都江堰东风渠灌区流量监测点敏感性分析及优化研究

2023-12-30姜泓吉吴静宇

四川水利 2023年6期

陈丹,姜泓吉,吴静宇

(1.四川省都江堰水利发展中心东风渠管理处,成都 610051;2.成都原水投资有限公司,成都 610213)

0 引言

随着灌区现代化建设与改造工作的推进,智能监测系统、智能预备系统、远程操控系统等已成为灌区管理的利器,灌区管理工作也在科技的赋能下展现出更智能的基础,同时,释放出更充足的管理效能。作为灌区信息化建设的输入端口,智能化监测系统主要承担灌区渠道流量、水位的监测。目前,对于智能化监测系统的监测设备、监测系统等都有较多的研究成果。胡阳光、牟意红、刘凌艳等进行了监测系统及设备开发设计研究[1-5];马腾远、张庆、夏倩倩等根据灌区特点进行了监测系统与设备的运用设计研究[6-8];周书葵、肖笛等对管网流量监测点优化的相关方法开展灌区流量监测点位布置的研究[9-11]。而当前对于流量监测点位的布置的研究较少,流量监测点建设与改造仍按照工程经验设置,这在一定程度上造成了建设的浪费与监测的盲目。基于此,本文以都江堰东风渠灌区为依托,提出了有效合理的监测点位布置方案,以提升灌区流量监测的科学性与高效性。

1 研究路线

本文以东风渠灌区的部分主干线为例进行计算,灌区流量监测点一般布置在进水闸下游,通过调节闸门的开度控制渠段的流量,流量监测点位的敏感性与流量发生变化的渠段所在位置有显著关系。若渠系某渠段耗水量变化或遇降雨汇流导致流量增加,则下游渠段流量会产生不同程度的变化。

若要获得高敏感度的流量监测点位,根据灌区管理的需求特点提出优化的流量监测点位布置方案。研究路线流程如图1所示。

图1 研究路线流程

2 监测点位敏感系数及矩阵构建

本研究节选渠系结构中共有11段渠段,11个监测点位,如图2所示。假设第k段渠段用水量产生△qk的变化,则第i个监测点位流量受到影响产生△Qi的变化,则可用△Qi/△qk表示k渠段用水量发生变化时引起i监测点位流量的变化率。本文则以该变化率作为i监测点位对k渠段的流量监测敏感度系数,计算公式为:

图2 灌区渠系结构示意

(1)

式中,0≤Xik≤1,值越大则说明i监测点位对于k渠段敏感性越高,监测效果越好,值越小则相反。计算所有渠段与监测点之间的的敏感系数Xik用矩阵|X|=(Xik)表示,即为敏感系数矩阵。矩阵的第k列各元素值表示第k个渠段的用水量变化对所有监测点流量的影响程度;矩阵的第i行各元素值表示第i个监测点流量受各渠段用水量变化的影响程度。

计算工况选择东风渠灌区常用运行工况,各渠段的流量及闸门开度与该工况保证一致。在此基础上分别在各渠段增加微小用水量△qk,保持其它渠段用水量不变,再通过进行水力计算得出各监测点流量变化值△Qi,根据式(1)得出敏感度矩阵。

3 有效监测矩阵计算

为实现对所得敏感度矩阵进行标准化处理,可对矩阵|X|的元素进行如下处理[12]:

式中,Xkmax、Xkmin分别为第k列元素中最大、最小元素。

式中,监测标准值C取0.6。

通过计算得到有效监测矩阵|Y|。

有效监测矩阵Y中,非0元素表示在流量监测中k渠段用水量产生变化时会造成i监测点流量明显的影响;对于0元素则表示k渠段用水量产生变化时不会造成i监测点流量变化或影响较小。

4 有效监测范围及监测点位优化

通过上文计算分析可以看出,各监测点对于渠段的有效监测数量是不相同的。i监测点位可以监测到的渠段数量则称为该监测点位的有效监测范围,有效监测范围如下式[9]:

MS(i)={k|(DM)ik=1(i=1,2,…,m;k=1,2…,n)

则监测点2的有效监测范围MS(2)=3,监测点2对1、4、5渠段起到有效监测作用,以此类推;

MS(3)=4,监测点3对1、2、4、5渠段起到有效监测作用;

MS(5)=1,监测点5对5渠段起到有效监测作用;

MS(8)=1,监测点8对6渠段起到有效监测作用;

MS(9)=2,监测点9对3、7渠段起到有效监测作用;

MS(10)=5,监测点10对3、6、7、8、10渠段起到有效监测作用;

MS(11)=7,监测点11对3、6、7、8、9、10、11渠段起到有效监测作用;

此外,MS(1)=0、MS(4)=0、MS(6)=0、MS(7)=0,监测点未起有效监测作用。

由此可以看出,在监测标准值C的条件下监测点的有效监测范围存在不同也存在重叠,例如监测点2与监测点3,对于1、4、5渠段均为有效监测,但监测点3也能对2渠段进行有效监测。因此,这里可根据这一特点进行监测点的优化工作,提升监测效率。

监测集合点集合选择原则:

(1)监测点集合覆盖整个渠系网络;

(2)优化监测点位,尽量明确变化渠段。

根据有效监测矩阵可选择诸多覆盖整个渠系的集合,但部分监测点集合,例如{3、11}虽能覆盖所有渠段但对于变化的渠段所在位置判断过于笼统。因此,按灌区管理需求在上文计算结果中选择推荐的监测点位集合为{2、3、5、8、9、10、11}。在该监测点位集合的控制下,能够覆盖整个计算渠系同时有效确定用水量发生变化的渠段,但也存在渠段定位重合的问题包括1和4渠段、3和7渠段、8和10渠段、9和11渠段因处于同一有效监测点上游造成无法准确定位变化渠段,该问题则可借助上游渠段末端位置设置的监测设施定位到具体渠道。