长距离明渠输水系统运行控制方式的研究

王征（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166）

长距离明渠输水系统运行控制方式的研究

王征
（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166）

文中介绍了4种长距离明渠输水常用的渠道运行的方式，上游常水位、中点常水位、下游常水位、控制容量运行方式。并结合实例对下游常水位和中点常水位运行方式进行计算，模拟非恒定流的典型数学模型，借鉴了特征线法，并用来计算不同的运行条件下的非恒定流过程。

明渠；输水系统；运行；控制方式

1 算例介绍

实例：文中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 km，底部宽约40 m，底坡1/25 010，预设的流量为602 m3/s，糙率为0.015，边坡系数为3。预设渠段的上段为一个水的深度一直维持在8.5 m的大型水库，运行到中点常水位时，水库的深度为7.89 m，下段在常规水位运行时，闸前该水库的深度为7.456 m。

1.1 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少，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，以保证供水能够有条不紊地进行。

1.2 上游常水位运行方式

该方式所能控制的水流支枢点位于渠段的上游一侧，其主要优点是对分水口、下游的蓄水发生的改变，做出快速的反应，因此就达到了蓄水的目的，缺点是需要更多的建设开支[4-5]。

1.3 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。该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。

1.4 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。控制容量运行方式的灵活度相对其他几种来说属于最高，在正常、非常及紧急各种情况下，渠道都能够输水。缺点是必须使用监控系统才能统一操作控制渠道系统，不易完成复杂的控制容量方式。

2 不同运行方式下恒定流蓄量变化研究

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。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=100 m3/s水面线正如图1所示，文中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。

从以上图1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。

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；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。

图1 不同运行方式下的水面线

3）如果输水的流量变化基本相同，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。

3 不同运行方式比较

作为一个非恒定流过程，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，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。假设四种不同运行方式下游需水流量在60 min内，分别为100~ 200 m3/s，200~100 m3/s，100~400 m3/s，400~100 m3/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（图略）。分析可以得出：

1）计算并比较流量变化可知，中点常水位控制方式下各个渠段内的断面，其水位的最大变幅均比下游常水位运行时要大。

2）在流量发生不同变化的情况下，中点常水位渠段中间断面出现的水位波动最小，且最后仍然能够回到开始状态的水位；在渠道的两个端头，断面产生的水位变化情况最为明显，波动趋势反而相对稳定。当流量的改变越多的时候，渠段中各个断面的最强水位变幅也变得越大。

3）针对不一样的运行方式，相同的是中间断面的最大水位变幅会达到最小值。因为中点常水位运行时，渠道蓄量变化以渠池中点为轴转动，因此可以控制中点水位保持不变；而下游常水位运行时，由于渠道上游和下游节制闸同时调节产生的水波在此交错、重叠、抵消，导致水位波动最小。

4）当流量变化一样时，在过渡时间这方面，中点比下游常水位的时间要长。因此，与之相比，渠段中点比较容易较快达到新的恒定流状态。

5）当流量稳定运行时，下游常水位的各个断面均比比中点常水位要低。下游流量数值为零时，中点常水位运行时水位相比最高。与下游常水位运行时相比，比中点常水位建设工程量要大。

4 结论

文中结合实例对下游常水位和中点常水位运行方式进行计算，模拟非恒定流的典型数学模型，借鉴了特征线法，并用来计算不同的运行条件下的非恒定流过程。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。

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2016-08-11