南水北调中线总干渠水量调度模型研究及系统开发

摘要

运行调度直接影响着长距离输水工程的运行安全和效率，是输水工程的中枢神经，对输水工程建设目标的实现具有决定性影响。为全面发挥南水北调中线工程效益、实现工程的规划目标、保障总干渠运行安全，需要根据中线工程特点和运行条件，研究科学的调度模型，开发高效的水量调度系统，以缓解可供水量、需调水量及渠道输水能力之间的矛盾，同时保证制定的供水计划能安全、高效的实施。论文依托“水体污染控制与治理”国家科技重大专项“南水北调水质水量联合调控与应急处置关键技术研究与运行示范”课题(2012ZX07205-005)和生产实践“南水北调中线一期工程总干渠供水调度方案研究与编制”项目，对南水北调中线水量调度系统中供水计划制定、水力学模拟模型、正常运行调度策略制定、系统集成等关键技术问题进行研究，并在南水北调中线京石段进行实际应用。论文主要研究内容如下:
　　 (1)分析了渠道运行自动控制的必要性，总结了现有渠道运行控制的方法和理论，提出了长距离输水渠道控制的特点和主要难点。
　　 (2)研发了南水北调中线供水计划生成模型。在已知水源水库可调水量过程、受水区需水过程等条件下，综合考虑渠道的输水能力、工程建设目标、用水户优先等级等条件，自动生成年、月供水计划，并可根据上一时段供水计划完成情况、最新来水情况、用户需求进行滚动修正。
　　 (3)研发了南水北调中线总干渠水力学模拟模型。中线总干渠的水流状态分为“明流”与“有压流”两大类。论文以Saint-Venant方程组作为模拟明流建筑物的基本方程，以低压管流方程作为模拟倒虹吸等有压建筑物的基本方程;模型离散、求解的基本思路与方法是:以节制闸为边界将全线分为若干渠段，渠段内部采用水流方程求解各水力要素，渠段之间以节制闸过闸流量方程为边界条件进行耦合，整个系统采用“二重迭代”的方式解决非线性耦合问题。
　　 (4)研究了南水北调中线总干渠正常调度前馈控制策略。论文根据渠段进出水量及渠段水体体积变化，制定了渠段上、下游节制闸的前馈流量过程，并根据南水北调中线工程运行特点和要求，实现了多渠段节制闸前馈流量过程的相互协调和衔接，从而制定了整个渠系的前馈控制策略。
　　 (5)研究了南水北调中线总干渠正常调度反馈控制策略。论文在对现有常用渠道控制方式进行调研和分析的基础上，根据南水北调中线工程的运行特点和要求，提出了多重嵌套的水位三点控制方式和水量三点控制方式。
　　 (6)构建了南水北调中线总干渠水量调度系统。采用数据库技术、计算机网络技术、地理信息系统技术，为各模型计算软件调用提供统一的操作界面，管理和维护各模型参数及运行结果，实现水量分配、闸门控制、输水调度等业务功能的一体化操作。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 中线总干渠水量调度需解决的主要问题

1．3 渠道自动控制研究进展

1．3．1 世界主要调水工程

1．3．2 国外渠道自动控制历史及现状

1．3．3 国内渠道自动控制进展

1．4 论文定位及选题意义

1．5 渠道自动控制的特点及难点

1．6 主要研究内容

1．7 本章小结

第二章 供水计划编制模型

2．1 供水计划编制思路

2．1．1 水资源分配准则

2．1．2 中线工程供水的特点

2．1．3 两部制水价

2．1．4 北调水类型划分

2．1．5 中线北调水供水计划的框架结构

2．2 供水计划编制方法

2．2．1 总干渠基本数据

2．2．2 水量分配模型

2．3 年供水计划编制

2．3．1 信息的收集

2．3．2 年供水计划制定方法

2．4 月度供水计划编制

2．4．1 供需水信息的收集

2．4．2 月供水计划制定方法

2．5 供水计划的调整

2．5．1 供水计划调整缘由

2．5．2 供水计划调整方法

2．5．3 供水计划调整方法适用范围

2．6 本章小结

第三章 总干渠水力模拟模型

3．1 总干水力学基本方程

3．1．1 恒定流基本方程

3．1．2 非恒定流基本方程

3．1．3 恒定流、非恒定方程相容性

3．1．4 节制闸过闸流量方程

3．1．5 输水损失估算

3．2 水力学模型联合求解

3．2．1 问题描述

3．2．2 定解条件

3．2．3 方程的数值解法

3．2．4 联合求解方法

3．2．5 不同运行方式下模型的应用

3．3 模型验证

3．3．1 京石段概况

3．3．2 模拟计算范围

3．3．4 输水损失分析

3．3．5 过闸流量修正

3．3．6 模型计算

3．4 本章小结

第四章 中线渠道自动控制技术及控制策略

4．1 中线自动控制技术

4．1．1 中线渠道运行方式

4．1．2 节制闸运行技术

4．1．3 渠道控制算法

4．1．4 渠道控制方式

4．2 前馈控制策略

4．2．1 计算过闸流量

4．2．2 “关闭泄水”控制策略

4．2．3 “关闭充水”控制策略

4．2．4 “开启充水”控制策略

4．2．5 “开启泄水”的控制策略

4．2．6 前馈控制策略制定流程

4．3 反馈控制策略

4．3．1 中线反馈控制策略

4．3．1 水位三点控制器主要参数设定

4．3．2 水量三点控制器主要参数设定

4．4 本章小结

第五章 正常运行调度模拟模型及系统开发

5．1 边界条件及约束条件

5．1．1 上边界条件

5．1．2 下边界条件

5．1．3 水位降速约束

5．1．4 节制闸运行目标水位

5．2 正常调度控制建筑物启闭规则研究

5．2．1 节制闸启闭规则研究

5．2．2 泵站启闭规则

5．2．3 分水闸启闭规则

5．2．4 退水闸启闭规则

5．3 正常运行调度模拟模型

5．3．1 前馈控制策略模块

5．3．2 反馈控制策略模块

5．4 正常调度控制策略模拟验证

5．4．1 正常调度控制的基本原则

5．4．2 模拟验证工况选取

5．4．3 模拟工况计算成果及分析

5．5 系统开发

5．5．1 系统目标和任务

5．5．2 系统体系结构

5．5．3 系统功能设计

5．5．4 数据库设计

5．5．5 系统实施

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读博士期间参与科研项目

攻读博士期间发表的论文

攻读博士学位期间参与编写的著作

致谢