南水北调中线总干渠冬季输水过渡期运行控制方式探讨

以南水北调中线总干渠为对象,研究了冬季输水过渡期局部渠段的闸前变水位运行方式及整个干渠的闸门控制算法。将闸前变水位运行方式的实现过程分解为闸前常水位运行和变水位蓄量补偿两个同步进行的过程,分别完成流量变化目标和蓄量变化目标。设计了整个干渠结构统一的闸门控制算法,不仅能够实现闸前变水位与闸前常水位运行方式间的切换,还能实现二者的联合运行。闸门控制算法由前馈控制、反馈控制和解耦三个部分组成。在总干渠全线上数值模拟了冬季输水前安阳河闸以北抬升控制水位而以南维持不变的过程。结果表明,在2d时间内,安阳河闸以北的控制水位可由设计水位抬升至加大水位,整个渠道的水力过渡过程平稳,水位波动符合安全限幅要求。     

大型输水明渠运行控制模式研究

以南水北调中线干渠为背景,研究了大型输水明渠闸前常水位运行控制模式.基于下游运行控制概念,提出了包括前馈控制、反馈控制和解耦三个环节的分布式集中控制方案.其中前馈控制采用主动蓄量补偿方法,用于消除计划分水等可预测扰动的影响,加快渠道的响应与恢复速度.反馈控制采用水位-流量串级PI反馈控制方法,用于消除非计划分水等未知扰动和测量扰动的影响.采用流量控制器降低下游方向渠池间的耦合影响.设计专门的解耦算法,降低上游方向的耦合影响.在南水北调中线京石段渠道上进行了仿真试验.模拟了计划分水和非计划分水工况下,各闸门的操作过程和相应水位流量响应过程.结果表明,所设计的控制方案能够有效减少大型输水明渠的时间滞后,快速消除已知分水扰动和未知分水扰动的影响,使闸前水位快速回复至目标值,控制过程中的水位波动满足安全限幅.     

南水北调中线总干渠冬季输水过渡期运行控制方式探讨

以南水北调中线总干渠为对象，研究了冬季输水过渡期，局部渠段的闸前变水位运行方式及整个干渠的闸门控制算法。将闸前变水位运行方式的实现过程分解为闸前常水位运行和变水位蓄量补偿两个同步进行的过程，分别完成流量变化目标和蓄量变化目标。设计了整个干渠结构统一的闸门控制算法，不仅能够实现闸前变水位与闸前常水位运行方式间的切换，还能实现二者的联合运行。闸门控制算法由前馈控制、反馈控制和解耦三个部分组成。在总干渠全线上数值模拟了冬季输水前，安阳河闸以北抬升控制水位而以南维持不变的过程。结果表明，在2d时间内，安阳河闸以北的控制水位可由设计水位抬升至加大水位，整个渠道的水力过渡过程平稳，水位波动符合安全限幅要求。     

明渠调水工程事故段上游闸门群应急调控研究

为了保障明渠调水工程突发事故下的安全、高效运行,以流量中断事故为例,开展了事故段上游闸门群的应急调控策略及方法研究。应急调控策略包括:及早消减过剩的流量和蓄量、维持分水口的正常分水、充分利用渠道自身调蓄能力、避免渠池蓄量的反复调整等。具体提出了混合式闸前常水位+等体积运行方式,给出了切换范围的计算方法,基于流量平衡和调蓄时间估算方程,设计了两步式闸门群应急控制方法,并在南水北调中线总干渠上游30个渠池591 km渠道使用一维明渠非恒定流仿真模型进行了测试。结果表明,运用所提出的应急调控策略和两步式闸门群应急调控技术,无论渠道采用传统的单一式闸前常水位运行方式,还是采用新提出的混合式"闸前常水位+等体积"运行方式,均能取得安全高效的应急调控效果。相较而言,采用新型混合式运行方式可有效降低应急调控过程中的蓄量变化,加快过渡过程,案例中在闸门操作次数相当的条件下,过渡时间缩短约50%。     

基于遗传程序的南水北调中线水面线计算

目前南水北调中线水面线的推算采用传统恒定非均匀流公式,糙率等水力参数需根据实际情况,定期复核并进行修正,缺乏灵活性。结合中线调度实际,建立了基于遗传程序设计的渠道水面线计算模型,利用遗传程序自动拟合渠段上游节制闸闸后水位与下游节制闸闸前水位、输水流量的非线性关系,从而实现在闸前常水位控制模式下不同输水流量的水面线推算。经在南水北调中线干线工程典型渠段的试用表明,建立的基于遗传程序水面线计算模型灵活性强、拟合精度高、操作方便,具有较高的实际应用价值。     

长距离明渠调水工程蓄量动态调节控制算法研究

本文阐明了明渠渠池蓄量与节制闸闸前水位之间的单值对应关系,在此基础上提出一套通过动态调节渠池蓄量,实现闸前常水位运行的控制算法。该算法基于流量平衡和蓄量平衡关系推导,前馈控制与反馈控制相结合。前馈控制根据分水口计划主动调节各渠池蓄量,起粗调作用;反馈控制针对前馈控制过程出现的水位偏差,通过动态调节各渠池蓄量实时校正,起细调作用。该算法具有原理简单,参数率定简便,控制规则灵活,实用性强等特点。算法在南水北调东线工程胶东段渠道进行了仿真测试,模拟环境包含水位死区和闸门运动死区。结果表明,所提算法能够有效克服长距离明渠水力滞后的影响,及时有效消除各渠池闸前水位偏差,将水位波动限定在安全范围内。     

南水北调中线干渠闸前变水位运行方式探讨

针对天津分水口流量变化,应用两种闸门调度方式且将闸前水位控制在不同变化幅度内时,采用建立的南水北调中线电子渠道模型模拟计算了干渠中的水流过渡过程。结果显示,闸前水位自由波动时,由于动用了较多的调蓄库容,会导致水位波动幅度过大而影响干渠的安全平稳运行。对闸前水位变幅限制太小或阻止闸前水位变化时,会导致干渠水位长时间波动并影响到进入惠南庄前池的流量。考虑到渠道安全、缩减渠道水力过渡时间和尽量减小对末端前池水位的影响,初步推荐闸前水位变化幅度在±0.15 m范围内波动较为适宜。     

南水北调中线渠道控制计算模型

南水北调中线总干渠线路长、供水范围广，沿线分光口门多，做好总干渠的运行控制十人刀要。闸前常水位和控制容量方式是中线最合适的控制方式。根据中线工程总体设计成果，分别为这两种运行方式研制渠道控制计算模型。由用水户的分水流量和计算模型可以出渠道节制闸的最终闸门开度，供调度使用。     

长距离输水渠道冰期运行控制研究

高纬度地区的渠道在冬季往往采用冰盖下输水,保证冰盖的稳定性是渠道冬季安全输水的前提条件。目前,渠道在冬季的运行控制多依靠经验,开展长距离渠道冰期运行控制研究对实现冰期安全输水是十分重要的。利用数值模拟的方法分析了长距离输水渠道的冰情和水情的变化过程,根据渠道内的冰情演变特性,提出冬季渠道应采用闸前常水位方式运行。鉴于气象预报以及冰情预报可能存在的不确定性,提出采用水位-流量串级的反馈控制算法,建立了渠道冰期运行控制模型,并在控制器内加入解耦环节,以提高渠道的控制效果。并通过南水北调中线干渠的数值模拟实验,对渠道冰期运行控制模型的控制效果进行了验证。结果表明,该冰期运行控制模型可以实现渠道冬季安全、适时、适量的供水目标。     

基于控制蓄量法的南水北调渠系运行方式研究

南水北调中线一期工程现运行采取以需定供的供水方式,此供水方式面临用水户临时分水变化的情况。为此,提出了一种基于控制蓄量法的渠系运行方式,该方式可以充分利用渠道自身体积调蓄能力,快速响应各种非计划的分水、退水流量变化,减少沿线需要参与调节的节制闸数量。该方法包括蓄泄运行周期判断、可调蓄体积分析和节制闸日过闸流量生成3个部分。以南水北调中线一期工程陶岔渠首—北拒马河节制闸的渠段为模拟对象进行了验证,结果表明:该运行方式可以满足中线总干渠安全运行和高效控制的要求,提高了总干渠控制系统的灵活性和稳定性,对于大型渠系的复杂分水条件有较好的适用性。     

南水北调工程天津干线下穿京九铁路隧道工程设计

为研究和解决南水北调天津干线工程下穿京九铁路隧道施工安全问题,采用有限元软件对隧洞开挖过程进行分析计算,进行了隧洞防渗设计和铁路加固设计,最大限度地克服施工期间箱涵与铁路运营之间的相互干扰,保障施工安全。设计方案体现了临时支护拆除量少,成洞质量高、速度快,对列车限速时间短等特点,既减少了施工对铁路运营造成的影响,又保证了天津干线箱涵输水运行及检修安全。推荐的设计方案在京广铁路和津霸铁路上进行了推广使用。     

南水北调中线京石段冰期输水规律研究

南水北调中线京石段供水工程起于河北省石家庄,止于北京的团城湖,渠道全长307km,由于沿线冬季天气寒冷,通常都会出现结冰现象。为了做好冰期调水运行工作,确保冰期通水工作的顺利进行,输水本文利用京石段四次冰期调度运行数据,在分析各输水渠段的冰情时空分布特征的基础上,提出了冰期输水调度的经验与规律,为南水北调中线工程的冰期调度运行、冰期灾害防治和冰期灾情预报提供技术支撑。     

管道水锤方程的Crank2Nicolson 离散格式及其工程应用

为了模拟输水管道的水力过渡过程, 建立了一种新型的有压管水力计算模型。采用有限体积法对一维有压管 道水锤方程在空间和时间上进行积分, 同时应用时间中心差分的Cr ank2Nico lson 隐式格式对偏微分项进行处理, 得 到具有二阶精度且无条件稳定的水锤方程离散格式, 并运用带有解析解的算例验证方法的准确性。通过模拟北京 市南水北调惠南庄泵站开、关过程, 可以提前预测出现的压力波动, 及早采取应对措施, 降低有害水锤出现的概率, 减少压力波动带来的不利影响, 使瞬变状态安全过渡到正常运行状态。结果表明此方法具有良好的工程应用性。     

基于流固耦合的富水软岩地层隧道排水方案研究

为研究富水软岩隧道最优排水方案,以甘肃省道S304线关山隧道为研究对象,基于流固耦合分析理论,建立了应力场和渗流场作用下的隧道开挖模型。借助SoilWorks有限元软件对隧道全排水、全封堵及堵水限排三种施工方案进行了模拟,并对孔隙水压力及水位线、位移场及应力场、围岩塑性区的分布规律进行了研究。结果表明:富水软岩隧道开挖时,采用堵水限排方案可以有效减小对地下水位的影响,经济效益显著;三种施工方案中,堵水限排方案隧道的拱顶沉降、隧底隆起以及地表下沉量最小,但围岩的应力最大,仰拱最大拉应力为全排水方案的2.2倍;全排水方案与全封堵方案围岩塑性区主要产生在仰拱,堵水限排方案围岩塑性区主要产生在边墙两侧,塑性区的范围较小。研究结果可为富水软岩地层同类工程排水方案的确定提供借鉴。     

串联渠池闸门同步关闭情况下关闸时间 对闸前水位雍高影响

针对采用应急同步关闸措施导致的水位雍高问题,分析了多闸门同步关闸情况下不同关闸时间对水位雍高的影响。通过建立一维水力学模拟模型,进行了大量的关闸工况计算,研究了上、下游节制闸分别关闸动作对闸前水位的影响过程,结果表明,下游节制闸的关闸过程中产生的水位涨幅速率远大于关闭完成后的水位涨幅速率。并以此为依据设置了不同的下游关闸时间,分析上、下游节制闸同步动作情况下关闸时间对闸前最大雍高产生时间与雍高高度的影响,结果表明最大雍高出现在上游水波传递到下游的时间或者滞后一小段时间,且下游关闸时间是影响水位雍高的主导因素。通过对多渠池联调下其他渠池的闸门调控对研究渠池的水位影响分析,得出了同步关闸情况下渠池雍水基本只受本渠池上、下游闸门动作的影响的结论,从而为多闸联调情况下闸前水位优化提供了参考。     

南水北调中线水源区水文特征分析及其 水资源适应性利用的思考

南水北调中线调水工程是为了解决华北地区缺水问题而采取的特大型调水工程,水源区地理特征是调水水量和水质的重要基础。然而,从目前的研究现状看,对水源区边界、面积、河流长度等主要特征参数和水资源特征系统梳理不足,水资源利用仍存在一些问题。基于此,从地理学的角度,借助地理信息技术和统计学方法,结合实地调研,对南水北调中线水源区主要特征参数进行系统梳理;分析和总结水资源特征、水资源开发利用演变过程以及存在的问题;基于水资源适应性利用理论,结合南水北调中线水源区实际,提出其水资源适应性利用的研究思路和战略措施建议。研究成果对保障南水北调中线可持续调水、支撑水源区水资源开发利用和协同管理提供技术支撑。     

水位波动作用下软土的变形强度特性研究

在我国沿海地区,过量抽取利用地下水引发了明显的地面沉降,限制开采量、人工回灌地下水对减轻地面沉降具有显著效果。开采与回灌地下水促成了地下水位的大幅波动,使得沿海地区广泛分布的软土层发生了明显的沉降与回弹变形。为了研究软土在水位波动作用下的变形和强度特性,利用沉降柱试验装置模拟地下水位波动,对不同水位波动次数作用后的软土试样进行了高压固结试验、直剪试验和三轴试验,研究了水位波动次数对软土变形性状的影响,给出了用初始强度指标和含水量表示的、不同水位波动次数作用后的软土残余强度表达式。试验结果表明:随着水位波动次数的增加,软土的变形特性增强而强度特性降低,黏聚力和内摩擦角随波动次数的增加呈近似线性降低;相同水位波动次数下软土试样的强度指标随含水量的增加呈明显下降趋势。研究成果对于探索城市地下水位波动对地面沉降和承载力变化的作用机理,提高科学决策水平及减轻环境地质灾害有着重要实际意义和应用价值。     

不同再生水占比景观水体水质演变机制实验研究

以永定河(北京段)为研究对象,开展不同再生水占比景观水体连续24d的水质监测实验,监测指标包括化学需氧量、氨氮、溶解氧、pH、电导率及土壤微生物多样性等。结果分析表明:相同实验条件下永定河上游山峡段河岸带土壤微生物多样性明显好于下游沙质断流河岸带土壤,而二者混合形成的沙土有利于丰富土壤微生物多样性;高再生水占比水体对于环境更加敏感,更容易因为外部因素引起水质变化,在高温下水质恶化速率更快;根据实验所监测的多项水质指标与生态效应综合分析,静止景观水体再生水占比在超过75%以后水质持续恶化,推荐永定河实际景观河道再生水占比控制在75%以下。     

汛期降雨对南水北调中线干线 京石段工程渠道水位影响

为了给南水北调中线工程实现全线通水后的汛期调度提供技术支撑和经验借鉴,基于2008年-2013年底南水北调中线干线京石段工程已经完成的四次向北京输水任务的相关资料,分析了通水过程中降雨对渠道水位的影响,结果表明在试运行期间汛期降雨多以小雨为主,渠道内水位普遍上涨20~30mm,当渠道内发生中到大雨时,渠道内的水位一般上涨80~100mm;结果表明4次通水过程由于没有特大暴雨,水位上涨幅度较小,对渠道安全没有影响;并基于河北省中小流域设计暴雨洪水图集,探讨了不同重现期暴雨对渠道水位的影响规律,给出了不同重新重现期条件下的控制水位。     

典型长距离调水工程冬季冰凌危害调查及分析

以某长距离调水工程为研究对象,基于原形观测资料分析渠道冬季冰情发展规律和存在的冰凌问题。介绍了渠道和建筑物布置特点、不同冬季气象特点和冬季输水运行方式,分析了流冰期、封冻期、开河期的冰情现象,不同年份和空间上的冰情分布特征,总结了长距离输水渠道冰情生消演变的基本规律。基于典型冬季渠道出现的特殊冰凌灾害,列举了冰塞、泵站前池水位下降、分水口流量降低、仪器设备读数失真、渠道衬砌冻胀等冰凌影响事件,分析了气象条件、水力条件和工程布置特点对冰凌危害出现的影响。从调度、工程措施出发,在不同冰期阶段,针对不同渠道和建筑物位置,提出集防、拦、扰、捞、排一体化的冰凌防护措施,为长距离输水工程冬季冰期安全高效运行提供技术保障。