长距离明渠输水系统运行控制方式的研究

2016-03-15 06:49占方晶

黑龙江水利科技 2016年12期

关键词：渠段恒定调水

占方晶

(九江市水利电力规划设计院，江西九江 332000)

长距离明渠输水系统运行控制方式的研究

占方晶

(九江市水利电力规划设计院，江西九江 332000)

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。文章以上游、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，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。

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。

提升输水系统运行效率、充分挖掘工程的潜力对输水工程非常重要，同时对于提高系统运行的安全性和稳定性，也有较高的现实意义，最关键的是能够保障工程的顺利实施[8-9]。

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4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。首先文章将会先对这几种方式作简单的说明，并详细分析2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。

文章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30km，底部宽约40m，底坡1/25010，预设的流量为602 m3/s，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8.5m的大型水库，运行到中点常水位时，水库的深度为7.89m，下段在常规水位运行时，闸前该水库的深度为7.456m，如图1。

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，如图2。

图1 某工程渠首图

图2 下游常水位

图3 上游常水位

其缺点是在这种运行方式需要更多的时间来达到新的稳定状态，因为流量改变时需要调节的水体规模太大，导致调整水流所花费的时间较长。在下游常水位运行时前，应该提前预定用户所需要的水的总量，进行调度、调整水流的时候才能够有时间保障，以保证供水能够有条不紊地进行。当然，如果用户需水临时发生改变，也会给渠道的运行及控制造成困扰。

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，如图3。

2.3 中点常水位运行方式

中点常水位控制即等容积控制，通过维持渠段的中点水位保持在恒定的状态，在水的流量发生变动时，以渠池的中点为轴水面转动，总的蓄量才得以保持稳定。中点常水位方式有利的是能够快速调整渠道的水流情况。其不利的是必须抬高下游渠堤的堆砌高度。虽然与上游常水位方式相比，建设量相对要小得多，但是等容量运行方式人工不容易完成，必须用自动化进行控制操作，如图4。

图4 中点常水位

2.4 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。相同的渠道分别使用等容积和下游常水位运行方式时，零流量以及设计流量的Q=100m3/s水面线如图5所示，文章所研究的两种调度控制方式，均以设计流量和水面线均相同为前提条件。

图5 不同运行方式下的水面线

从以上表图及相关分析可知：

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 基于非恒定流仿真下的不同运行方式比较

作为一个非恒定流过程，渠道的水流变化在渠道的实践实施中的运行方式不同。不同的运行方式下，过渡时间以及渠道水位的波动时间也不尽不同。依照不同的运行方式，文章将各自创建不同的单渠道数学模型，来进行模拟非恒定流状态。计算的前提条件是稳定状态：如果某一状态下的水深与新状态下的水深的差值<0.00001，且时间足够2h，那么我们普遍认为已经进入一个新的稳定性较好的状态，该调度工况的稳定时间即为从开始稳定到一个新的稳定状态所经历的总时间。文章再次假设四种不同运行方式下游需水流量在60分钟内分别为100-200m3/s，200-100m3/s，100-400m3/s，400-100m3/s。

模拟非恒定流数学模型，不同运行方式的断面水位变化关系如图6-图13所示。