灌区全渠道闸门智能联合调控系统研究与应用

张景辉, 闫亚萍, 于树利

(1.甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心,甘肃 白银 730499; 2.东南大学,江苏 南京 211189;3.唐山现代工控技术有限公司,河北 唐山 063020)

景电灌区位于甘肃省中部地区,河西走廊东端,腾格里沙漠南缘,北接内蒙古自治区阿左旗,东临黄河,控制灌溉面积100万亩。该灌区属于干旱型大陆性气候,干旱少雨、多风沙,蒸发强烈,水资源极度匮乏。该灌区的灌溉水源取自黄河水,设计年提水量4.75×108m3。该灌区建有干、支、斗渠1 391条,总长度2 422 km(含民勤输水工程)。渠道系统复杂,各闸门、量水堰等监控点覆盖范围广、分布零散,造成人工调控工作量巨大,并存在闸门调控不及时、水量调配无技术支撑等问题。历经多年改造建设,景电灌区在通信网络、地理信息、支撑平台和管理软件等方面均取得了一定的建设成效,但关于闸门联动控制、渠道水资源智能分配等灌区精细化运行管理方面的研究还很少且处于初探阶段。近年来,国产自控闸门性能的提升和水利信息化数据的不断积累为灌区全渠道闸门智能联合调控系统[1]的发展创造了更好的条件。因此,应加强对该系统的应用研究。

截至目前,已在选取的试点段(干渠渠首、干渠入支渠分水口、支取入斗渠分水口)分别进行了闸门改造,并根据水闸级别和规模分别配备了闸门自动化控制系统,安装了一体化闸门测控系统[2-3]。通过将手动闸门启闭机替换为电动闸门启闭机,安装闸位传感器、后堰槽水位计、智能控制器和限位保护装置,使闸门具备信息自动采集、现地/远程自动控制功能,并通过无线网络与灌区数据中心的软件进行通信[4]。本文以现有闸门测控设施为基础,研究建立了闸群智能联合调控系统。基于调控模拟计算结果,向闸门控制系统动态反馈调控指令,从而实现定闸位、恒流量和恒水位等不同模式下的闸门控制。研究成果可推动灌区提水工程控制与水资源调配的深度耦合,动态驱动闸群优化调控,推动水资源精细化和科学化管理。

1 总体设计方案

利用多年信息化建设中积累的供水监测数据,研究建立了一套集水量调配和闸门调控功能于一体的闸群智能联合调度模型。通过平台管理软件的模拟计算,自动生成调控方案,下发调控指令,进而指导灌区干、支、斗渠全渠道闸门的智能联合调控。

2 系统分项设计

景电灌区提水工程不仅承担着农业灌溉用水、城镇生活用水、工业用水等用水需求,还为维持灌区内环境良性动态平衡以及保持生态系统稳定提供生态保护用水。在农业灌溉用水方面,灌区内夏季种植的作物主要为小麦和大麦,秋季种植的作物为玉米。

村级用水户协会依据实际种植作物的灌溉需求,向上级水管所按轮次提出用水申请,水管所审核用水户协会的用水申请,并据此分配用水总量,编制轮次用水计划。灌区管理员汇总轮次用水计划,录入闸门智能联合调控系统管理软件,管理软件依据引水计划、农户与斗口的绑定关系、支斗口渠系关系自动编制配水方案。

在干支渠中,采用续灌方式进行调控,即干渠向所有支渠同时配水;在支斗渠中,采用轮灌方式进行调控,即支渠按预先划分好的轮灌组逐一向斗渠配水。在灌区运行中,当水源不足时,为减少干支渠的输水损失,应使渠道保持必要的工作水位,此时需实行轮灌调控;当引水流量低于设计流量的40%～50%时,干支渠也需实行轮灌调控[5]。

在管理软件中,根据调度计划及用水户的用水需求,通过水量调配模型和闸门智能控制系统,构建闸群智能联合调控系统,实现“按需供水”。通过软件系统平台,可以实时获取干渠、测水断面、斗口、节制闸、退水闸、泄洪口等位置的流量和水位数据,并以水量配置结果为指导,能实时远程控制测控一体化闸门、节制闸、退水闸。在此基础上,根据调度计划、相关设施的临界值约束策略和用水户的需求,实现了自上而下和自下而上相结合的智能调度和按需配水。

综上所述,全渠道闸门智能调控系统[6]的建设不仅集成了全渠道的感知数据,整合了控制系统,形成了“全渠道量测控平台”,还考虑了用水户的需求,从而实现了水资源调度全链条、全流程的闭环管理。通过APP、公众号、PC端访问,系统接入用水协会的实时用水需求数据,实现了需水和配水的动态调整,形成了互为联动的体系,为“按需供水”建立了输入条件。

2.1 水量调配模型

当引水量低于需求量时,各个用水组之间的矛盾会被加剧,此时水资源调度更需要注重上下游的统筹兼顾,以及各个用水组的协调合作。同时,要结合作物的需水量、引黄水量以及蓄水池供水量之间的关系,制定最优的配水方案,并全面进行水资源的统筹调度。本文以作物需水量和水源供水量为基础,建立了不饱和供水[7]条件下的节水灌溉水量调配模型。以作物整个生长周期内缺水率最小为目标,将水源可供水量进行优化,按轮次分配给各个生长阶段的作物,从而提高作物的质量和产量。

2.1.1 灌区供需水模型的目标函数

节水灌溉水量调配模型以作物整个生长周期的缺水率最小为目标函数,以缺水保证率为约束条件,以确定在一定供水率下对作物生长影响最小的分配方案。这里的缺水率是指某一时段内农作物实际需水量与可用或实际可供的灌溉水量之差占同期农作物实际需水量的比值,以百分率表示,缺水率越小越好。考虑到作物各个生长阶段对水量的需求不同,结合水分敏感指数来表征需水关键期的缺水率[8]。因此,在优化调度模型中,将水源供水量作为决策变量,建立的优化调度模型的目标函数F为:

(1)

式中:αijk为第i个子区第j种作物第k个生长阶段的水分敏感指数;Wijk为第i个子区第j种作物第k个生长阶段的灌溉需水量;Qijk为第i个子区第j种作物第k个生长阶段的水源可供灌溉水量。

2.1.2 灌区供需水模型的约束条件

1)灌区水资源供水量约束。作物各个生长阶段的供水水量不大于相应阶段的灌溉需水量,即:

0≤Qijk≤Wijk。

(2)

2)水量平衡约束。其约束方程为:

Vij(k+1)=Vijk+GI,ijk-GO,ijk-Zijk。

(3)

式中:Vij(k+1)为第i个子区第j种作物第k+1个生长阶段蓄水池的蓄水量;Vijk为第i个子区第j种作物第k个生长阶段蓄水池的蓄水量;GI,ijk为第i个子区第j种作物第k个生长阶段流入蓄水池的径流量;GO,ijk为第i个子区第j种作物第k个生长阶段流出蓄水池的径流量;Zijk为第i个子区第j种作物第k个生长阶段蓄水池的蒸发渗漏损失量。

3)供水水源的库容约束。其约束条件为:

(4)

4)非负约束。其约束条件为:

(5)

2.1.3 模型求解方法

采用遗传算法对模型进行求解。遗传算法利用计算机仿真运算,将数学模型的求解过程转换成类似生物进化中的染色体基因的交叉、变异等过程。与其他常规算法相比,该方法通常能更快地获得较好的优化结果,尤其在求解较为复杂的优化组合问题时。此外,遗传算法具有依据“概率随机选择”的指向搜索能力[9],可避免产生局部无限循环的问题。

在模型求解过程中,根据不同的需求调整交叉率和变异率,形成动态的交叉概率和动态的变异概率。在进化过程的前期,为保证进化过程的平稳性,交叉率的取值可以相对较大,而变异率的取值相对较小;在进化过程的后期,染色体变化逐渐稳定,震荡呈收敛趋势,所得结果逐步接近最优解。此时,为快速找到最优解,应逐渐减小交叉率的取值,调大变异率的取值。

2.2 闸群智能控制模型

闸门控制系统以水量调配计划为依据,进行渠道精细化动态调控管理。系统基于自动化远程控制功能实现对闸门的智能调控,以最大限度地实现配水目标,并提高运行效率。

2.2.1 闸门调控原理

1)过闸流量计算。利用过闸流量方程和恒定流方程组计算闸门开度。根据过闸流量与闸前水位、闸门开度的关系,过闸流量方程可分为堰流方程和闸孔出流方程。

堰流方程的表达式为:

(6)

闸孔出流方程的表达式为:

(7)

式中:Q为过闸流量,m3/s;m为堰流流量系数;b为闸、涵孔宽,m;g为重力加速度,g=9.81 m/s2;H0为上游水头,m;e为闸孔开度,m;H为上游水深,m;σs为淹没系数;μ0为闸孔出流流量系数;n为糙率系数。

2)水位动态调节流程。基于流量前馈算法确定闸门操作时间,基于流量平衡、水位反馈实现闸门反馈控制。水位动态调节过程如图1所示。

图1 水位动态调节过程

闸门调控过程以闸前水位为控制目标,设立水位变化的阈值,通过调节节制闸的过闸流量,使闸前水位在阈值范围内变化。在调控过程中,可以设定最低水位以满足灌溉需求,同时设定最高水位作为闸前预警水位。

在灌溉季节中,可将闸与闸间的每段渠道视为一个“蓄水池”。当下游用水户取水时,渠道水位下降,闸门会自动调节开度来补充水量,直到水位达到设定值为止。按此过程依次往上游类推,渠道上的每扇闸门都会自动调节。通过计算机和通信网络系统,实行整个灌区或部分灌溉渠系输配水的自动化,从而实现整个渠系网络智能化调配水量和全局控制。

3)参数配置。需要配置的参数包括:渠道断面数据、闸门属性数据、渠道糙率、渗流损失、淹没系数、流量系数等。

2.2.2 续灌调控

在经典PID(Proportional Integral Derivative)调节模型中,支渠需水量的变化被反馈给干渠水量调节系统,经过调节后系统趋于稳定[10]。对于续灌调控系统,虽然经典PID调节模型能够实现调控的目的,但对系统中不同位置的支渠进行的不同量级的调整会延长调节周期和增大超调量。此外,系统内各个环节的频繁调整还会影响供水质量。因此,在续灌调节模型中引入干渠闸门至各个支渠的渠系利用系数、行水时间和单次最大调节值3项指标。当支渠需水量变化时,通过渠系利用系数将支渠需水量换算成干渠引水量,依据行水时间计算调节滞后量,并以单次最大调节量控制超调量,形成纯滞后环节的补偿机制。在实际操作中,可以根据滞后时间的大小来计算干渠引水闸门的预估补偿值,预判支渠调节对系统的影响。在控制理论中,这种机制被称为Smith预估补偿控制。Smith预估补偿控制是克服纯滞后的一种有效控制方法[11]。其基本原理是与控制器并联接一个补偿环节,用于补偿被控对象中的纯滞后部分,这个补偿环节被称为预估器。包含纯滞后环节的控制系统示意图如图2所示,图2中:R(S)为输入量;E(S)为给定量;D(S)为控制器的传递函数;U(S)为控制器的输出;G0(S)为被控对象S的传递函数;e-τS为纯滞后项;τ为纯滞后时间;Y(S)为输出量。

图2 包含纯滞后环节的控制系统示意图

Smith预估补偿控制技术对于以稳定性为首要要求、以快速性为次要要求的系统十分有效。它能很好地补偿大迟延对象的纯滞后特性,提高系统的稳定性和动态性能,同时也能改善控制系统的调节效果。

2.2.3 轮灌调控

轮灌组的划分兼顾支渠水闸口左右两岸的斗渠分布,并使轮灌组的面积尽量相等。轮灌组的划分方法可分为两种:①集中编组,将临近的几条斗渠分为一组,上级渠道按组轮流供水。这种方式的水量损失较小,但不利于上下游不同管理单位对用水时间需求的平衡。②插花分组[12],将同级渠道按奇偶划分分组。这种方式虽兼顾了管理单位的时间需求,但会延长灌溉时间,增加人员数量,增大支渠输水损失。

在全渠道闸门智能联合调控系统中,可以依据条件优先级自动编排分组,如节水优先、管理单位优先、时效优先等,也可通过人工来完善分组编排。在实际配水时,渠首引水闸门、节制闸、分水闸和末级闸门逐级联动调节,每一次调度都需要多个闸门协同动作。受众多因素的影响,一次调节闸门未必能达到预期设定的流量目标,而闸门的调节次数会影响到配水效果和系统稳定性。结合计算机技术和智能控制技术,可将调度模型的解通过无线方式下达到每个闸门,从而达到灌区全渠道闸门智能联合调控的效果。

2.3 灌区全渠道闸门智能联合调控系统

灌区全渠道闸门智能联合调控系统将测控一体化闸门、节制闸、退水闸、水位计、流速仪、流量计等全渠道量测水设施进行统一整合,形成一个可观测、可测量、可控制的平台,为全渠道控制模型及算法提供执行载体和调度控制环境。该系统的主要功能如下:

1)建立全渠道控制可视化模型,形象直观地展示整个渠道所有交接水断面、直开口、节制闸、退水闸的实时运行工况,设备运行状态、工情监测情况等的实时数据。

2)可通过平台中的界面远程控制和调节渠道流量。

3)自动生成调度方案。根据未来3 d或5 d的配水计划(用水申报流程),系统自动生成闸门调度指令和调度方案,供调度人员进行决策。

4)平衡流量。当用水需求发生变化时,系统会自动调节上下游水位,以保证全渠道水位的动态平衡。

5)实现过闸流量与开度的相互换算。通过利用历史实测数据,根据堰流和闸孔出流公式,推求适用于各节制闸的流量系数,建立流量推算公式。同时,建立流量-开度-水位关系曲线,在已知流量的情况下,根据流量推算公式反推闸门开度,为闸门开度的调节提供理论依据。

6)实现闸前水位动态平衡。以闸前水位为控制目标,设定水位变化的阈值,通过调节过闸流量,使闸前水位在阈值范围内变化。其中,最低水位可设定为满足灌溉要求的水位,最高水位可设定为闸前预警水位。

3 应用实例及效果分析

以景电灌区工程支渠段为应用实例。该支渠段原本使用单孔钢制平板闸门,闸门宽度为0.5～2.0 m,分水流量为0.3～3.0 m3/s。由于泵站区间干渠水位的变化,需频繁调节支渠闸门,这对闸门控制响应的及时性和流量调节的准确性要求较高。通过对支渠闸门和支渠以下斗口以上闸门进行自动化改造,可实现闸门的自动化控制。当需要通过调节支渠段的分水流量来保障灌区泵站的稳定运行时,启动支渠段的全渠道控制系统,可快速提供分水调控方案,提高流量调节的准确性,指导下游闸门的调控管理,并有效减轻渠段闸门管理人员的劳动强度,提升管理运行的现代化水平。

景电灌区全渠道闸门智能联合调控系统的应用和实践是在充分利用感应系统、测控系统等灌区基础设施的基础上,利用模型系统对灌区各项用水管理信息和工程调控业务信息进行采集、处理、反馈和利用。这样可以实现灌区渠系引水、配水和用水的全过程综合优化管控,从而最大限度地实现节约用水和提升闸门调控效能的目标,为向现代化、高质量灌区迈进奠定了牢固的基础。应用实践表明,该调控系统具有智能化程度高、操作方便、维护简单等特点。经初步统计,目前景电灌区利用此管理系统降低了灌区管理人员的劳动强度,提高了工作效率。在灌区运行维护方面,节约了15%以上的成本;在用水管理方面,提高了5%以上的水资源利用率,为灌区节水增效创造了良好的示范效果。

4 结论

为了解决灌区渠道水量调配和闸门调控管理的技术难题,设计、研究了灌区全渠道闸门智能联合调控系统。在最优水量配置计划下,动态控制闸门的运行工况,以最大化地确保实现水量调配方案的既定目标,进而实现了灌区全渠道的精细化管理,完成了灌区节水和科学管理的高质量发展目标。

本研究针对景电灌区渠道复杂、分布范围广、用水高峰期人工投入大和水资源管理效率低、缺乏科学决策指导等问题,在整合灌区闸门自动化和一体化改造成果以及计量监测成果的基础上,通过研究开发多渠道水量调配和闸门联合调度模型,将其应用于景电灌区渠道闸门智能联合调控系统中,实现了灌区水资源与工程运行管理的科学耦合模式下的智能联合调度管理。这不仅提高了灌区水资源管理效率和利用率,降低了人工投入,而且具有较大的经济和社会价值。此外,该系统的研究与应用将进一步促进灌区内节水农业的发展,对全国其他灌区具有一定的推广和应用价值。