長距離明渠輸水系統運行控制方式的研究

2016-03-15 06:49:11占方晶

黑龍江水利科技 2016年12期

占方晶

(九江市水利電力規劃設計院，江西九江 332000)

長距離明渠輸水系統運行控制方式的研究

占方晶

(九江市水利電力規劃設計院，江西九江 332000)

對于長距離調水工程來說，無論是控制還是調度方面都很復雜，造成復雜的原因很多，比如線路跨度大、調節時間長、控制站點分布非常廣泛、流量大以及供水不能間斷等等。文章以上游、中點、下游常水位以及控制容易運行方式為重點研究對象，結合實例計算了下游及中點位常水位運行控制方式，通過模擬非恒定流典型數學模型，采用特征線法，計算不同控制方式下非恒定流過程。

明渠；輸水系統；運行；控制方式

對于長距離調水工程來說，無論是控制還是調度方面都很復雜，造成復雜的原因很多，比如線路跨度大、調節時間長、控制站點分布非常廣泛、流量大以及供水不能間斷等等[1-4]。在這種條件下，當運行水位偏離水位的正常情況時，要想調節渠道水流并讓其保持穩定，對其控制就會比較困難。且調水前如果可調節的水庫數量少，調蓄能力較差，也會增加調水的難度。以南水北調為例，在中線上的干渠線路上不存在可以調節蓄水的水庫，就導致運行存在較大的問題。此外，多水源調度也會增加調水系統進行控制的難度[5-7]。南水北調中線工程為好多個水源共同調水，當這些水源的供水來源不持續時，就需要經常地調整整條線路的水流，才能不斷滿足于隨時發生的變化。由于工程分水口多，且需水量不固定，這很大程度上增加了調水控制的難度。是否能夠科學地進行調度不僅影響工程的安全狀況，也影響工程的運行成本。

提升輸水系統運行效率、充分挖掘工程的潛力對輸水工程非常重要，同時對于提高系統運行的安全性和穩定性，也有較高的現實意義，最關鍵的是能夠保障工程的順利實施[8-9]。

1 算例介紹

對于渠道輸水工廠的運行和調度來說，有多種不同的控制方式。當然不同的控制方式渠道內所流淌的水其穩定性等特性也不同，這意味著流量變化后從一個狀態到新的穩定狀態所花費的時間長短不一、方式也有所變化。并且由于不同的控制方式對渠系水位和超高的要求不同，導致相對應的建設量也會有差距。長距離明渠輸水系統分為4種控制的方式，分別為上游常水位、下游常水位、中點常水位、控制容量法，這幾種方式是根據渠段里水位不動點的位置所劃分的。首先文章將會先對這幾種方式作簡單的說明，并詳細分析2種運行方式，中點常水位控制和下游常水位控制。再從恒定流和非恒定流的穩定時間、水位波動、蓄量變化等幾個方面進行相互對照分析，以驗證不同運行方式的優點和缺點。

文章列舉的計算實例是一個明渠輸水系統的渠首段，在此進行簡單地說明：渠段整體長度為30km，底部寬約40m，底坡1/25010，預設的流量為602 m3/s，糙率為0.015，邊坡系數為3。我們預設渠段的上段為一個水的深度一直維持在8.5m的大型水庫，運行到中點常水位時，水庫的深度為7.89m，下段在常規水位運行時，閘前該水庫的深度為7.456m，如圖1。

2 渠道運行方式介紹

2.1 下游常水位運行方式

該方式的控制點位于渠道下游，以便來調節下游段的水位使其保持在不變的狀態，該控制方式主要優點是建設的費用開支更少。這種運行方式下可將渠道的大小設計為能夠通過最大恒定流，恒定流狀態下水的深度不能超過所設計的正常狀態下水的深度。因為設計的流量大于棱柱體渠道的流量，同時設計水面線高于水面線，設計水面線坡度也大于水面坡度，因此渠道尺寸的超高才能夠做到最小，從而降低建造的花費，如圖2。

圖1 某工程渠首圖

圖2 下游常水位

圖3 上游常水位

其缺點是在這種運行方式需要更多的時間來達到新的穩定狀態，因為流量改變時需要調節的水體規模太大，導致調整水流所花費的時間較長。在下游常水位運行時前，應該提前預定用戶所需要的水的總量，進行調度、調整水流的時候才能夠有時間保障，以保證供水能夠有條不紊地進行。當然，如果用戶需水臨時發生改變，也會給渠道的運行及控制造成困擾。

2.2 上游常水位運行方式

這是維持上游的水深恒定不變無變化的一種控制方式，該方式所能控制的水流支樞點位于渠段的上游一側，一般設計的流量都會大于渠道的流量。為了將上游端的水深度維持恒定的狀態，設計水面線要位于水面線位的下面。從沒有流量到流量最大值之間的蓄量就可以充分被利用起來，對分水口、下游的蓄水發生的改變作出快速的反應，因此就達到了蓄水的目的，這也是該控制方式的主要優點；同時該控制方式也有缺點，為保證沒有流量的時候水面線保持在渠堤之下，這一段的渠岸一定是水平狀態，這就要更多的建設開支，因此應用較少，如圖3。

2.3 中點常水位運行方式

中點常水位控制即等容積控制，通過維持渠段的中點水位保持在恒定的狀態，在水的流量發生變動時，以渠池的中點為軸水面轉動，總的蓄量才得以保持穩定。中點常水位方式有利的是能夠快速調整渠道的水流情況。其不利的是必須抬高下游渠堤的堆砌高度。雖然與上游常水位方式相比，建設量相對要小得多，但是等容量運行方式人工不容易完成，必須用自動化進行控制操作，如圖4。

圖4 中點常水位

2.4 控制容量運行方式

控制容量即控制渠道中各個渠段的蓄水量，來進行整個渠段的調水工作。不同用水戶其需水量不同，用水情況也時常發生變化。通過調節渠段的蓄水能力可以滿足不同用戶的用水需求。渠段蓄水量作為控制容量運行的基本資料，應及時觀察流量和水深這兩個數值。如果渠段好比水庫的話，那么渠道就像串在一起的眾多水庫，渠段內的水面線不會恒定不變而是有時升高有時降低。控制容量運行方式的靈活度相對其他幾種來說屬于最高，沒有常水位的約束，只要保證水位波動在可以接受的范圍之內，在正常、非常及緊急各種情況下渠道都能夠輸水。對于突發情況來說，這種運行方式最能夠有效地進行控制，而若使用其它的運行方式時就需要啟動退水閘或調用調蓄水庫的水量。控制容量的方式也有自身的缺點，就是必須使用監控系統才能統一操作控制渠道系統，這導致在不能模擬渠道水力學的情況下，不容易完成復雜的控制容量方式。

3 不同運行方式下恒定流蓄量變化研究

設計渠道時，按照流量設計和渠道參數來確定固定流水面線，并明確渠道中不同點的水位設計高度。因此，在設計條件下，不管采用何種控制方式(下游常水位或等容積)，渠道的水面線都具有唯一性。可是當設計的流量大于渠道運行的流量時，渠道水面線與控制方式處于完全不相同的狀態。相同的渠道分別使用等容積和下游常水位運行方式時，零流量以及設計流量的Q=100m3/s水面線如圖5所示，文章所研究的兩種調度控制方式，均以設計流量和水面線均相同為前提條件。

圖5 不同運行方式下的水面線

從以上表圖及相關分析可知：

1)在流量運行平穩時，中點常水位的水面線比閘前常水位的水面線要高，所以與中點常水位相比，渠段總蓄水量要小的多。

2)如果輸水的流量調整減少，各個渠段的閘前常水位模式的蓄水總和將會有所減少；將渠道的中間作為臨界的界限，中點常水位模式下渠段蓄量變少，與之相反，中點常水位模式下渠段蓄量增大，但是總的蓄水量保持在一個水平不變。當流量調整有所增加時，情況恰恰相反。

3)如果輸水的流量變化基本相同，渠段內下游需要花費更多的時間來達到穩定，因為與需要改變的中點常水位調蓄水體的體積相比，下游常水位必須調整的水體體積更大一些。

4)分析可知，在流量變化相同的條件下，多渠段一起串聯的結果是渠段越多渠道就越長，下游常水位下，如果蓄水量的改變跨度越大，渠段也將消耗更多地時間來維持恒定。在中點常水位條件下，則不會因為渠段串聯在一起而增加總的調蓄體積，多個渠段完成蓄量改變的時間與單個渠段完成蓄量改變所消耗的時間基本相同。

4 基于非恒定流仿真下的不同運行方式比較

作為一個非恒定流過程，渠道的水流變化在渠道的實踐實施中的運行方式不同。不同的運行方式下，過渡時間以及渠道水位的波動時間也不盡不同。依照不同的運行方式，文章將各自創建不同的單渠道數學模型，來進行模擬非恒定流狀態。計算的前提條件是穩定狀態：如果某一狀態下的水深與新狀態下的水深的差值<0.00001，且時間足夠2h，那么我們普遍認為已經進入一個新的穩定性較好的狀態，該調度工況的穩定時間即為從開始穩定到一個新的穩定狀態所經歷的總時間。文章再次假設四種不同運行方式下游需水流量在60分鐘內分別為100-200m3/s，200-100m3/s，100-400m3/s，400-100m3/s。

模擬非恒定流數學模型，不同運行方式的斷面水位變化關系如圖6-圖13所示。