[发明专利]长距离明渠输水工程同步控制自适应平衡调度方法

权利要求书

1.一种长距离明渠输水工程同步控制自适应平衡调度方法，其特征在于：包括下述步骤：

S1，构建渠道数字模型：

对全线渠道进行数字化处理，即按所述全线渠道节制闸对象、渠池对象、分水闸对象，分别对所述节制闸、渠池、分水闸进行数字化，构建长距离明渠输水工程数字模型；

S2，获取渠道运行状态数据：

通过现有自动化监控手段获取全线渠道运行状态数据，包括渠道上所有的节制闸、分水闸的开度、闸前和闸后水位、过闸流量；

S3，确定节制闸、分水闸的过流计算方法：

选用通用孔流计算公式，同时在所述通用孔流计算公式中把堰流状态作为特殊的孔流来处理，用于解决连续性问题；通用孔流计算公式见下式：

（1）

其中：

为流量系数，通过实测资料进行率定；为过闸流量；为闸门总宽度；为闸门综合开度；为闸门上游水位；为闸门下游水位；为过闸平均流速；为水下过闸断面的面积；

所述堰流采用公式（1）时，将闸门的综合开度变为闸门上游水位减去闸底板高程，见下式：

（1.1）

其中：

为流量系数；为过闸流量；为闸门总宽度；为闸底板高程；为闸门上游水位；为闸门下游水位；为过闸平均流速；

S4，确定调度控制目标：

所述调度控制目标包括：沿线渠道各分水口的用水量需求和各节制闸的闸前目标控制水位；

S5，长距离明渠输水工程同步控制指令生成方法：

从最末端渠池开始，根据调度控制目标逐渠池推求平衡状态各渠池流量及水面线，按每个渠池初始状态与平衡状态蓄量差计算得到每个渠池的蓄量补偿量，然后按照公式（2）和公式（3）自渠道下游至上游推求每个节制闸的过流量，通过公式（2）、（3）确定每个节制闸的目标过流量；根据每个节制闸的闸前目标水位及平衡状态闸后水位、所述节制闸的目标过流量，通过过闸流量公式（1）、（1.1）计算每个节制闸的闸门开度；通过改变每个渠池下游节制闸的闸前目标控制水位及每个渠池平衡时间，得到不同的同步控制指令；

（2）

（3）

式中：，分别表示第 j个渠池上、下游节制闸过流量；

：表示第 j个渠池所有分水闸的分水流量之和；

：表示第 j个渠池损失量；

：表示第 j个渠池运行稳定后渠池目标蓄量与渠池初始蓄量的差值；

：表示第 j个渠池上游节制闸最大过流能力；

N：为整个输水渠道节制闸的总数; 为第j个渠池平衡时间；

S6，渠道自适应平衡的模拟算法：

通过同步调整各渠池节制闸的开度，形成不同的渠道输水形态来满足沿线用户用水需求；具体步骤如下：

S6.1，自适应平衡调度水面线计算：

水流在渠池演进遵循水力学基本规律，水力学中描述明槽非恒定流运动规律以断面水深z和流量Q为因变量表示的圣维南方程组：

（4）

（5）

式中：B为水面宽；

t表示时间；

s表示流程；

Q表示流量；

q表示入流或引水；

A表示过水断面面积，K表示流量模数；

在明渠输水过程中，各渠池上游端属于恒定均匀流，渠池下游端属于恒定渐变流；对于恒定均匀流采用曼宁公式计算不同流量的水位；

明渠恒定均匀流的流量公式：

（6）

其中： Q_s为渠池上端过流量；

A_s为渠池上端过流断面的面积；

i为渠池的纵比降；

R为渠池上端的水力半径；

n为渠池慥率；

通过公式（6）计算出每个渠池过不同流量断面自由水深；

对于渠池下游端，由于受下游控制工程影响，渠道水流呈恒定渐变流状态，因此，通过明槽恒定渐变流基本方程，即圣维南方程组推求各渠池下游端水位；恒定渐变流的基本微分方程可简化为：

（7）

（8）

式中： i:为渠池的纵比降；

e:渠道沿程距离；

J:为水力坡度；

Fr:为弗劳德数；

Q_x:为渠池下端过流量；

A_x:为渠池下端过流断面的面积；

B:为水面宽；

g:为重力加速度；

a:为常数；

渠池水流演进分为自由水深段和淹没水深段，当渠池计算水深大于自由水深时渠池为淹没水深段，当渠池水深等于自由水深时为自由水深段；渠池上游为自由水深段、下游为淹没水深段；

通过公式（7）、（8）推求不同流量下渠池下游端水面线，不同流量下渠池上游端水面与渠池下游端水面相交，交点以上取上游端水面线，交点以下取下游端水面线，形成渠池水面线；

S6.2，将所述渠池水面线分为自由水深段、淹没水深段两个部分，渠池上游为自由水深段而下游为淹没水深段，所述自由水深段由公式（6）推求水面线，所述淹没水深段采用公式（7）、（8）联解推求水面线；

S6.3，自适应平衡的渠道模拟算法：

以渠池为单元，对全线的渠池状态按时间进行离散，即以全线渠道初始运行状态为初始条件，按照各闸门调度方案，以△t为计算时段，模拟计算一天全线渠池运行状态；

模拟计算时，每个渠池上游端闸后水位由过闸流量确定，每个渠池下游端闸前水位由渠池蓄量变化来确定；模拟计算时一天24小时按∆t时段进行离散；按照确定的调度方案进行渠道控制工程的调度，每个∆t时段，各闸门开度由调度方案给出；即：

S6.3.1，首先假定∆t时段所有渠池上游闸前水位不变，通过过闸流量公式及水位流量关系曲线确定渠池∆t时段上游工程进入渠池的流量Q_s和渠池下游工程出渠池的流量Q_x及每个节制闸下游水位；

S6.3.2，渠池∆t时段内上游进入渠池的水量为W1=Q_s×∆t，渠池∆t时段内下游出渠池的水量为W2=Q_x×∆t，∆t时段渠池蓄量变化为∆W=W1-W2；∆t时段末，保持每个渠池上游端水位不变，改变渠池下游端水位，每改变一次水位，通过公式（6）、（7）推求一次渠池水面线，计算一次蓄量变化；当渠池下游端水位变化引起的渠池蓄量变化正好等于所述∆W时，渠池下游水位即为∆t时段末渠池下游端水位；

S6.3.3，依次类推，推求每个∆t时段初及∆t时段末全线所有渠池闸前水位、闸后水位、∆t时段平均过闸流量、渠池蓄量。