基于遗传程序的南水北调中线节制闸过闸流量模型研究*

南水北调中线线路长,沿线分水口门多,且无调蓄水库,输水技术难度大。输水调度通过调整总干渠沿线各节制闸过闸流量,实现用水户所需的供水目标。过闸流量计算是中线水量调度模型的重要组成,目前通过传统水力学经验公式进行计算,在输水运行过程中,需不断根据实测水情数据,定期人工修正公式中参数,并更改程序源代码中的参数,灵活性差。本文通过南水北调中线输水调度的实践,建立了基于遗传程序结合水力学方法的过闸流量模型,根据实测流量计算流量系数,并利用遗传程序自动拟合节制闸前、后水位、闸门开度与流量系数的非线性关系,进而实现过闸流量计算。经在南北调中线节制闸的试用表明,该模型具有很强的自适应能力,灵活性强,拟合精度高,而且较好地避免直接拟合流量时泛化能力较弱的不足,具有较强的实际应用和推广价值。     

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。     

南水北调中线干线节制闸过流公式率定及曲线绘制

南水北调中线线路长、分水口门多、无在线调蓄水库,且正处于初期运行阶段,需逐步建立健全各类闸门技术档案,尤其是率定各类闸门过流公式和绘制闸门控制运用图表,这对于精确实施渠道控制、指导闸门日常控制操作、保障输水调度安全具有重要意义。以刁河节制闸为例,基于量纲分析法,在孔流条件下利用南水北调中线干线通水运行观测数据开展了节制闸过流公式率定,并在此基础上绘制出节制闸不同闸前、闸后水位差下的过闸流量与闸门开度关系曲线。结果显示：量纲分析法物理概念比较清晰,公式形式较为简单,率定工作量大大降低,实测流量与计算流量误差基本在±6%之间,而平均误差约为3%,率定精度较高,具有较强的实际应用和推广价值;同时节制闸过闸流量曲线的绘制,为日常调度人员掌握过闸流量变化、适时开展闸门调度提供了决策依据。     

南水北调中线工程节制闸大开度检验调度方案研究

南水北调中线沿线设有64座节制闸,为确保金结机电设备运行安全,按照设施设备规范要求各节制闸应在动水条件下进行零开度至全开度检验。中线工程现处于通水初期,沿线各分水口门尚未达到设计流量,如需完成大开度检验,势必需要通过采取一定的调度措施来实现。结合中线工程运行实际,选取典型试点分析大开度检验的可行性;同时在充分考虑目前全线小流量、高水位的运行状态下,比对分析几种特定条件下的运行调度方案,初步研究选取了"控制闸调整局部渠段水位"的调度方案。通过对试点节制闸上下游控制建筑物的运行水力条件进行调整,保持试点节制闸目标过闸流量及其上下游渠段水位的相对稳定,进而实现节制闸大开度检验。     

南水北调中线工程节制闸大开度检验调度方案

南水北调中线沿线设有64座节制闸,为确保金结机电设备运行安全,按照设施设备规范要求各节制闸应在动水条件下进行零开度至全开度检验。中线工程现处于通水初期,沿线各分水口门尚未达到设计流量,如需完成大开度检验,势必需要通过采取一定的调度措施来实现。结合中线工程运行实际,选取典型试点分析大开度检验的可行性;同时在充分考虑目前全线小流量、高水位的运行状态下,比对分析几种特定条件下的运行调度方案,初步研究选取了"控制闸调整局部渠段水位"的调度方案。通过对试点节制闸上下游控制建筑物的运行水力条件进行调整,保持试点节制闸目标过闸流量及其上下游渠段水位的相对稳定,进而实现节制闸大开度检验。     

南水北调中线工程总干渠水力学 仿真模型研究

以节制闸为边界将南水北调中线总干渠分为若干子段,采用闸门过闸流量公式、能量方程、圣维南（Saint-Venant）方程组和低压管流方程分别计算闸门水位流量关系、明渠恒定流、明渠非恒定流和有压建筑物非恒定流,以此建立总干渠水力学计算模型。通过双重迭代方法对水流方程、过闸流量方程进行联合求解,以模拟总干渠运行调度动态过渡过程,以京石段2008年输水实测数据对水力学模型进行验证,结果表明模型具有良好的收敛性和较高的精度。     

人工神经网络在流量计率定中的应用

南水北调中线各节制闸、分水口门处均设置了流量计。分水口门处的流量测量是分水水量计量的依据,节制闸的流量数据是输水调度的重要参考,流量计的率定是至关重要的工作。传统率定流量计的方法是通过水文精测法对流量计测量数据进行修正,一般根据比测数据的大致分布,人工选择数学函数拟合流量计与流速仪所测流量数据之间关系。这种方法在函数形式的选择上存在较大的人为随意性,并且往往需要多次试验,反复比较才能找到较为满意的线型,工作量大。针对上述问题,将人工神经网络应用于南水北调中线京石段滹沱河节制闸流量计率定中,对32组实测样本进行数据拟合,绝对值误差和为7.715,而传统利用二次函数进行拟合的误差为8.019,人工神经网络拟合精度较高,且该技术能够根据实测数据自动生成回归模型,适应性强,有较好的推广应用价值。     

南水北调中线电子渠道平台建设

南水北调中线工程输水线路长，沿线分水口门和控制设施多，水力学及调度控制响应是工程设计与运行管理的关键。在收集、整理南水北调中线相关资料的基础上，建立了南水北调中线基础地理、输水线路、控制工程及相关建筑物的综合数据库。采用自主开发的TGIS平台，集成了南水北调中线总干渠一维和局部二维、三维数学模型，在该平台下，能够进行输水能力计算、水力控制响应分析，为工程设计、管理和运行调度提供了基础平台。     

南水北调中线工程运行特性及控制方式研究

简要介绍了国家＂十一五＂科技支撑计划项目＂南水北调中线工程关键技术研究与应用＂课题四＂中线工程输水能力及冰害防治技术研究＂所取得的部分水力学研究成果,包括南水北调中线工程输水模拟平台的研制、中线工程数值仿真软件开发、分水口和节制闸的水力敏感性分析、闸前常水位控制算法、穿黄工程节制闸闸前水位确定、冰期输水能力及冰期运行控制等,研究成果紧密结合中线工程的实际情况,可应用于中线工程的运行、调度与管理。     

南水北调中线工程穿黄隧洞关键技术研究

简要介绍了国家＂十一五＂科技支撑计划项目＂南水北调中线工程关键技术研究与应用＂课题四＂中线工程输水能力及冰害防治技术研究＂所取得的部分水力学研究成果,包括南水北调中线工程输水模拟平台的研制、中线工程数值仿真软件开发、分水口和节制闸的水力敏感性分析、闸前常水位控制算法、穿黄工程节制闸闸前水位确定、冰期输水能力及冰期运行控制等,研究成果紧密结合中线工程的实际情况,可应用于中线工程的运行、调度与管理。     

引江济汉工程水量调度方案初步研究

以南水北调中线一期工程建成通水,引汉济渭工程、鄂北水资源配置工程开工建设为背景和边界条件,以引江济汉工程设计功能为目标,研究了引江济汉工程水量调度方案。根据引江济汉工程、汉江中下游河道内外用水实际情况,建立了引江济汉工程水量调度模拟模型。以不同规划对汉江中下游河道外需水预测、不同丹江口工程下泄流量为方案变量,初步提出了引江济汉工程水量调度的规则。     

南水北调中线沙河渡槽施工方案研究及优选

通过对3种典型的施工工法进行分析和论述,重点研究了30 m跨1 200 t重U形渡槽的造槽机和架槽机两种机械化施工方案,通过建立仿真模型计算各种工况下的受力情况,分析设备的安全、可靠性,提出设备的主要性能指标,通过对架槽机、造槽机、满堂脚手架3种方案技术先进性、安全、进度等各方面优缺点综合分析,优选出能保证工程质量和工期的架槽机施工方案。     

南水北调中线工程核心水源区水安全模糊综合评价

南水北调中线核心水源区主要在湖北省十堰市境内,其水源区水质基本达到调水要求,但水土流失、水体污染、移民安置、贫困与落后等水安全问题直接关乎到调水的质量、水资源的配置及社会、经济和生态环境的可持续发展,因此,水源区的水安全评价已是当务之急。针对水安全内涵及其评价的复杂性和模糊性,在选取20个代表性指标及建立评价指标体系的基础上,采用多层次模糊综合评判的方法,对南水北调中线工程核心水源区的十堰市水安全进行了定量的评价。结果表明:自南水北调中线工程实施以来,水源区的水安全处在一个基本安全的临界等级状态,这一结论与主成分分析所得评价结果具有较好的一致性,经验证方法可行、结论可靠。     

南水北调中线干渠冰期拦冰索水力控制条件研究

通过控制水力条件,使拦冰索能够有效拦截浮冰、使得浮冰能够在拦冰索前停滞堆积而形成冰盖,是保证南水北调中线工程冰盖下安全输水的关键。本文基于中线干渠冰期原型观测数据,分析了浮冰下潜的临界水力条件,表明传统的第二临界Fr(0.08~0.09)只适用于判别冰盖前缘的浮冰运动状态,对于判别拦冰索前浮冰运动状态、分析拦冰索的拦冰能力具有局限性,并论证了采用Ashton孔口排冰公式来判断拦冰索前的流冰运动状态的合理性。研究表明,同一水力条件下,拦冰索的水下淹没深度越大,其拦冰性能越好,拦冰索前冰凌下潜的临界Fr越大;并在此基础上确定了中线工程各渠池拦冰索的最小淹没深度。研究成果可为中线工程冰期输水方案制定和拦冰索技术改造提供依据。     

南水北调中线水源地保护法制保障能力分析

法律是保护水源首要的和最有效率的一种方式,它直接影响着水源保护工作的成效。在对南水北调中线工程水源地3省8市水质保护法制保障能力现状及存在问题进行分析的基础上,提出了相关建议:梳理现行的水质保护法律法规,加快修订《南水北调工程供用水管理条例》;尽快制定并颁布《丹江口库区及上游饮用水水源保护区划定方案》和《南水北调中线工程管理条例》;构建统一的监测网络,加强综合执法等。     

基于贝叶斯网络的南水北调中线工程暴雨洪水风险分析

南水北调中线工程是解决北方水资源短缺的战略举措。工程输水线路长,沿线交叉河流众多,因此采用了倒虹吸、渡槽等水工建筑物与沿线河流立交,以保证水质。输水工程穿越地区暴雨多发,洪水频繁,给南水北调中线工程安全运行构成较大威胁。为此,基于贝叶斯网络理论,建立了南水北调中线工程暴雨洪水风险模型,分析输水干渠不同区段的风险程度,并根据不同降雨情景实时分析洪水风险,为降低工程的暴雨洪水风险损失提供决策参考。     

南水北调中线工程输水调度初始控制策略研究

南水北调中线工程输水干线由61个节制闸控制水流。根据各渠段内进出流量及渠道内初末状态体积的变化,可以将调度过程中各渠道的流量体积变化归纳为关闭充水、关闭泄水、开启充水、开启泄水4种情况。根据这4种运行情况,分别制定相应的控制策略,确定各节制闸流量调整的起始、结束时刻,最终得出了南水北调中线工程输水调度初始控制策略,满足渠道安全运行要求。     

分水口运用引起的南水北调中线总干渠水力响应特征

大型输水渠道水力响应过程的特征参数，如渠道水位降落速率和水位波动距离等，对渠道的调度运行方式的制定有着十分重要的作用。利用南水北调中线工程电子渠道平台，对中线工程总干渠上的典型分水口的不同分流情况进行模拟分析，研究了分水口运用所引起的渠道水力响应现象，获取了水力响应过程的基本参数，为工程运行调度提供了参考。     

三峡水库大宁河调水方案研究

作为南水北调中线工程的主要水源地,汉江水资源将难以满足日益增长的调水需求,迫切需要从长江干流引水作为补充。分析了南水北调中线工程后期需调水量和调水过程。对大宁河剪刀峡水库和三峡水库的调水量和调水规模进行了研究,并且给出了最终的调水工程布置方案。该方案可充分利用大宁河水资源、减少抽水费用、占地少且对环境影响小。