[发明专利]一种明渠倒虹吸水位自动控制方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种明渠倒虹吸水位自动控制方法及系统，是一种自动控制的系统和方法，是一种使用控制理论控制水道中水流的系统和方法，是一种专门控制倒虹吸水道的系统和方法。

背景技术

随着经济社会的发展，水资源供需矛盾日益突出，许多地区修建了长距离大型明渠工程，将水从水源地输送到沿途的分水口及下游。为了维持分水口处水位的稳定，调节输水流量，沿途会设置多级节制闸，将渠道分隔为相串联的多个明渠渠段。当渠道遇到平面交叉的道路或河沟时，常常修建倒虹吸工程，使水从路面或河沟下穿过。为节约成本，便于管理，通常将位于倒虹吸出口的工作闸兼用作渠道的节制闸。与修建相同功能的渡槽相比，倒虹吸具有造价低、施工方便等优点，但同时具有水头损失大，工作闸运用管理复杂等缺点。

水流通过倒虹吸工程，会损失一部分水头。根据水力学理论，水头损失同流量的平方成正比，因而对于一些流量变幅较大的倒虹吸，在小流量下其入口会出现水位过低的状况，易导致倒虹吸内出现有压与无压交替的明满流过渡现象，引起管身的震动和结构破坏，恶化管道的正常工作条件。因此，必须对这些倒虹吸的入口水位加以调控，保证足够的淹没水深。

倒虹吸水位的调控会不可避免地引发渠道流量变化，关系到渠道的输水安全。虽然为预防水流漫溢，渠道堤防设置了超高，但为了经济，其高度随着沿程输水规模的减小而降低。这种情况下，上游供水量与下游需水量的不匹配很容易导致下游出现漫堤或是缺水，威胁输水安全。为避免上述问题的发生，需要调节各明渠渠段的入口闸门，将供需的不匹配向上游方向传递，实施按需定供，减少对下游输水的影响。

倒虹吸水位的调控过程是一个水力过渡过程，而该过程进行的快慢，影响着其上游渠道水力过渡过程进行的快慢，从而影响着整个渠道运行管理的效率与成本。因此，水位调控时，倒虹吸所在明渠渠段能够快速完成水力过渡过程十分重要。

传统的明渠渠段倒虹吸水位调控方式是：预先计算出不同流量下倒虹吸的水头损失，编制出不同流量、不同闸前水深下工作闸门的控制规程，由管理人员采用人工或半自动控制方式执行。由于调控采用的是倒虹吸出口的工作闸门，调控过程中通常会改变倒虹吸的下泄流量，从而影响下游明渠渠段的流量，易引起下游流量的大幅波动，导致供水不足或弃水。另一问题是闸门控制规程的编制过程中，未考虑所在明渠渠段水力过渡过程时间的长短，因而所制定规程对应的输水效率和效益往往不佳。最后，人工调控方式下，调控效率和精度均难以保证，亟需引入自动化的控制方法和系统。

综上，传统倒虹吸渠道的运行管理面临以下紧迫需求：一是渠道安全运行需求，即流量大幅变化时，在动态调节倒虹吸入口水位，保障足够的淹没水深的同时，不影响下游明渠渠段的流量，避免发生水量不足或弃水；二是高效运行需求，即在明渠渠段流量调整时，能在尽量短的时间内平稳地完成水力过渡过程；三是高水平管理需求，即实现控制过程的自动化监控，保障足够的控制精度，降低运行管理成本。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种明渠倒虹吸水位自动控制方法及系统。所述的方法和系统，首先保证倒虹吸入口具有安全的淹没水深，从而保障倒虹吸及渠道的运行安全；其次避免渠道下游缺水或弃水的发生，提高输水效率，降低运行成本。最后，所述方法和系统能在尽量短的时间内平稳地完成水力过渡过程，提高输水效率，并且实现控制过程的自动化监控，提高控制精度，降低运行管理成本。

本发明的目的是这样实现的：一种明渠倒虹吸水位自动控制系统，包括：一段明渠渠段，所述明渠渠段下游串接一倒虹吸，所述倒虹吸的下游设置工作闸，所述的工作闸设有倒虹吸出口水位传感器、倒虹吸出口流量传感器；所述的工作闸的工作闸启闭机构与工作闸PLC连接，所述的倒虹吸出口水位传感器、倒虹吸出口流量传感器和工作闸PLC与带有明渠渠段蓄量计算程序的控制与数据处理器连接，所述的明渠渠段上游设置节制闸，所述的节制闸设有节制闸闸前水位传感器、节制闸闸后水位传感器、节制闸开度传感器，所述的节制闸的节制闸启闭机构与节制闸PLC连接，所述的节制闸闸前水位传感器、节制闸闸后水位传感器、节制闸开度传感器和节制闸PLC与控制与数据处理器连接。

一种使用上述系统的明渠倒虹吸水位自动控制方法，所述方法的步骤如下：

输入控制系统参数的步骤：用于通过参数输入单元，设置输水明渠渠段、倒虹吸、节制闸、工作闸的物理参数以及控制系统的初始化参数；