占方晶

(九江市水利電力規(guī)劃設(shè)計院，江西 九江 332000)

長距離明渠輸水系統(tǒng)運行控制方式的研究

占方晶

(九江市水利電力規(guī)劃設(shè)計院，江西 九江 332000)

對于長距離調(diào)水工程來說，無論是控制還是調(diào)度方面都很復雜，造成復雜的原因很多，比如線路跨度大、調(diào)節(jié)時間長、控制站點分布非常廣泛、流量大以及供水不能間斷等等。文章以上游、中點、下游常水位以及控制容易運行方式為重點研究對象，結(jié)合實例計算了下游及中點位常水位運行控制方式，通過模擬非恒定流典型數(shù)學模型，采用特征線法，計算不同控制方式下非恒定流過程。

明渠；輸水系統(tǒng)；運行；控制方式

對于長距離調(diào)水工程來說，無論是控制還是調(diào)度方面都很復雜，造成復雜的原因很多，比如線路跨度大、調(diào)節(jié)時間長、控制站點分布非常廣泛、流量大以及供水不能間斷等等[1-4]。在這種條件下，當運行水位偏離水位的正常情況時，要想調(diào)節(jié)渠道水流并讓其保持穩(wěn)定，對其控制就會比較困難。且調(diào)水前如果可調(diào)節(jié)的水庫數(shù)量少，調(diào)蓄能力較差，也會增加調(diào)水的難度。以南水北調(diào)為例，在中線上的干渠線路上不存在可以調(diào)節(jié)蓄水的水庫，就導致運行存在較大的問題。此外，多水源調(diào)度也會增加調(diào)水系統(tǒng)進行控制的難度[5-7]。南水北調(diào)中線工程為好多個水源共同調(diào)水，當這些水源的供水來源不持續(xù)時，就需要經(jīng)常地調(diào)整整條線路的水流，才能不斷滿足于隨時發(fā)生的變化。由于工程分水口多，且需水量不固定，這很大程度上增加了調(diào)水控制的難度。是否能夠科學地進行調(diào)度不僅影響工程的安全狀況，也影響工程的運行成本。

提升輸水系統(tǒng)運行效率、充分挖掘工程的潛力對輸水工程非常重要，同時對于提高系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，也有較高的現(xiàn)實意義，最關(guān)鍵的是能夠保障工程的順利實施[8-9]。

1 算例介紹

對于渠道輸水工廠的運行和調(diào)度來說，有多種不同的控制方式。當然不同的控制方式渠道內(nèi)所流淌的水其穩(wěn)定性等特性也不同，這意味著流量變化后從一個狀態(tài)到新的穩(wěn)定狀態(tài)所花費的時間長短不一、方式也有所變化。并且由于不同的控制方式對渠系水位和超高的要求不同，導致相對應(yīng)的建設(shè)量也會有差距。長距離明渠輸水系統(tǒng)分為4種控制的方式，分別為上游常水位、下游常水位、中點常水位、控制容量法，這幾種方式是根據(jù)渠段里水位不動點的位置所劃分的。首先文章將會先對這幾種方式作簡單的說明，并詳細分析2種運行方式，中點常水位控制和下游常水位控制。再從恒定流和非恒定流的穩(wěn)定時間、水位波動、蓄量變化等幾個方面進行相互對照分析，以驗證不同運行方式的優(yōu)點和缺點。

文章列舉的計算實例是一個明渠輸水系統(tǒng)的渠首段，在此進行簡單地說明：渠段整體長度為30km，底部寬約40m，底坡1/25010，預(yù)設(shè)的流量為602 m3/s，糙率為0.015，邊坡系數(shù)為3。我們預(yù)設(shè)渠段的上段為一個水的深度一直維持在8.5m的大型水庫，運行到中點常水位時，水庫的深度為7.89m，下段在常規(guī)水位運行時，閘前該水庫的深度為7.456m，如圖1。

2 渠道運行方式介紹

2.1 下游常水位運行方式

該方式的控制點位于渠道下游，以便來調(diào)節(jié)下游段的水位使其保持在不變的狀態(tài)，該控制方式主要優(yōu)點是建設(shè)的費用開支更少。這種運行方式下可將渠道的大小設(shè)計為能夠通過最大恒定流，恒定流狀態(tài)下水的深度不能超過所設(shè)計的正常狀態(tài)下水的深度。因為設(shè)計的流量大于棱柱體渠道的流量，同時設(shè)計水面線高于水面線，設(shè)計水面線坡度也大于水面坡度，因此渠道尺寸的超高才能夠做到最小，從而降低建造的花費，如圖2。

圖1 某工程渠首圖

圖2 下游常水位

圖3 上游常水位

其缺點是在這種運行方式需要更多的時間來達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，因為流量改變時需要調(diào)節(jié)的水體規(guī)模太大，導致調(diào)整水流所花費的時間較長。在下游常水位運行時前，應(yīng)該提前預(yù)定用戶所需要的水的總量，進行調(diào)度、調(diào)整水流的時候才能夠有時間保障，以保證供水能夠有條不紊地進行。當然，如果用戶需水臨時發(fā)生改變，也會給渠道的運行及控制造成困擾。

2.2 上游常水位運行方式

這是維持上游的水深恒定不變無變化的一種控制方式，該方式所能控制的水流支樞點位于渠段的上游一側(cè)，一般設(shè)計的流量都會大于渠道的流量。為了將上游端的水深度維持恒定的狀態(tài)，設(shè)計水面線要位于水面線位的下面。從沒有流量到流量最大值之間的蓄量就可以充分被利用起來，對分水口、下游的蓄水發(fā)生的改變作出快速的反應(yīng)，因此就達到了蓄水的目的，這也是該控制方式的主要優(yōu)點；同時該控制方式也有缺點，為保證沒有流量的時候水面線保持在渠堤之下，這一段的渠岸一定是水平狀態(tài)，這就要更多的建設(shè)開支，因此應(yīng)用較少，如圖3。

2.3 中點常水位運行方式

中點常水位控制即等容積控制，通過維持渠段的中點水位保持在恒定的狀態(tài)，在水的流量發(fā)生變動時，以渠池的中點為軸水面轉(zhuǎn)動，總的蓄量才得以保持穩(wěn)定。中點常水位方式有利的是能夠快速調(diào)整渠道的水流情況。其不利的是必須抬高下游渠堤的堆砌高度。雖然與上游常水位方式相比，建設(shè)量相對要小得多，但是等容量運行方式人工不容易完成，必須用自動化進行控制操作，如圖4。

圖4 中點常水位

2.4 控制容量運行方式

控制容量即控制渠道中各個渠段的蓄水量，來進行整個渠段的調(diào)水工作。不同用水戶其需水量不同，用水情況也時常發(fā)生變化。通過調(diào)節(jié)渠段的蓄水能力可以滿足不同用戶的用水需求。渠段蓄水量作為控制容量運行的基本資料，應(yīng)及時觀察流量和水深這兩個數(shù)值。如果渠段好比水庫的話，那么渠道就像串在一起的眾多水庫，渠段內(nèi)的水面線不會恒定不變而是有時升高有時降低?？刂迫萘窟\行方式的靈活度相對其他幾種來說屬于最高，沒有常水位的約束，只要保證水位波動在可以接受的范圍之內(nèi)，在正常、非常及緊急各種情況下渠道都能夠輸水。對于突發(fā)情況來說，這種運行方式最能夠有效地進行控制，而若使用其它的運行方式時就需要啟動退水閘或調(diào)用調(diào)蓄水庫的水量?？刂迫萘康姆绞揭灿凶陨淼娜秉c，就是必須使用監(jiān)控系統(tǒng)才能統(tǒng)一操作控制渠道系統(tǒng)，這導致在不能模擬渠道水力學的情況下，不容易完成復雜的控制容量方式。

3 不同運行方式下恒定流蓄量變化研究

設(shè)計渠道時，按照流量設(shè)計和渠道參數(shù)來確定固定流水面線，并明確渠道中不同點的水位設(shè)計高度。因此，在設(shè)計條件下，不管采用何種控制方式(下游常水位或等容積)，渠道的水面線都具有唯一性?？墒钱斣O(shè)計的流量大于渠道運行的流量時，渠道水面線與控制方式處于完全不相同的狀態(tài)。相同的渠道分別使用等容積和下游常水位運行方式時，零流量以及設(shè)計流量的Q=100m3/s水面線如圖5所示，文章所研究的兩種調(diào)度控制方式，均以設(shè)計流量和水面線均相同為前提條件。

圖5 不同運行方式下的水面線

從以上表圖及相關(guān)分析可知：

1)在流量運行平穩(wěn)時，中點常水位的水面線比閘前常水位的水面線要高，所以與中點常水位相比，渠段總蓄水量要小的多。

2)如果輸水的流量調(diào)整減少，各個渠段的閘前常水位模式的蓄水總和將會有所減少；將渠道的中間作為臨界的界限，中點常水位模式下渠段蓄量變少，與之相反，中點常水位模式下渠段蓄量增大，但是總的蓄水量保持在一個水平不變。當流量調(diào)整有所增加時，情況恰恰相反。

3)如果輸水的流量變化基本相同，渠段內(nèi)下游需要花費更多的時間來達到穩(wěn)定，因為與需要改變的中點常水位調(diào)蓄水體的體積相比，下游常水位必須調(diào)整的水體體積更大一些。

4)分析可知，在流量變化相同的條件下，多渠段一起串聯(lián)的結(jié)果是渠段越多渠道就越長，下游常水位下，如果蓄水量的改變跨度越大，渠段也將消耗更多地時間來維持恒定。在中點常水位條件下，則不會因為渠段串聯(lián)在一起而增加總的調(diào)蓄體積，多個渠段完成蓄量改變的時間與單個渠段完成蓄量改變所消耗的時間基本相同。

4 基于非恒定流仿真下的不同運行方式比較

作為一個非恒定流過程，渠道的水流變化在渠道的實踐實施中的運行方式不同。不同的運行方式下，過渡時間以及渠道水位的波動時間也不盡不同。依照不同的運行方式，文章將各自創(chuàng)建不同的單渠道數(shù)學模型，來進行模擬非恒定流狀態(tài)。計算的前提條件是穩(wěn)定狀態(tài)：如果某一狀態(tài)下的水深與新狀態(tài)下的水深的差值<0.00001，且時間足夠2h，那么我們普遍認為已經(jīng)進入一個新的穩(wěn)定性較好的狀態(tài)，該調(diào)度工況的穩(wěn)定時間即為從開始穩(wěn)定到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)所經(jīng)歷的總時間。文章再次假設(shè)四種不同運行方式下游需水流量在60分鐘內(nèi)分別為100-200m3/s，200-100m3/s，100-400m3/s，400-100m3/s。

模擬非恒定流數(shù)學模型，不同運行方式的斷面水位變化關(guān)系如圖6-圖13所示。

圖6 下游常水位運行時渠段各斷面水位變化

圖8 下游常水位運行時渠段各斷面水位變化

圖9 中點常水位運行渠段各斷面水位變化

圖10 不同運行方式下的斷面最大水位變幅比較

圖11 不同運行方式下的斷面最大水位變幅比較

圖12 不同運行方式下的斷面最大水位變幅比較

圖13 不同運行方式下的穩(wěn)定時間比較

通過對以上表圖的分析可以得出：

1)計算并比較流量變化可知，不同控制方式下各個渠段內(nèi)的斷面水位的最大變幅，中點常水位比下游常水位運行時要大。

2)在流量發(fā)生不同變化的情況下，與其他方式相比，中點常水位渠段中間斷面出現(xiàn)的水位波動最小，且最后仍然能夠回到開始狀態(tài)的水位；在渠道的兩個端頭，斷面產(chǎn)生的水位變化情況最為明顯，波動趨勢反而相對穩(wěn)定。當流量的改變越多的時候，渠段中各個斷面的最強水位變幅也變得越大。

4 結(jié) 論

通過推演非恒定流的蓄量、水力過渡時間、工程量、水位變幅最大值等幾個方面得出：以下游常水位運行方式是最佳的輸水控制模式，因為在相同的流量變化條件下，該模式的蓄量、水位最大變幅都比較大，水力過渡的時間比較長，建設(shè)工程量也較小。

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1007-7596(2016)12-0032-05

2016-11-30

占方晶(1983-)，男，江西星子人，工程師，研究方向為水利水電工程。

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