长距离明渠输水系统运行控制方式的研究 周子冰

长距离明渠输水系统运行控制方式的研究周子冰

摘要：以上游、中点、下游常水位以及控制容易运行方式为重点研究对象，结

合实例计算了下游及中点位常水位运行控制方式进行了，通过模拟非恒定流典型

数学模型，采用特征线法，计算不同控制方式下非恒定流过程。

关键词：明渠；输水系统；运行；控制方式

对于长距离调水工程来说，无论是控制还是调度方面都很复杂，造成复杂的

原因很多，比如线路跨度大、调节时间长、控制站点分布非常广泛、流量大以及

供水不能间断等等[1-4]。在这种条件下，当运行水位偏离水位的正常情况时，要

想调节渠道水流并让其保持稳定，对其控制就会比较困难。且调水前如果可调节

的水库数量少，调蓄能力较差，也会增加调水的难度。以南水北调为例，在中线

上的干渠线路上不存在可以调节蓄水的水库，就导致运行存在较大的问题。此外，多水源调度也会增加调水系统进行控制的难度[5-7]。南水北调中线工程为好多个

水源共同调水，当这些水源的供水来源不持续时，就需要经常地调整整条线路的

水流，才能不断满足于随时发生的变化。由于工程分水口多，且需水量不固定，

这很大程度上增加了调水控制的难度。是否能够科学地进行调度不仅影响工程的

安全状况，也影响工程的运行成本。

1算例介绍

对于渠道输水工厂的运行和调度来说，有多种不同的控制方式。当然不同的

控制方式渠道内所流淌的水其稳定性等特性也不同，这意味着流量变化后从一个

状态到新的稳定状态所花费的时间长短不一、方式也有所变化。并且由于不同的

控制方式对渠系水位和超高的要求不同，导致相对应的建设量也会有差距。长距

离明渠输水系统分为四种控制的方式，分别为上游常水位、下游常水位、中点常

水位、控制容量法，这几种方式是根据渠段里水位不动点的位置所划分的。首先

本文将会先对这几种方式作简单的说明，并详细分析两种运行方式，中点常水位

控制和下游常水位控制。再从恒定流和非恒定流的稳定时间、水位波动、蓄量变

化等几个方面进行相互对照分析，以验证不同运行方式的优点和缺点。

本文列举的计算实例是一个明渠输水系统的渠首段，在此进行简单地说明：

渠段整体长度为30千米，底部宽约40米，底坡1/25010，预设的流量为602立

方米每秒，糙率为0.015，边坡系数为3。我们预设渠段的上段为一个水的深度一直维持在8.5米的大型水库，运行到中点常水位时，水库的深度为7.89米，下段

在常规水位运行时，闸前该水库的深度为7.456米。

图 1某工程渠首图

2 渠道运行方式介绍

2.1 下游常水位运行方式

该方式的控制点位于渠道下游，以便来调节下游段的水位使其保持在不变的

状态，该控制方式主要优点是建设的费用开支更少。这种运行方式下可将渠道的

大小设计为能够通过最大恒定流，恒定流状态下水的深度不能超过所设计的正常

状态下水的深度。因为设计的流量大于棱柱体渠道的流量，同时设计水面线高于

水面线，设计水面线坡度也大于水面坡度，因此渠道尺寸的超高才能够做到最小，从而降低建造的花费。

图 2 下游常水位图3 上游常水位

2.2上游常水位运行方式

这是维持上游的水深恒定不变无变化的一种控制方式，该方式所能控制的水

流支枢点位于渠段的上游一侧，一般设计的流量都会大于渠道的流量。为了将上

游端的水深度维持恒定的状态，设计水面线要位于水面线位的下面。从没有流量

到流量最大值之间的蓄量就可以充分被利用起来，对分水口、下游的蓄水发生的

改变作出快速的反应，因此就达到了蓄水的目的，这也是该控制方式的主要优点；同时该控制方式也有缺点，为保证没有流量的时候水面线保持在渠堤之下，这一

段的渠岸一定是水平状态，这就要更多的建设开支，因此应用较少。

2.3控制容量运行方式

控制容量即控制渠道中各个渠段的蓄水量，来进行整个渠段的调水工作。不

同用水户其需水量不同，用水情况也时常发生变化。通过调节渠段的蓄水能力可

以满足不同用户的用水需求。渠段蓄水量作为控制容量运行的基本资料，应及时

观察流量和水深这两个数值。如果渠段好比水库的话，那么渠道就像串在一起的

众多水库，渠段内的水面线不会恒定不变而是有时升高有时降低。控制容量运行

方式的灵活度相对其他几种来说属于最高，没有常水位的约束，只要保证水位波

动在可以接受的范围之内，在正常、非常及紧急各种情况下渠道都能够输水。对

于突发情况来说，这种运行方式最能够有效地进行控制，而若使用其它的运行方

式时就需要启动退水闸或调用调蓄水库的水量。控制容量的方式也有自身的缺点，就是必须使用监控系统才能统一操作控制渠道系统，这导致在不能模拟渠道水力

学的情况下，不容易完成复杂的控制容量方式。

3不同运行方式下恒定流蓄量变化研究

设计渠道时，按照流量设计和渠道参数来确定固定流水面线，并明确渠道中

不同点的水位设计高度。因此，在设计条件下，不管采用何种控制方式（下游常

水位或等容积），渠道的水面线都具有唯一性。可是当设计的流量大于渠道运行

的流量时，渠道水面线与控制方式处于完全不相同的状态。

（1）在流量运行平稳时，中点常水位的水面线比闸前常水位的水面线要高，所以与中点常水位相比，渠段总蓄水量要小的多。

（2）如果输水的流量调整减少，各个渠段的闸前常水位模式的蓄水总和将会有所减少；将渠道的中间作为临界的界限，中点常水位模式下渠段蓄量变少，与

之相反，中点常水位模式下渠段蓄量增大，但是总的蓄水量保持在一个水平不变。当流量调整有所增加时，情况恰恰相反。

（3）如果输水的流量变化基本相同，渠段内下游需要花费更多的时间来达到稳定，因为与需要改变的中点常水位调蓄水体的体积相比，下游常水位必须调整

的水体体积更大一些。

（4）分析可知，在流量变化相同的条件下，多渠段一起串联的结果是渠段越多渠道就越长，下游常水位下，如果蓄水量的改变跨度越大，渠段也将消耗更多

地时间来维持恒定。在中点常水位条件下，则不会因为渠段串联在一起而增加总

的调蓄体积，多个渠段完成蓄量改变的时间与单个渠段完成蓄量改变所消耗的时

间基本相同。

4结论

通过推演恒定流的蓄量、水力过渡时间、工程量、水位变幅最大值等几个方

面得出：以下游常水位运行方式是最佳的输水控制模式，因为在相同的流量变化

条件下，该模式的蓄量、水位最大变幅都比较大，水力过渡的时间比较长，但是

建设工程量也较小。