水庫取水閘門優化調度運行關鍵技術

王海明，趙平偉，張薇薇

(1. 上海城投原水有限公司，上海 200125；2. 上海城投水務集團有限公司，上海 200002)

21世紀以來，國家更是重視水利工程的建設，水利工程高速發展。水閘作為重要水利工程之一，通過開閉閘門實現引水、攔水、泄洪、排水等重要功能[1-3]。

當今社會，計算機與信息技術高速發展，社會的方方面面都趨向智能化、自動化，在這樣的大趨勢下，勢必要采用新技術、新設備對整個水庫的閘門控制設備與管理進行現代化改造，推動水庫的智能化建設。由于智能系統在水利工程的發展較快，各個國家的發展也不平衡，現在還缺乏關于水利工程實現智能化系統的統計資料。就國家而言，美國、法國和日本走在世界前列，比較典型的有美國的大古力水電站和日本的玉原抽水蓄能電站。水庫閘門智能化控制系統的建立，不但能提高水庫信息采集的準確性和閘門控制的靈活性、快速性，而且可以進一步挖掘水庫的潛力，提升水庫運行的可靠性和安全性，更好發揮水庫運行的效益，同時，為上級部門制定防洪抗旱調度方案提供科學依據[4]。

本文中研究的某水庫取水閘總凈寬為28 m，中孔為通航孔，凈寬為14 m，可通航通行疏浚船舶，兩側邊孔各7 m。目前正常情況下，水庫早上8點左右開閘，邊孔閘和中孔閘交替開放，閘門開度約為1.5 m,閘門開啟時水位差在1 m以內；晚上10點左右關閘，關閘時庫內水位基本和庫外保持一致，閘門進水約13～14 h，水位最低在1.9～2.1 m，最高在2.9 m左右。水庫的最高水位受來水河流水位的影響，來水河流水位又受太湖水位、閘門下泄流量、潮汐、降雨量等多種因素的影響，且來水河流過往船只較多，來水河流水閘啟閉變化頻繁。在枯水時期，來水河流的最高水位會降低至2.6 m左右，最低水位會降至2.3 m左右，此時水庫進水時間要更長。

換水周期，即水資源的傳遞更新速率，是湖泊水環境的一個重要參數，影響著水體中污染物與營養物的濃度與停留時間，同時，還會對水體中發生的生物與化學反應過程時間長短造成巨大的影響[5]。換水周期的長短對于改善庫區的水質，防止藻類大規模暴發，充分挖掘水庫生態系統的自凈能力，保障整個水源地的供水安全十分重要。

由于水庫方不能提供水閘閘門流速，以及水庫庫容曲線精度不高，故本文結合數據融合的方法軟測量得到水庫水量變化方程中的關鍵變量，閘門流速液位差變化函數曲線與庫容變化函數曲線。根據擬合得到的參數與相關數據構建水庫水量平衡系統模塊，用于計算生成優化調度指令。

1 系統實現方案

系統實現方案如圖1所示，通過結合水庫的歷史來水流量、庫內水位、庫內水質、應急事件、庫內水位等約束條件建立數據融合的模型來生成調度指令，并結合歷史調度經驗，生成調度信息。

圖1 系統實現方案總圖Fig.1 Diagram of System Implementation Scheme

本文中數據融合方法的原始數據來自于各傳感器的獨立觀測數據，通過融合產生表示整個系統狀態的綜合數據，發揮多個傳感器的聯合優勢，提高傳感器系統的有效性和魯棒性，消除單一傳感器的局限性[6]。對于本項目，融合水庫容量、流量、水位等傳感器數據得到當前水庫的綜合信息，提出了水庫水量平衡模型及水量變化公式，分別求出水庫庫容曲線和閘門水位差流速曲線，用于水量平衡模型關鍵參數的計算。最后,將水庫信息、調度信息、故障信息、約束條件等信息再次融合，通過時間序列分析與回歸分析[7-10]等方法得到閘門調度指令。

2 水庫水量變化規律

結合數據融合的方法軟測量得到水庫水量變化方程中的關鍵變量，閘門流速液位差變化函數曲線與庫容變化函數曲線。根據擬合得到的參數與相關數據構建水庫水量平衡系統模塊，用于計算生成優化調度指令。

2.1 數據來源

所有的數據來源于本文研究水庫的數據庫系統，以分鐘為單位，共調取2017年11月23日—2018年11月22日一年的3個閘門6個開度信息，6個液位計的液位，閘門過水流量，多項故障記錄以及多種污染物等信息。為了便于之后的分析，先對各項數據進行預處理。

3個閘門開度分別都有左中右開度，代表閘門開啟時相應閘門距離的高度，以其平均值作為閘門開度的代表K1、K2、K3，又由于3個閘門的寬度并不完全相等，以K1d1、K2d2、K3d3作為閘門開啟的進水截面積，則閘門進水總截面積S1如式(1)。

S1=K1d1+K2d2+K3d3

(1)

若閘門進水流速為v，閘門進水流量如式(2)。

J=(K1d1+K2d2+K3d3)v

(2)

其中：J——水庫取水閘進水流量,m3/s；

K1、K2、K3——3個閘門的開度,m；

v—取水閘進水流速,m/s。

2.2 水量變化公式擬合

將水庫看作一個封閉的簡單系統，對水庫而言，入庫的水只有通過取水閘門流入的部分和來自降雨的部分，出庫的水只有通過供水總管流出的部分和自然蒸發的部分，水庫里的水量等于水庫面積乘以液位高度。因此，它們之間滿足基本關系：水量變化=進水量J-出水量G+其他因素(降雨，蒸發等)，如式(3)。

(3)

其中：S2——水庫表面積,m3；

Δh——水庫液位變化量,m;

G——水庫出水流量,m3/s；

other——其他影響因素。

其中，蒸發量與降雨量的作用影響可忽略不計，故公式可簡化為式(4)。

(4)

其中v與S2均為未知量，這里選取1月15日—1月20日的數據進行初步計算，因為有2個未知數，首先排除v的影響，則僅考慮關閘時段的數據。為了排除S2的影響，令Δh為0，則選取同一水庫液位的若干數據。經過擬合得到dv、S2，使用得到的參數計算進水量和水庫水量，對比出水流量如圖2所示。此處的進水流量和出水流量均反應實時的進出水速度，水庫水量并不對應左側y軸的數值，僅反應其水量的多少。

由圖2可知，在進水流量大于出水流量時，水庫水量增加；而在進水流量小于出水流量時，水庫水量減少。同時，在前兩日進水流量降為0的小段時間內，水庫水量曲線出現了明顯的向下波動；而在每天的大約中午時分，進水流量不變，出水量有一個向下的波動。此時，可以看到水庫水量向上的趨勢有一個明顯的減緩，說明研究的水庫水量變化規律基本正確。

圖2 進出水量及水庫原水量對比圖Fig.2 Comparison of Raw Water Inflow and Outflow and Reservoir Capacity

2.3 不同季節效果分析

不同季節的水量變化存在很大的差異，與流速直接相關的值dv波動越大，對應的效果就越差，由此不應將流速看作一個固定值，而應當對其分別分析研究變化規律。選擇季節特征較為明顯的月份1月、4月、7月和10月作為研究對象。

圖3 4個月份進出水及原水量變化對比圖Fig.3 Comparison of Water Inflow and Outflow and Reservoir Capacity during Four Months

同樣，分別對4個月份的數據重新進行參數擬合，由于計算了一個月的數據，此處并不是進出水流速和水量的實時數據，而是代表每一天總體的進水量、出水量以及水庫水量的實際變化量。得到的進水量，圖3為水庫水量變化與出水量對比圖。針對4個月的數據重新進行擬合得到的結果，可看出水庫進出水量與總管流量直接影響水庫水量變化，存在一定的相關性。

2.4 閘門水位差與流速關系

由于閘門水位差會直接影響進水水流速度，故對閘門水位差與流速的相關性進行研究，現對其作斯皮爾曼相關性分析。相關性的強弱由sig值表示，該值越接近于0，則說明相關性越強，一般當sig值小于0.05時，可認為相關性顯著。分別對1月、4月、7月、10月的數據進行dv值與閘門水位差的相關性分析，得到的相關系數的符號均為正，故判斷dv值與閘門水位差為正相關，如圖4所示。

圖4 4個月份預測dv值和水位差相關性分析Fig.4 Correlation Analysis of Predicted Water Inflow Velocity and Water level Difference during Four Months

2.5 水庫庫容曲線

由上一小節得知流速與水位差為正相關，又水庫庫容與液位值相關，則水庫水量變化公式可優化為式(5)。

(5)

其中：S(h)——水庫庫容曲線函數；

v(Δf)——水位差流速關系函數；

Δf——取水閘門內外水位差,m。

S(h)比v(Δf)更好求取，只要取關閘時的數據便可得到一系列連續的數據。而如果先求v(Δf)只能得到一系列間斷的點，易出現誤差，因此，先求取水庫庫容曲線。

由于測量儀器的誤差以及水面的波動，間隔時間過短會導致很大的誤差，則以1 h為間隔，選取全年關閘時段的數據擬合，剔除部分誤差數據后，得到水庫庫容曲線的導數函數如式(6)。

S(h)’=20.259h+155.45

(6)

以水庫運營方和監測方給出的水庫庫容曲線的公共點作為基準值，得到優化后的水庫庫容曲線擬合如式(7)。

S(h)=10.129h2+155.45h+425.384

(7)

圖5為3方水庫庫容曲線比對圖，因為曲線擬合結果取自監測水位數據，故有效水位為1.9～3.12 m。可以看到，擬合得到的水庫庫容曲線與水庫運營方給出的水庫庫容曲線基本重合，在中間某些值上略低于運營方曲線，而這兩者的值均要高于監測方報告中的值，從而驗證了擬合得到的水庫庫容曲線的準確性。

圖5 3方水庫庫容曲線比對Fig.5 Comparison of Three-Way Curves for Reservoir Capacities

2.6 水位差流速曲線

由上一小節已經求得了水庫庫容曲線，且所有時刻的水位差Δf已知，則水位差流速曲線可由此求得。以1 h為間隔取樣，對全年的數據進行回歸分析，擬合得到結果如圖6所示，將橫縱坐標調換后的二次項擬合得到擬合曲線。

圖6 水位差流速曲線擬合Fig.6 Velocity Curves Fitting of Water Level Differences

3 閘門調度方案與程序運行結果

3.1 閘門調度開閘方案

以目前已有的人工閘門調度基本規律為基礎，確定閘門自動調控的基本方針，先假定調度要求為8點開閘，開閘液位為2.0 m。如果在8點之前液位降達2.0 m，則提前開閘使8點液位剛好為2.0 m；如果8點的液位仍超過2.0 m，則推遲一定的時間開閘使得達到8點開閘同樣的效果。故閘門開閘調度存在兩種方案。

(1)開閘方案一

a時刻液位已經到達2.0 m，此時與8點相隔(8-a) h，則為使8點的液位依舊為2.0 m，則從a時刻至8點的進水量和出水量相同，出水量取平均總管流量86 662 m3/h，進水量為86 662(8-a) m3，進水流速v滿足式(8)。

Δf=0.057 3υ2+ 0.089 9υ-0.018

(8)

時長較短液位差可近似認為不變，則根據液位差可求得進水流速v，則以進水量86 662(8-a)除以進水截面積S和進水流速v可得需提前開閘的時長b，則(8-b)時刻即為開閘的時間。

(2)開閘方案二

8點的液位超過了2.0 m，為xm，此時若將開閘的時間推遲ah，使得這ah的預測進水量滿足式(9)。

J=10.129(x2-4)+155.45(x-2)

(9)

則可近似看作是8點時液位為2.0 m且8點開啟閘門。同樣，以預測進水量除以進水截面積S以及進水流速v可得到推遲的時間a，則開閘時間為(8+a)時刻。

(3)關閘方案

關閘時間的確定由第2 d開閘的時間差確定，設關閘時間為a，實時水位為bm，則關閘時長為(24+8-a) h，出水量滿足式(10)。

G=86 662(32-a)

(10)

a與b滿足關系式(11)。

8.666 2(32-a)=10.129(b2-4)+155.45(b-2)

(11)

當a=0時即為關閘時間，若當第2 d為施工作業時，為了保證第2 d 8點的液位低于2.0 m，則取指標如式(12)。

a=10.129(b2-4)+155.45(b-2)

-8.666 2(24+7-a)

(12)

3.2 程序運行結果示意

對2018年11月1日—5日的數據進行分析，取其平均開閘液位和開閘時間作為假想的理想開閘時間和開閘液位，以平均開閘閘門截面積作為理想截面積，剔除檢查點某幾個過高或過低的之后的液位平均值作為該時刻的理想液位值，以某幾個過高或過低液位值偏離理想值的大小作為允許波動范圍，其值如表1所示。

程序運行后的結果示意和原調度方案以及液位如圖7所示。開度的值為經過近似取整數處理后的值，僅反應近似大小，無具體實際意義。新方案建議中的短時間急劇變化僅代表在此處建議增大或減小閘門開度，不代表實際變化。同時，新方案建議中僅考慮了開閘方案，關閘方案由于原定方案中的關閘后對液位變化產生了干擾，且與開閘方案不同，關閘方案是即時性的，所以不便進行新方案判定，此處不予考慮。

表1 開閘數據分析Tab.1 Data Analysis While Water Intake Gate Opening

圖7 程序運行結果Fig.7 Result of the Program Run

由圖7可知，假定的運行結果給出的閘門調度建議和原方案大體相似。由于明確具體的計算在開閘時間上和原開閘方案略有出入，并在檢測到水庫水量過低或過高時提出了增大或減小閘門開度的建議，勢必會使水庫的液位變化更加平穩，滿足供水要求也不會導致液位過高影響換水周期進而影響水質。

4 總結與展望

取水閘門在線優化系統的完成對于完成整個水庫閘門控制系統的半閉環自動化控制奠定了研究基礎。本文實現了取水閘門調度相關信息的預處理和分析，由此分析了水庫水量的變化規律，給出了水庫庫容曲線和液位差流速曲線，并由該兩條曲線對水庫水量的變化規律作出了更精確的描述，結合水庫水量變化方程與歷史調度規律計算得到優化后的閘門調度指令。該工作的解決方案對于水庫閘門的調控有了更精確的把握，進一步挖掘了水庫的供水潛能，使得水庫液位能夠更加平穩、安全，也就使得水庫供水能力更加的穩定。對于水庫換水周期的把握也能使得水庫里水質常年維持在更加良好的狀態，這使得整個水庫供水地區人們的用水需求得到了一定的保證。同時，也對水庫的生態系統起到了一定的保護作用。在閘門調控的方案中，考慮了進水流量過大對水庫基底的沖擊作用，以及進水量過小導致水位在最低預警液位之下的隱患，這也使得對整個水庫以及供水調度起到了一定的緩沖保護作用。同時，因為在晚上對閘門的水位進行了監控，減小了工作人員的壓力，也增加了夜晚對突發事件的反應能力，減小了危險事故的發生率。雖然已經基本完成了設計的目標，但是本設計還存在著一些方面的不足。在之后的研究中，可以在調度方案的設計中將污染的因素考慮進去。還對來水河道的液位進行分析綜合考量來設計更為合理的調度方案，并考慮對分類為特殊情況的閘門時間序列進行分析找到其共同特征規律，完善相關具體模塊以得到完整的可實際運行的相關程序，為水閘的自動化控制系統添磚加瓦。