关于南水北调中线干线冰期输水自动化控制模型浅析

关于南水北调中线干线冰期输水自动化控制模型浅析
发布时间：2022-10-21T02:37:14.304Z 来源：《中国建设信息化》2022年11期第6月作者：牛红
[导读] 长距离输水工程规模巨大，技术复杂，本文通过分析南水北调冰期自动化输水
牛红
中国南水北调集团中线有限公司
摘要：长距离输水工程规模巨大，技术复杂，本文通过分析南水北调冰期自动化输水运行管理的现状、特点，比较全面的总结了南水北调长距离大型调水工程运行管理的经验、教训和体会，能对我国长距离大型调水工程的冰期运行管理理论和实践起到一定的借鉴作用。

关键词：长距离输水；冰期输水；自动化控制；运行
南水北调中线总干渠输水距离长达1400余公里，控制节点多，沿线均无调节水库，只能利用有限的渠道调蓄能力，水力条件非常复杂，如此大规模、长距离调水工程的输水运行控制问题国内尚无先例，其调水工程的调度和控制也十分复杂，其难点在于：（1）渠线长，控制建筑物多，
（2）明渠输水为无压自流形式，如果输水干渠上没有任何调蓄水库，输水控制过程的可调节能力较差，控制难度也就更大，尤其是冬季冰期输水困难更大。

（3）长距离调水工程沿线水量分配不均，而且与当地水源联合调度，各闸门的需水量也是变化的。

因此提高针对渠道冰期输水方面的自动化模拟研究，在输水运行控制方面有着重要的意义，通过运行调度过程模拟、调度运行方案研究和自动控制系统等方面发展可以提高渠道的输水安全性能。

1.冰期输水自动化控制数学模型研究现状
渠道的自动控制方法的研究和应用在国外开展的较早，早在1937年，阿尔及利亚就安装了上游常水位自动闸门（AMIL），20世纪40年代下游常水位控制闸门（A VIS或A VIO）开始安装使用，法国SOGREAH公司研究开发了BIV AL控制模型，是一种等容积就地自动控制模型，也是一种比例积分控制，应用本方法的有墨西哥的Cupatitzio-Tepalcatepec工程等，其他同类控制如P+PR（比例+比例复位）控制算法将积分控制引入渠道控制，用于上游控制模式，应用的有华盛顿Umattilla流域工程、亚利桑那Yuma Dsesalting水槽排水渠道等，但对于冰期输水模型研究目前不多。

2.南水北调中线输水面临问题
中线工程面临三大类14种突发事件的威胁，每年均会不同程度发生一些突发事件，对工程安全运行造成了一些影响。

洪涝灾害、冰冻灾害、工程安全事故、水质污染事件这四类突发事件，尤其是冰期输水方面，由于管理人员存在着部分经历此类事件少，风险意识不强，应对工作经验不足等问题，并且相关管理机构没有专门设置冰期应急部门或配备专职人员，应急管理人员多为兼职人员，缺乏专业素养，风险意识差，应急知识经验少，对冰期应急预案内容不熟悉，对所管工程的风险状况不清楚。

思想认识不到位，相应的应急抢险措施难以落实或落实不到位，一旦发生冰期输水应急情况，将难以有效应对。

3.中线渠道冰期输水的运行方式
渠系运行方式根据渠道水位控制点的位置可分为闸前常水位（下游常水位）、闸后常水位（上游常水位）、等容量和控制容量法。

（1）闸前常水位：是指渠段的水位控制点在下游闸门前，在稳定条件下，水位总是保持在控制点位置。

当流量增加时，渠段内水体体积增加，水力坡度增大；当流量减小时，水力坡度和渠段水体体积均减小。

（2）闸后常水位：是指渠段内水位控制点在渠段上游闸门下游，在渠段水流稳定条件下，闸后水位总是保持不变。

（3）等容量法：控制渠段内水体体积恒定，渠段水面线以渠段中点附近的支枢点而转动的，在稳定状态下，渠池的蓄量不变，在控制的过程中要求渠段的上、下游闸门同步操作，以保证渠池内的蓄量体积恒定。

（4）控制容量法：通过移动或改变渠池内控制点的位置来控制一个或多个渠池内的蓄量来达到控制效果的方法，具有一定的灵活性，可用于在正常运行和紧急运行状态间的转换以避免弃水或其它灾害。

4.渠道冰期输水的过闸流量计算
输水工程输水调度控制的关键是确定任意时刻各节制闸的过闸流量，过闸流量已知的情况下，通过上下游实测水位即可反算出节制闸的开度，从而形成控制指令。

假定各节制闸流量变化为分段线性函数，则任意时刻的过闸流量可以按式（4-1）求得。

6.提升冰期输水运行的应急管理措施
冰期运行应急体系的建立应结合工程实际情况，定期对预案进行评估完善，做好资料收集、风险评估和应急资源调查，重点将应急组织机构职责、风险分析、应急处置措施、应急队伍、应急物资、抢险设备等方面细化明确，研究总结同类工程冰期运行险情应急处置技术方案，形成典型案例库，制定应急处置手册，持续提高预案质量，保证针对性和可操作性；同时要加强对各级管理机构的应急预案监督指导和评审。

通过编制冰期输水突发事件应急演练指南和应急抢险队伍日常训练指南，规范冰期输水应急演练和抢险技能训练，提高应急处置规范化水平。

预案修订完善后，每年要突出实战开展常态化的冰期应急演练，事前制定演练计划和演练方案，事中要严肃认真开展演练，事后要认真总结，分析不足，查找问题，完善预案和抢险准备。