南水北调中线干线水质水量联合调控关键技术研究

摘要

南水北调中线总干渠是跨流域调水工程，其线路长、南北跨度大、供水范围广、全线采用自流供水且可利用水头有限、全线无在线调节水库等特点，使中线输水问题更加复杂。为了充分发挥中线工程的作用、实现工程的预期目标，需要根据中线工程的实际特点和运行限制条件，开展中线水质水量联合调控模型的研究，从而保证供水安全。本文主要研究成果如下:
　　(1)根据明渠非恒定流共性和中线渠道的特性，通过对节制闸、倒虹吸、分水口、渐变段等复杂内边界条件进行概化处理，将概化后的内边界条件与圣维南方程组进行耦合。同时采用稳定性好、计算精度高的Pressmann四点时空偏心格式对方程进行离散，并在此基础之上完成了能够处理复杂内边界的一维非恒定流数值仿真模型。并在此基础上完成了与非恒定流具有“相容性”的恒定非均匀流计算模型，开发了南水北调中线闸前常水位控制所需要的恒定流和非恒定流计算模块，为中线渠道运行仿真控制和应急事件调控打下基础。
　　(2)本文针对南水北调工程现实情况，建立基于均衡域的水质离散模型。该离散模型物理机理明确，且水质控制方程推导中考虑上风因子，对于以对流为主的河道污染物迁移扩散模拟的更加精确。并在此基础上构建了中线综合水质模拟模型，该模型可模拟九种水质参数，并可以以任何组合的方式进行模拟，为中线将来的突发水污染事件应急调控奠定了基础。
　　(3)通过对渠段特性、闸前常水位运行时候渠道的恢复特性分析，介绍了闸前常水位运行控制的方式，并在蓄量补偿的基础上并结合渠道水位变幅和水位波动等限制条件进行了改进。反馈控制采用水位-流量反馈控制，并对控制器进行了改进，避免了渠的解耦环节。最后将模拟计算结果与流量补偿和另外一种蓄量补偿计算结果进行了比较，从而证明了本文所提出的控制模型的合理有效性。
　　(4)在分析污染物传播速度的基础上，充分考虑渠道水位变幅限制和水位波动限制条件，研究了突发污染事件下的应急调控策略，提出了丹江口水库陶岔渠首污染和渠道突发水污染的调控策略。模拟结果表明该应急控制策略合理有效。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 南水北调中线工程概况

1．2 研究背景及意义

1．3 中线运行控制的特点和需要解决的问题

1．3．1 中线运行的特点

1．3．2 中线运行中需要解决的问题

1．4 国内外研究现状

1．4．1 明渠非恒定流模型研究现状

1．4．2 明渠运行控制研究现状

1．4．3 明渠水质模型研究现状

1．4．4 明渠突发水污染事件应急调控策略研究进展

1．5 研究内容、方法与技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究方法

1．5．3 研究技术路线

第二章 中线干渠明渠水流数值模拟

2．1 St．Venant方程组

2．2 方程组的差分

2．2．1 Pressimann四点时空偏心格式

2．2．2 St．Venant方程组离散

2．2．3 方程离散后线性化

2．3 方程内外边界条件的处理

2．3．1 外部边界条件处理

2．3．2 内部边界条件处理

2．4 线性方程求解

2．4．1 水深已知的上游外边界条件求解

2．4．2 流量已知的上游外边界条件求解

2．4．3 流量-水深关系已知的上游外边界条件求解

2．4．4 线性方程的求解步骤

2．5 恒定非均匀流计算模型

2．6 模型验证

2．7 本章小结

第三章 中线干渠明渠水质数值模拟

3．1 离散方程推导

3．1．1 移流扩散作用引起均衡域的物质变化量

3．1．2 污染物源汇项处理

3．1．3 离散方程及其系数

3．2 边界条件处理

3．2．1 上游边界

3．2．2 下游边界

3．3 分水口水质模拟

3．3．1 分水口上端处理

3．3．2 分水口下端处理

3．4 方程组求解

3．5 中线渠道概化及综合水质模型

3．5．1 中线渠道概化

3．5．2 水质变量之间的关系

3．5．3 水质变量的反应方程

3．5．4 模型基本方程

3．5．5 模型系数

3．6 模型验证

3．7 本章小结

第四章 中线干渠闸前常水位控制策略

4．1 闸前常水位运行方式分析

4．1．1 闸前常水位运行响应和恢复特性分析

4．1．2 流量与渠池蓄量的关系

4．1．3 明渠中水波分析

4．1．4 渠池闸前水位与分水口流量变化关系

4．1．5 流量变化所需的蓄量补偿时间

4．1．6 水位变幅限制

4．2 基于蓄量补偿的前馈控制策略

4．2．1 蓄量补偿原理

4．2．2 蓄量补偿时间的计算

4．3．3 蓄量补偿算法的改进

4．3 反馈控制策略

4．3．1 常规PID控制

4．3．2 位置式PID控制算法

4．3．3 增量式PID控制算法

4．3．4 改进PID控制算法

4．3．5 水位流量串级反馈控制

4．3．6 PID参数的整定

4．4 中线干渠闸前常水位运行仿真

4．4．1 仿真工况

4．4．2 控制性能指标

4．4．3 运行仿真结果

4．5 本章小结

第五章 中线突发污染事件应急调控策略

5．1 陶岔渠首污染调控策略

5．1．1 污染物传播速度

5．1．2 闸门调控策略

5．1．3 运行仿真模拟

5．2 渠道中突发污染调控策略

5．2．1 污染物传播速度

5．2．2 不启用退水闸时闸门调控策略

5．2．3 不启用退水闸时仿真模拟

5．2．4 启用退水闸时闸门调控策略

5．2．5 启用退水闸时仿真模拟

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间参加的科研项目和发表论文情况

致谢