吴一红-南水北调中线工程控制方式研究n

中国水利水电科学研究院
7个子题：
南水北调中线工程输水模拟平台 中线渠道输水系统的水力学数值仿真研究
闸前常水位输水模式实现方式研究
大规模输水工程的超高设计标准和规范的研究
中线工程冰期输水能力及冰害防治技术研究
中线干渠冰期输水模式 极端冰害条件和防冰措施研究
中国水利水电科学研究院
2008年9月28日，京石段应 急供水工程建成并临时通水 至2009年8月19日，完成向 北京调水4.35亿立方米任务 采用人工控制方式 冰期输水流量10m3/s左右
①、②保证冰盖形成， 冰花不下潜
冰盖不超过渠道衬砌高度、渡槽的侧墙顶、暗渠或隧洞 的洞顶等限制高程，并考虑保留一定的裕量
水位壅高对闸门的过流能力的影响
③、④保证渠道水位 壅高满足输水要求
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根据控制指标可求得不同闸前水位，不同冰盖糙率下的渠道 输水能力。
不同渠池过流能力与设计过流量的比值（%）
冬季运行时黄河以北渠段会出现不同的冰情，输水能力
下降，如果控制不当可能出现冰塞和冰坝等冰害
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工程运行控制要求

保持闸前水位恒定（闸前常水位运行）

“适时”、“适量”供水
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工程运行控制要求

水位波动符合安全限幅（0.15m/h & 0.3m/24h）
水位下降过快 ，反向静水 压力使衬砌遭受破坏
如何促进冰盖的形成？ 冰盖下的最大输水能力是多少？ 如何保证水位的稳定， 并保证用户的用水需求？ 变闸前水位的实现问题 为了提高冰盖下输水能力， 往往需要抬高闸前水位运行，该如 何实现？
坟庄河渠段冰盖下输水
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4 闸前常水位实现研究
4.1闸前常水位运行方式
随流量变化 水面线旋转
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课题研究内容

“十一五”国家科技支撑计划重大项目 “南水北调工程 若干关键技术研究与应用”设立课题四：中线工程输水能 力与冰害防治技术研究
研究南水北调中线工程输水稳定性和可靠性、运 行模式、水力控制模式、冰期输水能力、冰期输水 模式及冰害防治措施。研究输水渠道设计超高的规 范。开发集成水力计算、水力控制数学模型的电子 （数字）渠道仿真系统。
汇报内容
1课题立项背景 2中线工程运行特点 3关键水力控制问题 4闸前常水位运行控制研究 5变闸前水位运行控制研究 6冰期输水运行控制研究

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北京
天津
1课题立项背景
中线工程概况

渠线全长1432km，其中 总干渠1276km，天津干 渠156km 输水方式：明渠为主， 局部管涵 渠首输水能力：350/420 m3/s(设计/加大)
主动蓄量补偿可以显著改善渠道的控制效果
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主动蓄量补偿法
流量
运行约束条件
c
△q q0 q1
沿线分水口计划
d
a
b
下游用水时间
时间
t
估算前馈控制时间
预测蓄量变化值
2
提前从上游 补偿的蓄量
流量
(a) 分水口流量过程
C
△Q1 Q0 △V
Q1
N
D
确定前馈控制流量过程
M
A
B
△τ1
t
0
t
1
t
△QG4
反馈控制器
闸门1
闸门2
渠池1 渠池2
流量控制器 △G3
YT2
闸门3
YT3
渠池3
闸门4
q1 q2
q3
渠道解耦控制示意图
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5变闸前水位运行控制研究
应用需求
穿黄工程由于不同流量情况下水头损失差异较大，不 同流量时节制闸前需采用不同的水位； 冬季输水期间，安阳以北渠段需要逐步抬高闸前水位， 为冰盖下输水创造条件，而冰期输水结束时，又需要将 闸前水位降低至正常值； 设计流量和加大流量工况下，节制闸闸前水位不同， 两工况之间转换时，需要改变闸前水位。
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前馈控制时间可以按下式确定：
(i) L(i) L(i) K v0 (i) c0 (i) v 0 (i) c0 (i)
式中： L(i ) 为第渠池的长度，v0 (i ) 、c0 (i) 表示第渠池初始时 刻的平均流速与波速，K是权重系数。
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“十一五”科技支撑项目“南水北调工程若干关键技术研究与应用”
课题四“中线工程输水能力与冰害防治技术研究”（2006BAB04A12）
南水北调中线工程运行控制 方式研究
吴一红 中国水利水电科学研究院 2010.9
“十一五”科技支撑项目“南水北调工程若干关键技术研究与应用” 课题四“中线工程输水能力与冰害防治技术研究”（2006BAB04A12）


丹江口

61个节制闸，88个分水 口，51座退水闸
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课题立项需求


缓解我国北方水资源严重短缺、优 化水资源配臵、改善生态环境的重 大战略性基础设施。 关系我国经济、社会和生态协调发 展的重大工程 一系列没有解决或者没有工程实例 的技术难关需通过科学研究解决 输水干渠距离长、控制节点多、影 响因素多、输水要求高，水力控制 难度大。
闸前目标水位随时间变化过程
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6 冰期输水运行控制研究
6.1冰期输水能力研究

冰盖的绝热作用可以避免水体内冰花的生成，冰盖下输水 是中线工程的理想输水方式。 冰盖的存在使得渠道的流动阻力较封冻前成倍增加，致使 渠道过流能力减小。


K. Ohashi等研究表明封冻河道的过流能力减少29%；引黄 济津观测发现结冰初期输水能力降至35%，封冻4-5日后恢 复至73%；京密引水渠观测表明冰盖下的过流能力减小约 32%。

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5.2冰期过渡期变闸前水位运行研究

冰期输水开始前（结束后），需抬高（降低）渠道水位， 调整渠道输水能力。

问题:如何实现下游的变闸前水位与上游的闸前常水位 方式的联合运行？
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实现方式

将变闸前水位运行分解为两个同步进行的过程： 闸前常水位运行过程 （下图中水面线A运动至B的过程） 变水位蓄量补偿过程（下图中水面线B运动至C的过程）
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4.2控制策略：
前馈控制（粗调）+反馈控制（微调）+解耦（协调）
分水口计划 前馈控制(主动蓄量补偿)
“粗调”，它根据预测和实测的 分水口流量，考虑时间滞后影响， 制定闸门前馈控制流量 “微调”，用于消除任何已知和 未知扰动影响，保障闸前常水位 目标的实现
Q
解耦(解耦器) 反馈控制（串级控制） Q 解耦(解耦器)
反馈控制算法研究
传统水位反馈控制方式 缺陷： 1）受水波传播速度限 制，反馈校正滞后时间 长，扰动无法被及时消除。 2）上游渠池的运行控制 会影响到下游各渠池。
闸门启闭机 闸门开度 控制器 水位 水位过滤器
开度传感器 闸门1
水位传感器
YT Q q
传统开度控制方式
传统水位反馈控制算法
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解耦控制算法研究
渠池间的相互耦合是降低节制闸控制效果的主要原因之一， 严重时会使渠池失稳。
上游方向解耦：设计了专门的上游方向解耦器
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上游方向解耦
KD △QG2
反馈控制器
上游方向解耦
KD △QG3 反馈控制器
流量控制器 △G1 流量控制器 △G2
YT1

尽量减少闸门操作次数
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3关键水力控制问题
1、闸前常水位运行问题——该运行方式具有响应慢、恢复特性
较差的缺点，如何缩短渠道的水力过渡时间？
2、大时间滞后问题
——平均流速1m/s左右，从陶岔渠首自流到
岗头节制闸 西黑山节制闸
团城湖需要2周左右；水流波速约7m/s，传播也需要2天左右；如何保 证“适时”、“适量”地供水？ 陶岔渠首
丹江口水库
渠池1 渠池2 渠池54 渠池55
坟庄河节制闸 北拒马节制闸
渠池59 渠池60 惠南庄泵站
天津分水口
南水北调中线总干渠示意图
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3、控制作用耦合问题——一个节制闸的动作，将影响上、下游所
有渠池的连锁反应，降低甚至恶化控制品质，威胁工程安全，如何降 低耦合效应？
4、调蓄问题——分水口流量的变化引起的渠池蓄量变化均需要从上
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冰盖的糙率分析
原型观测结果可知，河道内的初始冰盖糙率一般为0.03~0.05， 冬末的冰盖糙率一般为0.01~0.02；人工渠道内的初始冰盖糙 率一般为0.01~0.03，冬末的冰盖糙率在0.01左右。 综上，冰期输水能力的控制指标可取为： 渠道的初始佛汝德数不超过0.08 渠道内的水流速度不超过0.6m/s
G
反馈控制（串级控制） Q 反馈控制(串级控制)
“协调”，用于降低或消除渠池 间控制作用的相互影响，加快整 个渠道的过渡过程
Y
G
Y
G Y
控制系统框图
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前馈控制(主动流量补偿)算法研究
闸前常水位控制时间较长的根本原因 实现该运行方式所需的蓄量变化，与用户需求引起的蓄量 变化的趋势刚好相反。
提出水位-流量串级反馈 控制方式
流量 主控制器 水位 水位过滤器 闸 后 水 位 开度传感器 闸门1
改善： 1）通过增加对过闸流 量的控制，显著改善系 统的反馈控制效果； 2）可以基本消除上游 控制动作对下游渠池的 影响。
闸 前 水 位
副控制器
闸门启闭机
水位传感器
YT Q
闸门2
流量控制方式
q
水位－流量串级控制算法
渠池名称
白马河~ 泜河渡槽 午河渡槽~ 潴龙河 蒲阳河~ 岗头 坟庄河~ 河北末 其他 渠池
0.04<冰盖初始糙率≤0.05 闸前控制水位采 用设计值 闸前控制水位采 用加大值 闸前控制水位采 用加大值以上 0.5m 24 29 23 27 12 16 23 24 30 35
36
31
22
33
39
闸前控制水位采 用加大值以上 1.0m
游补充，如何利用渠池的蓄量，缩短控制时间？
5、强扰动问题——量测偏差、风浪、设备故障等扰动，都会引发渠
内水位波动，偏离控制目标，如何消除扰动影响？
6、穿黄工程的控制问题——穿黄段需按变闸前水位方式运行，闸
前水位如何确定？控制算法如何与其它渠池的控制算法协调？
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7、冰期输水控制问题
闸前控制水位采 用加大值以上 1.2m
44
42
30
43
47
47
44
32
47
49
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衬砌顶 设计流量水面线 支枢点
控制其水 位恒定
零流量水面线
Q
YT
闸前常水位运行方式示意图
特点：闸前水位相对恒定，水面线绕末端支枢点旋转
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优势：1）渠道衬砌量小，造价低；2）有利于分水口的稳 定运行。

缺点：1）控制和稳定时间在各种运行方式中最长。2）容 易造成下游弃水或供水不足；3）管理要求高，需要有完 善的需水计划。
2
t
3
时间
(b)拟定的渠池入流流量过程
编制闸门操作计划
蓄量补偿流程图
上游供水时间 蓄量补偿法原理
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前馈控制时间研究
GO 闸门 GO 闸门
Q a.闸门开度增大
Q b.闸门开度减小
闸门开度变化与水波的形成
G1
渠堤
闸前目标水位
G2
△Q
控制正负波在此 处相消
△q
利用波叠加相消的原理减小水位的波动幅值。
Q1流量水面线 衬砌顶
C B
Qt流量水面线
YT
A
Q0流量水面线
变闸前水位运行实现方式
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5.3闸前常水位、变闸前水位联合运行控制算法

前馈控制算法 由实现闸前常水位运行的前馈控制算法和实现控制蓄量 法的蓄量补偿算法结合构成
联合运行前馈控制算法
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反馈控制算法 采用水位-流量串级控制算法（综合解耦算法） 闸前目标水位随时间动态变化
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5.1穿黄工程变闸前水深运行研究
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若闸前常水位运行，流量由设计流量变为0时，隧洞入口 水位降7m左右的变化，影响工程的安全运行。
节制闸 上游隧洞入口
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问题：如何确定不同流量下的闸前控制水位 方法：根据流量－渠池蓄量关系式确定。 方法一： 假定流量与渠池蓄量呈线性关系，由渠池的蓄量 反推闸前目标水位。 方法二：类比法，设相邻节制闸的开启面积一致，根据恒 定渐变流理论推求闸前水位。 两种方法得出的结果基本相同。
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2中线工程运行特点

明渠自流输水为主，流速仅1m/s左右，输水滞后时间长 由陶岔渠首自流至北京需2周左右

无调蓄水库，需利用自身调蓄能力，控制难度大 相当于60个串联运行的小型水库，各渠池蓄量2×106— 10×106m3之间

沿线节制闸、分水口、退水闸众多，控制规则复杂
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