灌溉渠道的监测及水深自动控制

艾合拜尔·毛拉

(新疆维吾尔自治区塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

1 灌溉系统

水力灌溉系统整体布置如图1所示。有三个蓄水池，每个蓄水池上安装一个泵站，主要是为地下灌溉压力管网加压。对于前两个蓄水池，检查结构控制蓄水池末端横截面的水深。每个止回阀结构都有两个独立的闸门，如渠道进水口处的G1-G2闸门、G4-G5闸门、G7-G8闸门分别由自动执行器控制。蓄水池的分支由单独的电动闸门控制，如G3闸门和G6闸门。通过此灌溉系统，可以减少每日渠道流入量的变化、缩短灌溉系统的响应时间、降低由控制系统引起的运行渠道水力损失[1-2]。

图1 水力灌溉系统

SCADA为监控和数据采集系统，安装该系统是为了能够远程手动控制流量，优化三个蓄水池的蓄水管理，并监督整个水力灌溉系统。

RTU为远程终端设备，是监控、数据采集系统和水力灌溉系统之间的接口。主要目的是为了控制现场设备的输入和输出；监控现场设备，如水位、流速、闸门位置传感器和日志报警器，向区域单元和管理中心报告，并执行从区域单元或管理中心接收到的命令。

PLC为区域单元，主要目的是为了管理、监督和控制RTU，负责通信管理、信息接收和传输、数据采集处理、数据库组织、监督和控制。

2 水力模型控制

本文应用非恒定流水力模型SIC模拟灌溉渠道系统，用该模型求解圣维南偏微分方程，如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

式中：A为水域面积，m2；Q为横断面流量，m3/s；Z为水面高程，m；g为重力加速度，m/s2；i为渠道底坡；J为摩擦系数。

式(1)、式(2)分别为质量守恒方程和动量守恒方程。当式(1)、式(2)无法得出结果时，可由连续性方程和另一个可以检查结构的方程代替,如孔口出流式(3)：

Q=f(Zi,Zj,w)

(3)

式中：Zi为上游水位，m；Zj下游水位，m；w为闸门开度,m。

有堰情况下如式(4)：

Q=f(Zi)

(4)

式中：Zi为堰顶高程,m。

除此之外，SIC模拟式(1)、式(2)时可通过Preissmann隐式差分格式在时间和空间上实现离散化和线性化。

已知非恒定流水力模型可以模拟河流动力学，但是模拟情况与实际情况是否一致，还有待对比验证。因此，需对渠道闸门流量系数和水力粗糙度系数进行现场标定，结合试验数据作出渠道水力模型和现场数据的对比如图2和图3。

图2 蓄水池1前渠道水力模型和现场数据对比

图3 蓄水池2前后渠道水力模型和现场数据对比

现场施工过程中，闸门下游未被淹没。G1-G2闸门计算平均值为0.85，G3闸门计算平均值为0.57，G6闸门计算平均值为0.69，通常闸门计算平均值约0.60。如图2所示，前两个闸门的值不完全相同。在调整水力模型期间，为了使模拟结果和现场数据更吻合，需将这些闸门计算平均值分别修改为0.86、0.65和0.61。由于获得整个渠道的初始稳定水流是一个艰难的任务，所以模型调整比较困难。通过多次试验，在水流稳定、自由流动情况下，使用一般流量方程结合电流表读数得到三个渠道的闸门流量系数。水力糙度系数最终值为90.9 m1/3/s和76.9 m1/3/s，第二个水力糙度系数值为混凝土衬砌渠道的常用值。实际情况中，为防止渗透造成损失[3-4]，渠道表面可以用光滑的聚氯乙烯土工膜衬砌，故第一个水力糙度系数值也可用于渠道计算。

由图2(a)所示，在t=9.0 h时G1-G2闸门开启，流量突然从0.428 m3/s变化到0.785 m3/s；t=13.3 h时，流量又从0.785 m3/s变化到0.475 m3/s。在这过程中，G3闸门和G6闸门保持关闭状态，其他闸门保持相同开度。图2(c)中G4-G5闸门的上游水深初始值接近水深设计值1.68 m，图3(b)中G7-G8闸门的上游水深初始值接近水深设计值1.43 m。结合图2和图3对现场数据进行模拟分析后，综合考虑整个渠道水流稳定情况，得可将t=8.5 h时的现场数据作为模拟初始值。

3 自动控制系统

3.1 闸门流量控制器

闸门流量控制器的主要目标是获得并保持两个闸门组的设计流量。Q为控制器计算的两个闸门的整体流量，也是与闸门上游水深hm和闸门下游水深h1相关的一个函数，在自由出流或淹没出流情况下均可用式(5)进行计算：

(5)

式中：L为与闸门相关的堰长或闸门宽度,m;ka=kFμ、kb=kF1μ1，其中kF、kF1为缩减系数,μ、μ1为自由流动条件下的流量系数。

应用控制器计算两个闸门的整体流量Q与闸门目标流量Qref进行对比，得到误差e，e可用式(6)表示：

e=Qref-Q

(6)

当e>0时，打开闸门；当e<0时，关闭闸门。

3.2 水深控制器

自动水深控制器算法的最后一个模块是由直接控制器向闸门的制动器发送控制命令(打开/关闭/停止)。在这种情况下，也可由操作员同步或单独向两个闸门发送控制命令。当G4闸门设定值等于G5闸门设定值时，闸门位置控制器模块可建立预定义闸门位置。根据对应G4和G5闸门设定值，控制器输入G4和G5闸门开度测量值的偏差。作为直接控制器，闸门位置控制器也可用手动闸门操作，除了直接控制器块外，还有以下控制块：

(1)误差计算eh。它是算法输入，当eh>0时，控制器向制动器发送关闭闸门的命令；当eh<0时，控制器向制动器发送打开闸门的命令。

(2)PI控制器。由PI控制器计算闸门开度，获得控制水深的目标值。

(3)损坏补偿器。在手动控制或维护中，当其中一个闸门出现故障时，该模块将对闸门的开启进行相应补偿。

3.3 调节水深控制器

经过调整、验证和确认，水力模型可直接使用SIC作为控制研究的工具，它包含定义控制的程序，也可直接用于控制器的调整和性能分析。最常用来调整PI控制器的方法是迭代法，其缺点是几个互连的控制器不能保证全局最优。

对于灌溉渠内的水位，闸门振动与相应目标值发生较大偏差时非常危险，渠道漫顶或排空时也会带来风险并造成执行器执行故障。为了降低此风险，我们通过不同的初始值来模拟控制器的比例参数和积分参数，对此进行研究分析。

模拟结果如图4所示，图4(a)渠道设计流入量发生了四次变化：流量从50%～70%、70%～50%、50%～30%和30%～50%。图4(b)考虑G3和G6闸门的流出量，避免超过渠道的设计流量。图4(c)闸门运动是稳定的，没有发生振荡。图4(d)在水深控制器的精确控制之下，瞬时最大误差为±0.04 m。当水流扰动到达闸门时，引起水深变化，水深控制器自动调节，对应误差开始减小直至完全消失。

图4 调节水深控制器的模拟结果

3.4 评估水深控制器的性能

经过调整，水深自动数字控制器可合理应对任何水力扰动。为了评估水深控制器的性能，对比以下两种渠道的运行方案：

(1)模拟时间t=10.0 h，对于渠道进口和G3、G6闸门排水口，流量从50%增加到80%。

(2)模拟时间t=10.0 h，对于渠道进口和G3、G6闸门排水口，流量从50%减少到20%。

对比结果如图5、图6所示，当上游对流量变化有较灵敏的控制时，流量增加时的水力特性比流量减少时的水力特性更稳定。图5(c)和图6(c)这两种情况下，闸门运动都是循序渐进的，相对稳定且没有发生振荡。图6(c)中随着流量减少，需要先将闸门打开，然后再关闭闸门。因为随着流量的减少，每个渠道内的多余流量均可通过渠道末端的闸门流出。在第一阶段时，由于这个原因，闸门附近的流量增加，导致闸门开度增加，随着渠道排空，闸门才逐渐关闭。因此，根据文中系统控制闸门的启闭时机，表明控制器系统的应用是合理的。图5(d)中流量增加的误差几乎为零，图6(d)中位于下游的G7-G8两个闸门在流量减少时，最大误差在几分钟内变化了0.04 m。因为渠道进口和出口流量减少时，流量在瞬态流动过程中沿下游方向增加，从而导致闸门起闭的误差增加。

图5 瞬时流量从50%增加到80%时对应控制器的性能

图6 瞬时流量从50%减少到20%时对应控制器的性能

4 结 论

本文介绍了一种可安装于渠道的监控和数据采集系统，经过现场调试和验证，该控制器可自动调节水深。选择控制器时需考虑渠道设计、渠道输水能力和控制器产生故障时的风险，本文在此基础上优化调整了水力模型，使得渠道应用水深自动控制器后产生的误差较小，能保证将水深快速收敛至设计值。