传感器装置体现出整体的优势，提升传感器装置的鲁棒性以及有效性，有效解决单个传感器装置的局限性，融合水库系统的容量、水位、流量等方面的传感器装置的信息和数据从而获得水库系统的全方位信息，给出水库系统水量平衡的数学模型和水量数值变化的相关计算公式，并且求出水库系统库容变化的曲线以及闸门部位水位差指标的灵动速度的变化曲线，可用在水量指标平衡数学模型的参数求解中。随后把水库系统的调度信息、运行故障信息、边界条件等参数指标进行二次融合操作，通过系统的时序分析和参数回归分析等操作进而获得闸门装置的相关调度指令[1]。

2 水库水量变化的主要规律

综合数据信息融合的操作方法的评估量获得水库系统水量参数方程中的重要变量，水闸流速液位数值差的变化函数的参数曲线和水库的库容变化的参数曲线。通过数学方法拟合之后获取的参数值和相应的数据新生成水库系统的水量平衡操作模块，此模块可以通过计算来产生优化后的相关调度命令。

2.1 相关数据的主要来源

本文研究过程中使用数据源于被研究水库数据库相关系统，实际操作过程中以min 作为间隔的单位，一共调取了2018 年11 月22 日至2019 年11 月23 日期间的3 个水闸装置的6 个开度的信息数据，全部6 个液位计装置测量到的液位数值，闸门装置的过水量，多种相关故障记录及多类污染物的相关信息数据。为方便后期的分析和研究，首先对于各类数据信息实施预处理[2]。3 个水闸的开度分别具有左、中、右开度信息，其用于表示水闸开启状态下对于闸门的高度，用其平均数值代表水闸开度的参数值，即为K1、K2 和K3，3 个水闸的宽度数值并非相同取值，因此以K1d1、K2d2 及K3d3 代表水闸开启状态的进水水流的截面积参量，水闸装置的进水水流的总体截面积设为S1。

2.2 水量变化参数公式的数学拟合过程

可以把水库系统视为一个封闭类型的简单体系，对于水库系统，入库水唯有进过水闸流入的部分以及源于自然降水的这2 个主要部分，出水库的水唯有经过供水总管道流出的部分以及通过蒸发损失的这2 个主要部分，水库系统内的总水量为面积数值乘以水位的高度数值。因此它们之间要符合的关系是：水量的变化=进水量J－出水量G+外部要素（自然降雨以及蒸发等）。

根据图2 我们可以看出，如果处于进水量＞出水量的情况下，水库系统的水量将会增加；反之在进水量＜出水量的情况下，水库内的水量将会降低。如果前2 天的日进水量减少到0 的时段内，水库系统的水量变化曲线会发生向下方向的波动情况；中午的时段，进水量数值保持恒定，出水量数值发生向下方向的波动情况。此时水库系统的水量数值向上变化的趋势就会出现减缓的情况，说明相关水库水量的变化规律和趋势是比较准确的。

图2 进、出水量和水库系统原有水量变化对比图

2.3 各个季节采样效果的研究

对于各个不同的季节，水库的水量变化之间会发生显著的差异，和水体流速正向相关的dv 值的波动情况越明显，相应的效果就越偏离正确的方向，可见不应把水体的流速视为固定数值，应该对其分别进行相关变化规律的研究。本文选取季节特征明显的1 月、4月、7 月以及10 月作为主要的对象来进行相关的研究。对上述4 个月的信息数据实施数据的参数化拟合操作，此处表示每天总体进水量、出水量及系统水量的变化量。得到的拟合结果显示，水库系统的进、出水量和总体流量直接关系到水库系统的水量变化趋势，具有一定程度的关联性[3]。

2.4 闸门装置出水位差和流速之间的关系

因为闸门部位的水位差值将会对于进水速度发生直接的影响，需要对水位差和流速的关联性实施研究，关联性的强弱使用sig 值来体现，此数值越趋近于0，表明关联性越高，通常sig 值＜0.05 的时候，能够认定关联性明显。对1 月、4 月、7 月以及10 月的相关数据实施dv 值和闸门部位水位差数值关联性研究，获得的关联系数的数值均为正值，因此dv 值和闸门水位差数值属于正相关的关系。

2.5 水库的库容变化曲线

水库系统的库容变化曲线，因为测量装置存在的误差及水体表面存在的自然波动，如果间隔的时间过短将会引起较大的误差，因此设定1 h 作为时间间隔的数值，选取全年关闸期间的数据信息进行拟合操作。水库的库容变化曲线比对图如图3 所示，由于拟合操作的结果均源于水位的检测数据，水位的有效值可以选取1.9～3.2 m。拟合的库容曲线和水库方提供的库容曲线大体是重合状态，验证了拟合曲线的准确性。

图3 水库的库容变化曲线比对图

2.6 水位差的流速变化曲线

水位差的流速变化曲线可由水库的库容变化曲线及全部时刻的水位差Δf 来求得。以1 h 为时间间隔来进行取样操作，拟合得到如图4 所示的结果，调换横、纵坐标后进行二次项拟合后可以获得相应的拟合曲线[4]。

图4 水位差的流速变化曲线

3 水库取水闸门相关调度技术方案及运行程序研究

3.1 水库取水闸门相关调度开闸技术方案

现阶段水库取水闸门相关工程技术人员基于现有的人工闸门相关调度基础理论为前提条件，确定水库闸门自动调节控制的解决方案，先假设相关技术调度间隔要求为上午8 点15 分准时开闸，水库开闸的液位最大安全高度是2.155 m。假如在8 点15 分以前水库下液位降至2.175 m，那么水库取水闸门相关工程技术人员提前开闸确保在8 点15 分液位正好达到2.175 m；假如8 点15 分水库闸门的液位仍然超出2.875 m，那么推迟一定周期进行开闸进而确保达到8 点15 分开闸相同的结果。基于此，水库取水闸门开闸相关调度一共有三种解决方案。

3.1.1 水库取水闸门开闸相关技术方案一

a 时刻水库液位已经达到了2.175 m，此时和8 点15 分间隔了将近8.5 h，则为了确保8 点15 分的液位仍然保持在2.175 m 范围内，水库取水闸门相关工程技术人员必须从a 时刻到8 点15 分的总进水量与总出水量一致，并且进水流速v 符合相关技术要求。时间较长液位差可以近似于没有发生任何变化，那么此时刻就是水库开闸的时间。

3.1.2 水库取水闸门开闸相关技术方案二

8 点15 分的液位超出了2.155 m，与此同时水库取水闸门相关工程技术人员一旦把水库闸门开闸的时间推迟a 小时，使得这a 小时的最大安全预测进水量能够符合相关技术标准。可以近似当作是8 点15 分时水库闸门液位是2.175 m，并且在8 点15 分准时开启水库闸门。与此同时，水库取水闸门相关工程技术人员基于预设最大安全进水量除以水库闸门进水横截面积S 以及平均最大安全进水速度v，能够交汇处推迟的周期a，基于此，水库闸门的开闸时间是（8.5+a）这个时刻。

3.1.3 水库取水闸门关闸相关技术方案三

水库取水闸门相关工程技术人员将水库闸门关闸时间的确定由第2 天开闸的时间差进行相关设定，设定水库闸门关闸时间是a，实时最大安全水位是b m，那么水库闸门关闸时间是（24.5+7.85-a）小时，因此根据相关试验结果得出出水量完全满足相关技术法规及标准。

3.2 水库取水闸门运行程序结果研究

水库取水闸门相关工程技术人员针对2019 年12月3 日至7 日的重要数据信息进行详细研究与探索，取其平均开闸液位与开闸周期作为科学合理开闸周期及相关开闸液位高度，基于平均水库开闸闸门的横截面积作为最大安全横截面积，去除检查地点一些偏高或者偏低的液位真实平均数值作为该周期的合理液位数值，基于某个太高或者太低的液位数值偏离最大安全数值的大小作为合理波动区间。水库闸门打开角度的具体数值是水库取水闸门相关工程技术人员经过近似取整以后详细处理得到的数值，该数值只能反映出近似值的大小，并没有具体的意义。新技术解决方案具体操作过程中的极短周期内急剧变化只代表在这个水位水库取水闸门相关工程技术人员建议增加或者减少闸门的打开角度，并不能代表水库闸门的真实变化状况。

4 结束语

综上所述，水库取水闸门相关工程技术人员选取水闸门在线优化系统的达成，为完成全部水库闸门自动控制系统的半闭环模式自动化目的打下了坚实的基础。此解决方案对于国内绝大多数水库闸门的调节与控制具有非常精准的把控，进而最大限度地挖掘出水库供水的全部潜能，确保水库最大安全液位可以更加安全、稳定地运行，也就确保相关水库供水能力非常安全与平稳。水库取水闸门相关工程技术人员针对水库换水时间的具体把控也能够确保水库内水质长期保持在非常良好的供水状态下，这就最大限度地保证了整个水库供水周围区域广大人民群众的用水需求与用水安全。