水庫(kù)取水閘門(mén)調(diào)度與運(yùn)行技術(shù)研究

王篤豐

（黑龍江省水利水電集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 控制系統(tǒng)的執(zhí)行方案

控制系統(tǒng)的執(zhí)行方案如圖1 所示，借助配合相關(guān)水庫(kù)的經(jīng)驗(yàn)流量、庫(kù)中實(shí)際水位、庫(kù)中水質(zhì)指標(biāo)、緊急事件模型等邊界約束的條件生成相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)相互融合的數(shù)學(xué)模型來(lái)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的調(diào)度動(dòng)作的命令，綜合過(guò)往調(diào)度工作的經(jīng)驗(yàn)，最終得到相關(guān)調(diào)度操作的信息。

圖1 系統(tǒng)執(zhí)行方案方框圖

本文采用的數(shù)據(jù)信息融合方案的初始信息源于相關(guān)傳感裝置單獨(dú)作用過(guò)程中捕捉到的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過(guò)融合操作生成代表系統(tǒng)整體狀態(tài)的綜合性信息數(shù)據(jù)，使得所有傳感器裝置體現(xiàn)出整體的優(yōu)勢(shì)，提升傳感器裝置的魯棒性以及有效性，有效解決單個(gè)傳感器裝置的局限性，融合水庫(kù)系統(tǒng)的容量、水位、流量等方面的傳感器裝置的信息和數(shù)據(jù)從而獲得水庫(kù)系統(tǒng)的全方位信息，給出水庫(kù)系統(tǒng)水量平衡的數(shù)學(xué)模型和水量數(shù)值變化的相關(guān)計(jì)算公式，并且求出水庫(kù)系統(tǒng)庫(kù)容變化的曲線以及閘門(mén)部位水位差指標(biāo)的靈動(dòng)速度的變化曲線，可用在水量指標(biāo)平衡數(shù)學(xué)模型的參數(shù)求解中。隨后把水庫(kù)系統(tǒng)的調(diào)度信息、運(yùn)行故障信息、邊界條件等參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行二次融合操作，通過(guò)系統(tǒng)的時(shí)序分析和參數(shù)回歸分析等操作進(jìn)而獲得閘門(mén)裝置的相關(guān)調(diào)度指令[1]。

2 水庫(kù)水量變化的主要規(guī)律

綜合數(shù)據(jù)信息融合的操作方法的評(píng)估量獲得水庫(kù)系統(tǒng)水量參數(shù)方程中的重要變量，水閘流速液位數(shù)值差的變化函數(shù)的參數(shù)曲線和水庫(kù)的庫(kù)容變化的參數(shù)曲線。通過(guò)數(shù)學(xué)方法擬合之后獲取的參數(shù)值和相應(yīng)的數(shù)據(jù)新生成水庫(kù)系統(tǒng)的水量平衡操作模塊，此模塊可以通過(guò)計(jì)算來(lái)產(chǎn)生優(yōu)化后的相關(guān)調(diào)度命令。

2.1 相關(guān)數(shù)據(jù)的主要來(lái)源

本文研究過(guò)程中使用數(shù)據(jù)源于被研究水庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)系統(tǒng)，實(shí)際操作過(guò)程中以min 作為間隔的單位，一共調(diào)取了2018 年11 月22 日至2019 年11 月23 日期間的3 個(gè)水閘裝置的6 個(gè)開(kāi)度的信息數(shù)據(jù)，全部6 個(gè)液位計(jì)裝置測(cè)量到的液位數(shù)值，閘門(mén)裝置的過(guò)水量，多種相關(guān)故障記錄及多類污染物的相關(guān)信息數(shù)據(jù)。為方便后期的分析和研究，首先對(duì)于各類數(shù)據(jù)信息實(shí)施預(yù)處理[2]。3 個(gè)水閘的開(kāi)度分別具有左、中、右開(kāi)度信息，其用于表示水閘開(kāi)啟狀態(tài)下對(duì)于閘門(mén)的高度，用其平均數(shù)值代表水閘開(kāi)度的參數(shù)值，即為K1、K2 和K3，3 個(gè)水閘的寬度數(shù)值并非相同取值，因此以K1d1、K2d2 及K3d3 代表水閘開(kāi)啟狀態(tài)的進(jìn)水水流的截面積參量，水閘裝置的進(jìn)水水流的總體截面積設(shè)為S1。

2.2 水量變化參數(shù)公式的數(shù)學(xué)擬合過(guò)程

可以把水庫(kù)系統(tǒng)視為一個(gè)封閉類型的簡(jiǎn)單體系，對(duì)于水庫(kù)系統(tǒng)，入庫(kù)水唯有進(jìn)過(guò)水閘流入的部分以及源于自然降水的這2 個(gè)主要部分，出水庫(kù)的水唯有經(jīng)過(guò)供水總管道流出的部分以及通過(guò)蒸發(fā)損失的這2 個(gè)主要部分，水庫(kù)系統(tǒng)內(nèi)的總水量為面積數(shù)值乘以水位的高度數(shù)值。因此它們之間要符合的關(guān)系是：水量的變化=進(jìn)水量J－出水量G+外部要素（自然降雨以及蒸發(fā)等）。

根據(jù)圖2 我們可以看出，如果處于進(jìn)水量＞出水量的情況下，水庫(kù)系統(tǒng)的水量將會(huì)增加；反之在進(jìn)水量＜出水量的情況下，水庫(kù)內(nèi)的水量將會(huì)降低。如果前2 天的日進(jìn)水量減少到0 的時(shí)段內(nèi)，水庫(kù)系統(tǒng)的水量變化曲線會(huì)發(fā)生向下方向的波動(dòng)情況；中午的時(shí)段，進(jìn)水量數(shù)值保持恒定，出水量數(shù)值發(fā)生向下方向的波動(dòng)情況。此時(shí)水庫(kù)系統(tǒng)的水量數(shù)值向上變化的趨勢(shì)就會(huì)出現(xiàn)減緩的情況，說(shuō)明相關(guān)水庫(kù)水量的變化規(guī)律和趨勢(shì)是比較準(zhǔn)確的。

圖2 進(jìn)、出水量和水庫(kù)系統(tǒng)原有水量變化對(duì)比圖

2.3 各個(gè)季節(jié)采樣效果的研究

對(duì)于各個(gè)不同的季節(jié)，水庫(kù)的水量變化之間會(huì)發(fā)生顯著的差異，和水體流速正向相關(guān)的dv 值的波動(dòng)情況越明顯，相應(yīng)的效果就越偏離正確的方向，可見(jiàn)不應(yīng)把水體的流速視為固定數(shù)值，應(yīng)該對(duì)其分別進(jìn)行相關(guān)變化規(guī)律的研究。本文選取季節(jié)特征明顯的1 月、4月、7 月以及10 月作為主要的對(duì)象來(lái)進(jìn)行相關(guān)的研究。對(duì)上述4 個(gè)月的信息數(shù)據(jù)實(shí)施數(shù)據(jù)的參數(shù)化擬合操作，此處表示每天總體進(jìn)水量、出水量及系統(tǒng)水量的變化量。得到的擬合結(jié)果顯示，水庫(kù)系統(tǒng)的進(jìn)、出水量和總體流量直接關(guān)系到水庫(kù)系統(tǒng)的水量變化趨勢(shì)，具有一定程度的關(guān)聯(lián)性[3]。

2.4 閘門(mén)裝置出水位差和流速之間的關(guān)系

因?yàn)殚l門(mén)部位的水位差值將會(huì)對(duì)于進(jìn)水速度發(fā)生直接的影響，需要對(duì)水位差和流速的關(guān)聯(lián)性實(shí)施研究，關(guān)聯(lián)性的強(qiáng)弱使用sig 值來(lái)體現(xiàn)，此數(shù)值越趨近于0，表明關(guān)聯(lián)性越高，通常sig 值＜0.05 的時(shí)候，能夠認(rèn)定關(guān)聯(lián)性明顯。對(duì)1 月、4 月、7 月以及10 月的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)施dv 值和閘門(mén)部位水位差數(shù)值關(guān)聯(lián)性研究，獲得的關(guān)聯(lián)系數(shù)的數(shù)值均為正值，因此dv 值和閘門(mén)水位差數(shù)值屬于正相關(guān)的關(guān)系。

2.5 水庫(kù)的庫(kù)容變化曲線

水庫(kù)系統(tǒng)的庫(kù)容變化曲線，因?yàn)闇y(cè)量裝置存在的誤差及水體表面存在的自然波動(dòng)，如果間隔的時(shí)間過(guò)短將會(huì)引起較大的誤差，因此設(shè)定1 h 作為時(shí)間間隔的數(shù)值，選取全年關(guān)閘期間的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行擬合操作。水庫(kù)的庫(kù)容變化曲線比對(duì)圖如圖3 所示，由于擬合操作的結(jié)果均源于水位的檢測(cè)數(shù)據(jù)，水位的有效值可以選取1.9～3.2 m。擬合的庫(kù)容曲線和水庫(kù)方提供的庫(kù)容曲線大體是重合狀態(tài)，驗(yàn)證了擬合曲線的準(zhǔn)確性。

圖3 水庫(kù)的庫(kù)容變化曲線比對(duì)圖

2.6 水位差的流速變化曲線

水位差的流速變化曲線可由水庫(kù)的庫(kù)容變化曲線及全部時(shí)刻的水位差Δf 來(lái)求得。以1 h 為時(shí)間間隔來(lái)進(jìn)行取樣操作，擬合得到如圖4 所示的結(jié)果，調(diào)換橫、縱坐標(biāo)后進(jìn)行二次項(xiàng)擬合后可以獲得相應(yīng)的擬合曲線[4]。

圖4 水位差的流速變化曲線

3 水庫(kù)取水閘門(mén)相關(guān)調(diào)度技術(shù)方案及運(yùn)行程序研究

3.1 水庫(kù)取水閘門(mén)相關(guān)調(diào)度開(kāi)閘技術(shù)方案

現(xiàn)階段水庫(kù)取水閘門(mén)相關(guān)工程技術(shù)人員基于現(xiàn)有的人工閘門(mén)相關(guān)調(diào)度基礎(chǔ)理論為前提條件，確定水庫(kù)閘門(mén)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制的解決方案，先假設(shè)相關(guān)技術(shù)調(diào)度間隔要求為上午8 點(diǎn)15 分準(zhǔn)時(shí)開(kāi)閘，水庫(kù)開(kāi)閘的液位最大安全高度是2.155 m。假如在8 點(diǎn)15 分以前水庫(kù)下液位降至2.175 m，那么水庫(kù)取水閘門(mén)相關(guān)工程技術(shù)人員提前開(kāi)閘確保在8 點(diǎn)15 分液位正好達(dá)到2.175 m；假如8 點(diǎn)15 分水庫(kù)閘門(mén)的液位仍然超出2.875 m，那么推遲一定周期進(jìn)行開(kāi)閘進(jìn)而確保達(dá)到8 點(diǎn)15 分開(kāi)閘相同的結(jié)果。基于此，水庫(kù)取水閘門(mén)開(kāi)閘相關(guān)調(diào)度一共有三種解決方案。

3.1.1 水庫(kù)取水閘門(mén)開(kāi)閘相關(guān)技術(shù)方案一

a 時(shí)刻水庫(kù)液位已經(jīng)達(dá)到了2.175 m，此時(shí)和8 點(diǎn)15 分間隔了將近8.5 h，則為了確保8 點(diǎn)15 分的液位仍然保持在2.175 m 范圍內(nèi)，水庫(kù)取水閘門(mén)相關(guān)工程技術(shù)人員必須從a 時(shí)刻到8 點(diǎn)15 分的總進(jìn)水量與總出水量一致，并且進(jìn)水流速v 符合相關(guān)技術(shù)要求。時(shí)間較長(zhǎng)液位差可以近似于沒(méi)有發(fā)生任何變化，那么此時(shí)刻就是水庫(kù)開(kāi)閘的時(shí)間。

3.1.2 水庫(kù)取水閘門(mén)開(kāi)閘相關(guān)技術(shù)方案二

8 點(diǎn)15 分的液位超出了2.155 m，與此同時(shí)水庫(kù)取水閘門(mén)相關(guān)工程技術(shù)人員一旦把水庫(kù)閘門(mén)開(kāi)閘的時(shí)間推遲a 小時(shí)，使得這a 小時(shí)的最大安全預(yù)測(cè)進(jìn)水量能夠符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。可以近似當(dāng)作是8 點(diǎn)15 分時(shí)水庫(kù)閘門(mén)液位是2.175 m，并且在8 點(diǎn)15 分準(zhǔn)時(shí)開(kāi)啟水庫(kù)閘門(mén)。與此同時(shí)，水庫(kù)取水閘門(mén)相關(guān)工程技術(shù)人員基于預(yù)設(shè)最大安全進(jìn)水量除以水庫(kù)閘門(mén)進(jìn)水橫截面積S 以及平均最大安全進(jìn)水速度v，能夠交匯處推遲的周期a，基于此，水庫(kù)閘門(mén)的開(kāi)閘時(shí)間是（8.5+a）這個(gè)時(shí)刻。

3.1.3 水庫(kù)取水閘門(mén)關(guān)閘相關(guān)技術(shù)方案三

水庫(kù)取水閘門(mén)相關(guān)工程技術(shù)人員將水庫(kù)閘門(mén)關(guān)閘時(shí)間的確定由第2 天開(kāi)閘的時(shí)間差進(jìn)行相關(guān)設(shè)定，設(shè)定水庫(kù)閘門(mén)關(guān)閘時(shí)間是a，實(shí)時(shí)最大安全水位是b m，那么水庫(kù)閘門(mén)關(guān)閘時(shí)間是（24.5+7.85-a）小時(shí)，因此根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果得出出水量完全滿足相關(guān)技術(shù)法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 水庫(kù)取水閘門(mén)運(yùn)行程序結(jié)果研究

水庫(kù)取水閘門(mén)相關(guān)工程技術(shù)人員針對(duì)2019 年12月3 日至7 日的重要數(shù)據(jù)信息進(jìn)行詳細(xì)研究與探索，取其平均開(kāi)閘液位與開(kāi)閘周期作為科學(xué)合理開(kāi)閘周期及相關(guān)開(kāi)閘液位高度，基于平均水庫(kù)開(kāi)閘閘門(mén)的橫截面積作為最大安全橫截面積，去除檢查地點(diǎn)一些偏高或者偏低的液位真實(shí)平均數(shù)值作為該周期的合理液位數(shù)值，基于某個(gè)太高或者太低的液位數(shù)值偏離最大安全數(shù)值的大小作為合理波動(dòng)區(qū)間。水庫(kù)閘門(mén)打開(kāi)角度的具體數(shù)值是水庫(kù)取水閘門(mén)相關(guān)工程技術(shù)人員經(jīng)過(guò)近似取整以后詳細(xì)處理得到的數(shù)值，該數(shù)值只能反映出近似值的大小，并沒(méi)有具體的意義。新技術(shù)解決方案具體操作過(guò)程中的極短周期內(nèi)急劇變化只代表在這個(gè)水位水庫(kù)取水閘門(mén)相關(guān)工程技術(shù)人員建議增加或者減少閘門(mén)的打開(kāi)角度，并不能代表水庫(kù)閘門(mén)的真實(shí)變化狀況。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，水庫(kù)取水閘門(mén)相關(guān)工程技術(shù)人員選取水閘門(mén)在線優(yōu)化系統(tǒng)的達(dá)成，為完成全部水庫(kù)閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)的半閉環(huán)模式自動(dòng)化目的打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此解決方案對(duì)于國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)水庫(kù)閘門(mén)的調(diào)節(jié)與控制具有非常精準(zhǔn)的把控，進(jìn)而最大限度地挖掘出水庫(kù)供水的全部潛能，確保水庫(kù)最大安全液位可以更加安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，也就確保相關(guān)水庫(kù)供水能力非常安全與平穩(wěn)。水庫(kù)取水閘門(mén)相關(guān)工程技術(shù)人員針對(duì)水庫(kù)換水時(shí)間的具體把控也能夠確保水庫(kù)內(nèi)水質(zhì)長(zhǎng)期保持在非常良好的供水狀態(tài)下，這就最大限度地保證了整個(gè)水庫(kù)供水周圍區(qū)域廣大人民群眾的用水需求與用水安全。