灌溉渠道的監測及水深自動控制

艾合拜爾·毛拉

(新疆維吾爾自治區塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

1 灌溉系統

水力灌溉系統整體布置如圖1所示。有三個蓄水池，每個蓄水池上安裝一個泵站，主要是為地下灌溉壓力管網加壓。對于前兩個蓄水池，檢查結構控制蓄水池末端橫截面的水深。每個止回閥結構都有兩個獨立的閘門，如渠道進水口處的G1-G2閘門、G4-G5閘門、G7-G8閘門分別由自動執行器控制。蓄水池的分支由單獨的電動閘門控制，如G3閘門和G6閘門。通過此灌溉系統，可以減少每日渠道流入量的變化、縮短灌溉系統的響應時間、降低由控制系統引起的運行渠道水力損失[1-2]。

圖1 水力灌溉系統

SCADA為監控和數據采集系統，安裝該系統是為了能夠遠程手動控制流量，優化三個蓄水池的蓄水管理，并監督整個水力灌溉系統。

RTU為遠程終端設備，是監控、數據采集系統和水力灌溉系統之間的接口。主要目的是為了控制現場設備的輸入和輸出；監控現場設備，如水位、流速、閘門位置傳感器和日志報警器，向區域單元和管理中心報告，并執行從區域單元或管理中心接收到的命令。

PLC為區域單元，主要目的是為了管理、監督和控制RTU，負責通信管理、信息接收和傳輸、數據采集處理、數據庫組織、監督和控制。

2 水力模型控制

本文應用非恒定流水力模型SIC模擬灌溉渠道系統，用該模型求解圣維南偏微分方程，如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

式中：A為水域面積，m2；Q為橫斷面流量，m3/s；Z為水面高程，m；g為重力加速度，m/s2；i為渠道底坡；J為摩擦系數。

式(1)、式(2)分別為質量守恒方程和動量守恒方程。當式(1)、式(2)無法得出結果時，可由連續性方程和另一個可以檢查結構的方程代替,如孔口出流式(3)：

Q=f(Zi,Zj,w)

(3)

式中：Zi為上游水位，m；Zj下游水位，m；w為閘門開度,m。

有堰情況下如式(4)：

Q=f(Zi)

(4)

式中：Zi為堰頂高程,m。

除此之外，SIC模擬式(1)、式(2)時可通過Preissmann隱式差分格式在時間和空間上實現離散化和線性化。

已知非恒定流水力模型可以模擬河流動力學，但是模擬情況與實際情況是否一致，還有待對比驗證。因此，需對渠道閘門流量系數和水力粗糙度系數進行現場標定，結合試驗數據作出渠道水力模型和現場數據的對比如圖2和圖3。

圖2 蓄水池1前渠道水力模型和現場數據對比

圖3 蓄水池2前后渠道水力模型和現場數據對比

現場施工過程中，閘門下游未被淹沒。G1-G2閘門計算平均值為0.85，G3閘門計算平均值為0.57，G6閘門計算平均值為0.69，通常閘門計算平均值約0.60。如圖2所示，前兩個閘門的值不完全相同。在調整水力模型期間，為了使模擬結果和現場數據更吻合，需將這些閘門計算平均值分別修改為0.86、0.65和0.61。由于獲得整個渠道的初始穩定水流是一個艱難的任務，所以模型調整比較困難。通過多次試驗，在水流穩定、自由流動情況下，使用一般流量方程結合電流表讀數得到三個渠道的閘門流量系數。水力糙度系數最終值為90.9 m1/3/s和76.9 m1/3/s，第二個水力糙度系數值為混凝土襯砌渠道的常用值。實際情況中，為防止滲透造成損失[3-4]，渠道表面可以用光滑的聚氯乙烯土工膜襯砌，故第一個水力糙度系數值也可用于渠道計算。

由圖2(a)所示，在t=9.0 h時G1-G2閘門開啟，流量突然從0.428 m3/s變化到0.785 m3/s；t=13.3 h時，流量又從0.785 m3/s變化到0.475 m3/s。在這過程中，G3閘門和G6閘門保持關閉狀態，其他閘門保持相同開度。圖2(c)中G4-G5閘門的上游水深初始值接近水深設計值1.68 m，圖3(b)中G7-G8閘門的上游水深初始值接近水深設計值1.43 m。結合圖2和圖3對現場數據進行模擬分析后，綜合考慮整個渠道水流穩定情況，得可將t=8.5 h時的現場數據作為模擬初始值。

3 自動控制系統

3.1 閘門流量控制器

閘門流量控制器的主要目標是獲得并保持兩個閘門組的設計流量。Q為控制器計算的兩個閘門的整體流量，也是與閘門上游水深hm和閘門下游水深h1相關的一個函數，在自由出流或淹沒出流情況下均可用式(5)進行計算：

(5)

式中：L為與閘門相關的堰長或閘門寬度,m;ka=kFμ、kb=kF1μ1，其中kF、kF1為縮減系數,μ、μ1為自由流動條件下的流量系數。

應用控制器計算兩個閘門的整體流量Q與閘門目標流量Qref進行對比，得到誤差e，e可用式(6)表示：

e=Qref-Q

(6)

當e>0時，打開閘門；當e<0時，關閉閘門。

3.2 水深控制器

自動水深控制器算法的最后一個模塊是由直接控制器向閘門的制動器發送控制命令(打開/關閉/停止)。在這種情況下，也可由操作員同步或單獨向兩個閘門發送控制命令。當G4閘門設定值等于G5閘門設定值時，閘門位置控制器模塊可建立預定義閘門位置。根據對應G4和G5閘門設定值，控制器輸入G4和G5閘門開度測量值的偏差。作為直接控制器，閘門位置控制器也可用手動閘門操作，除了直接控制器塊外，還有以下控制塊：

(1)誤差計算eh。它是算法輸入，當eh>0時，控制器向制動器發送關閉閘門的命令；當eh<0時，控制器向制動器發送打開閘門的命令。

(2)PI控制器。由PI控制器計算閘門開度，獲得控制水深的目標值。

(3)損壞補償器。在手動控制或維護中，當其中一個閘門出現故障時，該模塊將對閘門的開啟進行相應補償。

3.3 調節水深控制器

經過調整、驗證和確認，水力模型可直接使用SIC作為控制研究的工具，它包含定義控制的程序，也可直接用于控制器的調整和性能分析。最常用來調整PI控制器的方法是迭代法，其缺點是幾個互連的控制器不能保證全局最優。

對于灌溉渠內的水位，閘門振動與相應目標值發生較大偏差時非常危險，渠道漫頂或排空時也會帶來風險并造成執行器執行故障。為了降低此風險，我們通過不同的初始值來模擬控制器的比例參數和積分參數，對此進行研究分析。

模擬結果如圖4所示，圖4(a)渠道設計流入量發生了四次變化：流量從50%～70%、70%～50%、50%～30%和30%～50%。圖4(b)考慮G3和G6閘門的流出量，避免超過渠道的設計流量。圖4(c)閘門運動是穩定的，沒有發生振蕩。圖4(d)在水深控制器的精確控制之下，瞬時最大誤差為±0.04 m。當水流擾動到達閘門時，引起水深變化，水深控制器自動調節，對應誤差開始減小直至完全消失。

圖4 調節水深控制器的模擬結果

3.4 評估水深控制器的性能

經過調整，水深自動數字控制器可合理應對任何水力擾動。為了評估水深控制器的性能，對比以下兩種渠道的運行方案：

(1)模擬時間t=10.0 h，對于渠道進口和G3、G6閘門排水口，流量從50%增加到80%。

(2)模擬時間t=10.0 h，對于渠道進口和G3、G6閘門排水口，流量從50%減少到20%。

對比結果如圖5、圖6所示，當上游對流量變化有較靈敏的控制時，流量增加時的水力特性比流量減少時的水力特性更穩定。圖5(c)和圖6(c)這兩種情況下，閘門運動都是循序漸進的，相對穩定且沒有發生振蕩。圖6(c)中隨著流量減少，需要先將閘門打開，然后再關閉閘門。因為隨著流量的減少，每個渠道內的多余流量均可通過渠道末端的閘門流出。在第一階段時，由于這個原因，閘門附近的流量增加，導致閘門開度增加，隨著渠道排空，閘門才逐漸關閉。因此，根據文中系統控制閘門的啟閉時機，表明控制器系統的應用是合理的。圖5(d)中流量增加的誤差幾乎為零，圖6(d)中位于下游的G7-G8兩個閘門在流量減少時，最大誤差在幾分鐘內變化了0.04 m。因為渠道進口和出口流量減少時，流量在瞬態流動過程中沿下游方向增加，從而導致閘門起閉的誤差增加。

圖5 瞬時流量從50%增加到80%時對應控制器的性能

圖6 瞬時流量從50%減少到20%時對應控制器的性能

4 結 論

本文介紹了一種可安裝于渠道的監控和數據采集系統，經過現場調試和驗證，該控制器可自動調節水深。選擇控制器時需考慮渠道設計、渠道輸水能力和控制器產生故障時的風險，本文在此基礎上優化調整了水力模型，使得渠道應用水深自動控制器后產生的誤差較小，能保證將水深快速收斂至設計值。