CN104594283A - 一种长距离引调水工程多功能模拟系统及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长距离引调水工程多功能模拟系统及模拟方法，包括若干个无压输水模拟单元、若干个有压输水模拟单元，所述相邻的无压输水模拟单元之间或者相邻的有压输水模拟单元之间或者无压输水模拟单元与有压输水模拟单元之间都通过多功能连接件连接，提供有压-有压、有压-无压、无压-无压、无压-有压四种流动过渡过程的模拟功能。本发明提供一种长距离引调水工程多功能模拟系统，为长距离引调水工程的水量控制、管渠安全、水量损耗、突发水污染、输水效率分析、优化运行等议题提供多功能试验分析平台，通过单元间的叠加串联，以及单元自身的螺旋布置方式，解决了长距离引调水工程模拟占地需求与有限室内场地的矛盾。

Description

一种长距离引调水工程多功能模拟系统及模拟方法

技术领域

本发明属于水利工程实验技术领域，具体涉及一种长距离引调水工程多功能模拟系统及模拟方法。

背景技术

我国水资源时空分布不均匀，水质型缺水问题也较为严重，水资源短缺已成为经济社会可持续发展的主要制约因素。跨流域引调水是是合理配置水资源、解决用水需求与供水能力矛盾的常见措施，为缓解我国北方地区的资源型缺水问题，我国正在实施“南水北调”这一世界级的跨流域调水工程。跨流域调水也是解决水质型缺水问题的有效手段，例如，为改善太湖河网与湖区水体的水环境状况，太湖流域实施了“引江济太”调水工程，取得良好效果。跨流域引调水工程一般具有大尺度、长距离、多载体、多形态等特点，对工程自身安全性要求较高；同时，为保证受水地区人民群众的饮水安全，输水水质安全保障也是跨流域引调水工程中需要重点关注的问题。

长距离引调水工程的规划、设计与运行往往面临着高效控制、优化运行、应急处置等现实难题，例如，如何准确预测变化流量情形时引调水工程结构安全、如何预测分析突发污染水体输移传输过程中的环境风险、如何预判冰封期引调水传输效率等。由于引调水工程一般长度远远大于其渠道宽度，同时有压式和无压式输水的原理具有较大区别，难以采用常规的水利工程物理缩放建模的方法对工程全程进行室内试验分析，往往仅能依据经验分析和数学模型的方法进行计算分析。

目前尚无成熟可靠的长距离引调水全程物理模型装置与方法，现有技术多见于长距离输水数值模拟方面，如《复杂长距离输水系统仿真优化研究》一文，将数字仿真模型应用于长距离输水系统优化调度研究中。有专利《长距离输水水质模拟装置》提出了一种长距离输水水质模拟装置，但该装置仅能模拟较单一的输水形式的水质迁移转化，不能适应超长距离、多种输水形态、多种指标监测、区间出入流等复杂条件的实际需求。为科学设计与管理跨流域引调水工程，对工程中的水量控制、管渠安全、水量损耗、突发水污染、输水效率分析、优化运行等议题进行直观的试验分析，需要研制一种适宜于室内的长距离引调水工程多功能模拟系统，能直观、准确、便捷地实时掌握水流、水质等指标的变化。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种长距离引调水工程多功能模拟系统及模拟方法，为长距离引调水工程的水量控制、管渠安全、水量损耗、突 发水污染、输水效率分析、优化运行等议题提供多功能试验分析平台。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种长距离引调水工程多功能模拟系统，包括若干个无压输水模拟单元、若干个有压输水模拟单元，所述相邻的无压输水模拟单元之间或者相邻的有压输水模拟单元之间或者无压输水模拟单元与有压输水模拟单元之间都通过多功能连接件连接；

所述无压输水模拟单元包括无压主流模拟装置、无压进水控制装置、无压出水控制装置、无压支流模拟装置、明渠流量监控装置、明渠水质监测装置；所述无压主流模拟装置包含用于模拟无压式引调水的输水主渠道流动的输水渠道，输水渠道上设有若干个采集水质的第一传感器，输水渠道为螺旋布置成圆盘状的明渠，输水渠道的上游位于圆盘状的明渠的中心位置，输水渠道中心底部安装有用于调节蓄水池高度进而改变输水渠道的沿程坡降的液压杆，蓄水池位于液压杆正上方，输水渠道的下垫面装有由多根温控管组成的渠道温度调节器，通过控制温控管内液体的温度实现对输水渠道内的水温控制；无压进水控制装置用于接受区间段上游来流及控制下泄流量，包括蓄水池和进水闸，其中蓄水池安置在上游，即输水渠道的中心位置，用于承接上游来流，蓄水池安装有进水闸控制蓄水池出水流量以便为本区间段输水；所述无压出水控制装置用于控制无压式引调水的区间出流，包括出水闸、缓冲池、无压管道阀、无压出水管、渠道出水口，其中出水闸安置在输水渠道下游末端处，与缓冲池相连，无压出水管水平安置在输水渠道的下部，一端通过无压管道阀与缓冲池相连，另一端设有渠道出水口；所述无压支流模拟装置用于模拟无压式引调水区间出入支流，包括清水支流进水口、污水支流进水口、支流出水口，均安装在缓冲池的侧边；所述明渠流量监控装置包含明渠流量监控台和安装于进水闸、出水闸、清水支流进水口、污水支流进水口、支流出水口、无压管道阀处的流量传感器，明渠流量监控台通过信号线与各个流量传感器连接；所述明渠水质监测装置包括明渠指标显示台和可拆卸式的明渠多功能监测终端，明渠多功能监测终端通过信号线与无压主流模拟装置中的第一传感器连接，明渠指标显示台通过信号线接受存储多功能监测终端的监测数据并实时显示；

所述有压输水模拟单元包括有压主流模拟装置、有压进出水控制装置、有压支流模拟装置、管道流量监控装置、管道水质监测装置；所述有压主流模拟装置包括上层输水管道和下层输水管道，所述上层输水管道和下层输水管道平行安置且螺旋布置成圆盘状，上层输水管道和下层输水管道通过多口连接器进行连接，上层输水管道和下层输水管道上设有若干个采集水质的第二传感器，上层输水管道与下层输水管道之间装有多根温控管组成的管道温度调节器；所述有压进出水控制装置包括上管道控制闸、下管道控制闸、上管道泄压阀、下管道泄压阀，上层输水管道和下层输水管道中心位置安置有兼 具进水和出水的双重作用的上管道控制闸和下管道控制闸，上管道泄压阀和下管道泄压阀分别安装于上层输水管道和下层输水管道上，均靠近多口连接器；所述有压支流模拟装置包括支路进水口和支路出水口，安装在多口连接器的侧边；所述管道流量监控装置包含管道流量监控台和安装于管道控制闸、下管道控制闸、支路进水口、支路出水口上的流量传感器，管道流量监控台通过信号线与流量传感器连接；所述管道水质监控装置包括管道指标显示台和管道多功能监测终端，其中管道多功能监测终端通过信号线与第二传感器连接，指标显示台可通过信号线接受存储管道多功能监测终端的监测数据并实时显示；

所述多功能连接件包含多功能水流转换装置，包括锥形消能阀、变频水泵、进水口调节装置、出水口调节装置、状态控制开关、连接腔、连接管；所述锥形消能阀有“开”和“关”两种工作状态，由支撑杆固定于连接腔内壁，锥形消能阀上端与进水口调节装置密闭连接，锥形消能阀下端连接连接管，进水口调节装置与渠道出水口或下管道控制闸连接；所述变频水泵有“低压”和“高压”两种工作状态，变频水泵一端与出水口调节装置连接，另一端与连接管密闭连接，出水口调节装置与进水闸或上管道控制闸连接；所述进水口调节装置、出水口调节装置通过可锁定的螺栓分别安装在连接腔上端与下端，连接腔外壁安装有控制锥形消能阀的状态控制开关。

作为优选，所述无压支流模拟装置的清水支流进水口和支流出水口分别与可逆水泵连接，通过一台可逆水泵控制进出流量，污水支流进水口与污水泵连接，通过一台污水泵控制进流量。

作为优选，所述圆盘状的无压主流模拟装置的内外圈的明渠之间由圆形隔板隔开，隔板的顶端有矩形凸起，矩形凸起外安装明渠水质监测装置中的明渠多功能监测终端；

作为优选，所述明渠多功能监测终端包括拱形支架、上游测量臂、下游测量臂，其中拱形支架断面形状类似门形，可卡在圆形隔板顶端的矩形凸起上，所述上游测量臂和下游测量臂的一端均为渠道传感器安装口，另一端均通过可旋转吊环螺丝安置在拱形支架上，使其可根据需要调节渠道传感器安装口的高度；所述渠道传感器安装口上加装第一传感器，第一传感器为流量传感器、水温传感器、压力传感器、湿度传感器、BOD传感器、COD传感器、营养盐传感器、溶解氧传感器或流速传感器中的一种。

作为优选，所述有压主流模拟装置的上层输水管道和下层输水管道沿程均匀分布有若干个多功能管道监测终端，所述的管道多功能监测终端包括加固管、堵塞螺栓、测量螺栓；所述的加固管为一段高强度管件，位于安装有多功能管道监测终端处的上层输水管道或下层输水管道的外壁，且上层输水管道或下层输水管道在该处有螺栓孔；所述的堵塞螺栓可旋进螺栓孔将多功能管道监测终端关闭；所述的测量螺栓可旋进螺栓孔将多 功能管道监测终端开启，当需要打开多功能管道监测终端，将测量螺栓旋进螺栓孔，当需要关闭多功能管道监测终端，堵塞螺栓旋进螺栓孔，并通过管道传感器对上层输水管道和下层输水管道内的各项指标进行监测，测量螺栓由管道传感器安装口和管道传感器组合而成，管道传感器安装口中心留有小孔，用于导出管道传感器的信号线，且小孔下端留有螺栓孔用于连接管道传感器；所述的管道传感器安装有第二传感器，第二传感器为流量传感器、水温传感器、压力传感器、湿度传感器、BOD传感器、COD传感器、营养盐传感器、溶解氧传感器、流速传感器中的一种。

一种长距离引调水工程多功能模拟系统的模拟方法，按照以下方法进行操作：

(一)模型预设：基于输水实际工程总长度和实验室内场地限制的现实条件，确定采用本装置进行物理模型试验的长度比尺λ，时间比尺为，流量比尺为；按照比尺缩放得到模型尺寸、坡降、糙率、主流流量、支流流量的分布数据集；

(二)单元选定：依据实际工程的依次输水形式将工程分为若干段，每一段对应一种输水形式，或为无压式输水，或为有压式输水；依据每一段的实际长度，确定该段建模所需的无压输水模拟单元或有压输水模拟单元的个数，其确定步骤为：首先求出 的值，其中S_i为该段实际长度，λ为长度比尺，L为无压输水模拟单元或者有压输水模拟单元的长度；若N为整数，则该段建模所需模拟单元个数为N；若N为非整数，则所需模拟单元个数为[N]+1，其中[N]表示对N取整；

(三)单元组装：根据步骤(二)中求出的无压输水模拟单元、有压输水模拟单元的个数及其在实际工程中的位置顺序，将各模拟单元通过多功能连接件依次进行组装，多功能连接件有四种工作状态：一、当有压输水模拟单元两两相连时，多功能连接件的工作状态设定为“有压-有压”状态；二、当无压输水模拟单元两两相连时，多功能连接件的工作状态设定为“无压-无压”状态；三、当上游的无压输水模拟单元与下游的有压输水模拟单元相连时，多功能连接件的工作状态设定为“无压-有压”状态；四、当上游的有压输水模拟单元与下游的无压输水模拟单元相连时，多功能连接件的工作状态设定为“有压-无压”状态；

对于步骤(二)中的每一段，若为无压输水方式，则在对若干个无压输水模拟单元进行组装时，采用逐层方式进行组装，即若干无压输水单元逐层摆放串联以表征该段输水，且水流由上一层单元的无压进水控制装置、无压主流模拟装置、无压出水控制装置自流进入下一层连接的单元；对于步骤(二)中的每一段，若为有压输水方式，采用逐层方式进行组装，即若干有压输水模拟单元逐层摆放串联以表征该段输水；

(四)初始状态设定：对于无压输水模拟单元，调节进水闸、出水闸、无压管道阀使其潜在过流能力为最大状态，对于有压输水模拟单元，调节上管道控制闸、下管道控制闸使其潜在过流能力为最大状态；同时，对于无压输水模拟单元，使得清水支流进水 口、污水支流进水口、支流出水口处于关闭状态；对于有压输水模拟单元，使得支路进水口和支路出水口处于关闭状态；

(五)监测设备安装：针对实验要求和目的，在需要监测水流、水质的指定位置处安装相应的监测设备，对于无压输水模拟单元，安装明渠多功能监测终端，对于有压输水模拟单元，安装管道多参数监测终端；

(六)充水调节流量：操作上述步骤中安装完成的设备，并依据步骤(一)中得到的主流流量、支流流量数据集，通过控制明渠流量监控台、管道流量监控台对模拟系统进行充水，待1.5T时间后，其中的T指水流流过所有模拟单元调节所需时间，再通过调节各模拟单元内的各闸门，使各单元的主流进出流、支流进出流的流量符合实际条件；

(七)实验观测：实时观测并记录明渠指标显示台、管道指标显示台的监测数据，为进一步的水量控制、管渠安全、水量损耗、突发水污染、输水效率分析、优化运行等研究提供数据。

有益效果：本发明的长距离引调水工程多功能模拟系统及模拟方法，具有以下优点：

1、本发明的无压输水模拟单元、有压输水模拟单元均有两种工作模式(单独使用、组合使用)，可用于多种引调水工程(无压式、有压式、混合式)的不同长度(区间段、全过程)的多功能模拟，操作灵活，使用便捷；

2、本发明各输水模拟单元的输水渠道或输水管道均采用了独特设计，通过单元间的叠加串联，以及单元自身的螺旋布置方式，解决了长距离引调水工程模拟占地需求与有限室内场地的矛盾；

3、本发明无压输水模拟单元通过独特设计，能够将管道多功能监测终端安装于输水渠道任意位置；本发明有压输水模拟单元沿程预留了若干管道多功能监测终端；可根据实验需求在上述多功能监测终端有选择地安装多种传感器，可以满足了实际工程的多种需要；

4、本发明的各输水模拟单元中各闸门、阀门处的流量集中显示于流量监控台，并可在流量监控台进行反向控制，而多功能监测终端上传感器数据集中显示于水质指标显示台，提高了长距离引调水工程模拟实验研究效率。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为图1中无压输水模拟单元的俯视图；

图3为图2中无压输水模拟单元A-A断面剖视图；

图4为图1中有压输水模拟单元的俯视图；

图5为图1中有压输水模拟单元的下层输水管道布置方式；

图6为图4中有压输水模拟单元B-B断面剖视图；

图7为有压输水模拟单元的上、下两层输水管道连接处示意图；

图8为多功能连接件的组成结构图；

图9利用本发明进行长距离引调水模拟示例图。

图中：101蓄水池；102进水闸；103液压杆；104输水渠道；105出水闸；106缓冲池；107无压管道阀；108无压出水管；109渠道出水口；110清水支流进水口；111污水支流进水口；112支流出水口；113明渠流量监控台；114明渠指标显示台；115明渠多功能监测终端；116明渠温度调节装置；117拱形支架；118上游测量臂；119下游测量臂；120凸起；121渠道传感器安装口；

201上管道控制闸；202上层输水管道；203上管道泄压阀；204多口连接器；205下管道泄压阀；206下层输水管道；207下管道控制闸；208支路进水口；209支路出水口；210管道流量监控台；211管道指标显示台；212管道多功能监测终端；213管道温度调节装置；214加固管；215堵塞螺栓；216测量螺栓；217管道传感器安装口；218管道传感器；219信号线；220小孔；

301锥形消能阀；302变频水泵；303进水口调节装置；304出水口调节装置；305状态控制开关；306连接腔；307连接管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例：

国内某以供水与生态建设为目标的长距离引调水工程，基于现实情况，该工程采用了无压式与有压式输水相混合的输水模式，即包括了管道和渠道两种，管道埋于地下。该输水工程设计引水流量400m³/s，输水路线由取水口向东埋设DN900-DN800的PCCP管道，管道末端经过丘陵地区，然后由渠道输水，尾端埋设DN800的PCCP管道到达尾库。输水线路全长620.93km，其中渠道前的管道长度为449.06km，渠道长度为143.46km，渠道后的管道长度为28.41km，其中渠道纵坡1/1000。

采用本发明的长距离引调水工程多功能模拟系统，对该长距离调水工程进行室内物理模拟，鉴于实际工程长度与试验场地的限制，长度比尺定为λ＝100，则λ_Q＝λ^2.5。如图1所示，该系统包括相互独立的无压输水模拟单元1、有压输水模拟单元2和多功能连接件3。无压输水模拟单元1由无压主流模拟装置11、无压进水控制装置12、无压出水控制装置13、无压支流模拟装置14、明渠流量监控装置15、明渠水质监测装置16构成；有压输水模拟单元2由有压主流模拟装置21、有压进出水控制装置22、有压支流模拟装置23、管道流量监控装置24、管道水质监测装置25构成；多功能连接件3用于连接 所述的无压输水模拟单元1和有压输水模拟单元2，提供四种工作模式，既有压式引调水至有压式引调水、有压式引调水至无压式引调水、无压式引调水至无压式引调水、无压式引调水至有压式引调水四种流体过渡过程的模拟功能。

如图2所示的无压输水模拟单元1中的无压主流模拟装置11，其主体部分为输水渠道104，其输水渠道104中心底部安装有液压杆103，输水渠道104下垫面装有渠道温度调节器116；无压进水控制装置12包括蓄水池101和进水闸102；无压出水控制装置13包括出水闸105、缓冲池106、无压管道阀107、无压出水管108、渠道出水口109，出水闸105位于输水渠道104的末端，出水闸105与缓冲池106连通，缓冲池106通过无压管道阀107与无压出水管108连通，无压出水管108与渠道出水口109连通；无压支流模拟装置14包括清水支流进水口110、污水支流进水口111、支流出水口112，均安装在缓冲池106的侧边；明渠流量监控装置15由明渠流量监控台113和安装于进水闸102、出水闸105、清水支流进水口110、污水支流进水口111、支流出水口112、无压管道阀107处的流量传感器构成，明渠流量监控台113通过信号线与流量传感器连；明渠水质监测装置16包括明渠指标显示台114和可拆卸式的明渠多功能监测终端115，明渠多功能监测终端115通过信号线与无压主流模拟装置11中的第一传感器连接，明渠指标显示台114通过信号线接受存储多功能监测终端115的监测数据并实时显示。图2中无压输水模拟单元1的A-A断面剖视图如图3所示，单个无压输水模拟单元1占地5.0m×5.0m×0.2m，其输水渠道104的长度为200m，通过调节液压杆103的高度从而使得输水渠道104的平均坡降为1/1000。

特别的，上述无压输水模拟单元1中的渠道温度调节器116由多根温控管组成，通过控制管内液体的温度实现对输水渠道104内的水温控制，明渠温度调节装置116下方的空隙及输水渠道104采用聚苯乙烯材料制成，进水闸102、出水闸105采用露顶式电动闸门，缓冲池106、清水支流进水口110、污水支流进水口111、支流出水口112和无压管道阀107均采用开关型电动球阀，上述阀门的调节旋钮安装于明渠流监控台113上。

明渠多功能监测终端115包括拱形支架117、上游测量臂118、下游测量臂119，其中拱形支架117断面形状类似门形，可卡在隔板顶端的矩形凸起120上，所述上游测量臂118和下游测量臂119的一端均为渠道传感器安装口121，另一端均通过可旋转吊环螺丝安置在拱形支架117上，使其可根据需要调节渠道传感器安装口121的高度；所述渠道传感器安装口121上加装第一传感器，第一传感器为流量传感器、水温传感器、压力传感器、湿度传感器、BOD传感器、COD传感器、营养盐传感器、溶解氧传感器或流速传感器中的一种。

如图4所示有压输水模拟单元2中，有压主流模拟装置21包括上层输水管道202 和下层输水管道206，上层输水管道202与下层输水管道206之间装有管道温度调节器213对输水管道内的水温进行控制，上层输水管道202和下层输水管道206上设有若干个采集水质的第一传感器；有压进出水控制装置22包括上管道控制闸201、下管道控制闸207、上管道泄压阀203、下管道泄压阀205，上管道控制闸201和上管道泄压阀203位于上层输水管道202的两端，下管道控制闸207和下管道泄压阀205位于下管道控制闸207的两端，用于实现模拟水体双向流动的功能；有压支流模拟装置23包括支路进水口208和支路出水口209，安装在多口连接器204的侧边；管道流量监控装置24由管道流量监控台210和安装于管道控制闸201、下管道控制闸207、支路进水口208、支路出水口209上的流量传感器，管道流量监控台210通过信号线与流量传感器连接；管道水质监控装置25，包括管道指标显示台211和管道多功能监测终端212，其中管道多功能监测终端212通过信号线与有压输水模拟单元2中的第二传感器连接，指标显示台211可通过信号线接受存储管道多功能监测终端212的监测数据并实时显示。图4中有压输水模拟单元2的B-B断面剖视图如图6所示，单个有压输水模拟单元2占地5.0m×5.0m×0.2m，其上层输水管道202和下层输水管道206的长度均为200m，即单个有压输水模拟单元管道长度为400m。其中下层输水管道的布置方式如图5所示。上层输水管道202、下层输水管道206、支路进水口208、支路出水口209连接于多口连接器204，如图7所示。

在图7中，所述有压主流模拟装置21的上层输水管道202和下层输水管道206沿程均匀分布有若干个多功能管道监测终端212，所述的管道多功能监测终端212包括加固管214、堵塞螺栓215、测量螺栓216；所述的加固管214为一段高强度管件，位于安装有多功能管道监测终端212处的上层输水管道202或下层输水管道206的外壁，且上层输水管道202或下层输水管道206在该处有螺栓孔；所述的堵塞螺栓215可旋进螺栓孔将多功能管道监测终端212关闭；所述的测量螺栓216可旋进螺栓孔将多功能管道监测终端212开启，并通过管道传感器218对上层输水管道202、下层输水管道206内的各项指标进行监测，测量螺栓216由管道传感器安装口217和管道传感器218组合而成，管道传感器安装口217中心留有小孔220，用于导出管道传感器218的信号线219，且小孔220下端留有螺栓孔用于连接管道传感器218；所述的管道传感器218安装有第二传感器，第二传感器为流量传感器、水温传感器、压力传感器、湿度传感器、BOD传感器、COD传感器、营养盐传感器、溶解氧传感器、流速传感器中的一种。

特别的，上述有压输水模拟单元2中的上层输水管道202、下层输水管道206采用Φ150的GAl乙级压力管道，上管道泄压阀203、下管道泄压阀205采用由主泄压阀和辅助阀组成的脉冲式泄压阀，若输水管道内压力超过设定的压力值时，辅助阀先开启， 介质沿着导管进入主泄压阀，并将主泄压阀打开，使增高的压力降低。上管道控制闸201、下管道控制闸207采用调节型电动球阀，支路进水口208、支路出水口209处的阀门采用开关型电动球阀，上述阀门的调节旋钮安装于管道流量监控台210。上层输水管道202与下层输水管道206之间的管道温度调节器213，由多根温控管组成，通过控制管内液体的温度实现对输水主渠道内的水温控制。上层输水管道202、下层输水管道206与管道温度调节装置213之间的空隙用聚苯乙烯材料填充。

如图8所述多功能连接件3包含多功能水流转换装置31，包括锥形消能阀301、变频水泵302、进水口调节装置303、出水口调节装置304、状态控制开关305、连接腔306、连接管307；所述锥形消能阀301有“开”和“关”两种工作状态，由支撑杆固定于连接腔306内壁，锥形消能阀301上端与进水口调节装置303密闭连接，锥形消能阀301下端连接连接管307，进水口调节装置303与渠道出水口109或下管道控制闸207连接；所述变频水泵302有“低压”和“高压”两种工作状态，变频水泵302一端与出水口调节装置304连接，另一端与连接管307密闭连接，出水口调节装置304与进水闸102或上管道控制闸201连接；所述进水口调节装置303、出水口调节装置304通过可锁定的螺栓分别安装在连接腔306上端与下端，锥形消能阀301上安装有状态控制开关305。多功能连接件3用于提供“有压→有压”、“有压→无压”、“无压→无压”、“无压→有压”这四种流体过渡过程的模拟功能。

一种长距离引调水工程多功能模拟系统的模拟方法，具体包括如下步骤：

(一)模型预设：基于长距离输水实际工程总长度和实验室内场地限制的现实条件，确定采用本装置进行物理模型试验的长度比尺λ，时间比尺为流量比尺为λ_Q＝λ^2.5；鉴于实际工程长度与试验场地的限制，长度比尺定为λ＝100；按照比尺缩放得到模型尺寸、坡降、糙率、主流流量、支流流量的分布数据集；

(二)单元选定：依据实际工程的依次输水形式将工程分为若干段，每一段对应一种输水形式，或为无压式输水，或为有压式输水；依据每一段的实际长度，确定该段建模所需的无压输水模拟单元1或有压输水模拟单元2的个数，其确定步骤为：首先求出 的值，其中S_i为该段实际长度，λ为长度比尺，L为无压输水模拟单元1或者有压输水模拟单元2的长度；若N为整数，则该段建模所需模拟单元个数为N；若N为非整数，则所需模拟单元个数为[N]+1，其中[N]表示对N取整；

经过计算，使用该系统对上述输水工程进行模拟，在室内建模时依次选用并连接以下装置：11个有压输水模拟单元2、7个无压输水模拟单元1、1个有压输水模拟单元2；所述单元可分别编号为G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8、G9、G10、G11、Q12、 Q13、Q14、Q15、Q16、Q17、Q18、G19，如图9所示。当尾端输水模拟单元实际使用长度M小于一个模拟单元所能提供的模拟长度时，采取以下措施：对于无压输水，通过调整尾端无压输水模拟单元1的进水口位置(出水口不变)，使得该进水口距渠道出水口109的距离为M；对于有压输水，有压输水模拟单元2通过将就近位置的管道多功能监测装置(212)作为临时出水口(进水口不变)，使得该临时出水口距来流方向的管道控制阀的距离近似为M。

(三)单元组装：根据步骤(二)中求出的无压输水模拟单元1、有压输水模拟单元2的个数及其在实际工程中的位置顺序，将各模拟单元通过多功能连接件依次进行组装，多功能连接件有四种工作状态：一、当有压输水模拟单元2两两相连时，多功能连接件3的工作状态设定为“有压-有压”状态；二、当无压输水模拟单元1两两相连时，多功能连接件3的工作状态设定为“无压-无压”状态；三、当上游的无压输水模拟单元1与下游的有压输水模拟单元2相连时，多功能连接件3的工作状态设定为“无压-有压”状态；四、当上游的有压输水模拟单元2与下游的无压输水模拟单元1相连时，多功能连接件3的工作状态设定为“有压-无压”状态；

对于步骤(二)中的每一段，若为无压输水方式，则在对若干个无压输水模拟单元1进行组装时，采用逐层方式进行组装，即若干无压输水单元1逐层摆放串联以表征该段输水，且水流由上一层单元的无压进水控制装置12、无压主流模拟装置11、无压出水控制装置13自流进入下一层连接的单元；对于步骤(二)中的每一段，若为有压输水方式，采用逐层方式进行组装，即若干有压输水模拟单元2逐层摆放串联以表征该段输水，其水流流动方向依据实际需要既可由上而下流动，也可由下而上流动；

特别的，多个无压输水模拟单元1、有压输水模拟单元2采用模拟单元中心位置垂向对齐的方式进行组合安装，各模拟单元间通过多功能连接件进行连接。如图9举例所示，“位置一”、“位置二”、“位置三”、“位置四”处分别对应多功能连接件的“有压→有压”、“有压→无压”、“无压→无压”、“无压→有压”这四种功能。

(四)初始状态设定：对于无压输水模拟单元，调节进水闸102、出水闸105、无压管道阀107使其潜在过流能力为最大状态，对于有压输水模拟单元，调节上管道控制闸201、下管道控制闸207使其潜在过流能力为最大状态；同时，对于无压输水模拟单元1，使得清水支流进水口110、污水支流进水口111、支流出水口112处于关闭状态；对于有压输水模拟单元2，使得支路进水口208和支路出水口209处于关闭状态；

(五)监测设备安装：针对实验要求和目的，在需要监测水流、水质的指定位置处安装相应的监测设备，对于无压输水模拟单元1，安装明渠多功能监测终端115，对于有压输水模拟单元2，安装管道多参数监测终端212，所述管道多参数监测终端212上 加装流量传感器、水温传感器、压力传感器、湿度传感器、BOD传感器、COD传感器、营养盐传感器、溶解氧传感器、流速传感器中的一种；

(六)充水调节流量：操作上述步骤中安装完成的设备，并依据步骤(一)中得到的主流流量、支流流量数据集，通过控制明渠流量监控台113、管道流量监控台210对模拟系统进行充水，待1.5T时间后，其中的T指水流流过所有模拟单元调节所需时间，再通过调节各模拟单元内的各闸门，使各单元的主流进出流、支流进出流的流量符合实际条件；

(七)实验观测：实时观测并记录明渠指标显示台114、管道指标显示台211的监测数据，为进一步的水量控制、管渠安全、水量损耗、突发水污染、输水效率分析、优化运行等研究提供数据；在实验过程中，若监测指标不涉及水质指标，则模拟单元中所输送的水经一次循环后可重复使用，若涉及到水质指标，则模拟单元中所输送的水不可重复使用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种长距离引调水工程多功能模拟系统，其特征在于：包括若干个无压输水模拟单元(1)、若干个有压输水模拟单元(2)，所述相邻的无压输水模拟单元(1)之间或者相邻的有压输水模拟单元(2)之间或者无压输水模拟单元(1)与有压输水模拟单元(2)之间都通过多功能连接件(3)连接；

所述无压输水模拟单元(1)包括无压主流模拟装置(11)、无压进水控制装置(12)、无压出水控制装置(13)、无压支流模拟装置(14)、明渠流量监控装置(15)、明渠水质监测装置(16)；所述无压主流模拟装置(11)包含用于模拟无压式引调水的输水主渠道流动的输水渠道(104)，输水渠道(104)上设有若干个采集水质的第一传感器，输水渠道(104)为螺旋布置成圆盘状的明渠，输水渠道(104)的上游位于圆盘状的明渠的中心位置，输水渠道(104)中心底部安装有用于调节蓄水池(101)高度进而改变输水渠道(104)的沿程坡降的液压杆(103)，蓄水池(101)位于液压杆(103)正上方，输水渠道(104)的下垫面装有由多根温控管组成的渠道温度调节器(116)，通过控制温控管内液体的温度实现对输水渠道(104)内的水温控制；无压进水控制装置(12)用于接受区间段上游来流及控制下泄流量，包括蓄水池(101)和进水闸(102)，其中蓄水池(101)安置在上游，即输水渠道(104)的中心位置，用于承接上游来流，蓄水池(101)安装有进水闸(102)控制蓄水池(101)出水流量以便为本区间段输水；所述无压出水控制装置(13)用于控制无压式引调水的区间出流，包括出水闸(105)、缓冲池(106)、无压管道阀(107)、无压出水管(108)、渠道出水口(109)，其中出水闸(105)安置在输水渠道(104)下游末端处，与缓冲池(106)相连，无压出水管(108)水平安置在输水渠道(104)的下部，一端通过无压管道阀(107)与缓冲池(106)相连，另一端设有渠道出水口(109)；所述无压支流模拟装置(14)用于模拟无压式引调水区间出入支流，包括清水支流进水口(110)、污水支流进水口(111)、支流出水口(112)，均安装在缓冲池(106)的侧边；所述明渠流量监控装置(15)包含明渠流量监控台(113)和安装于进水闸(102)、出水闸(105)、清水支流进水口(110)、污水支流进水口(111)、支流出水口(112)、无压管道阀(107)处的流量传感器，明渠流量监控台(113)通过信号线与各个流量传感器连接，明渠流量监控台(113)通过信号线与流量传感器连；所述明渠水质监测装置(16)包括明渠指标显示台(114)和可拆卸式的明渠多功能监测终端(115)，明渠多功能监测终端(115)通过信号线与无压主流模拟装置(11)中的第一传感器连接，明渠指标显示台(114)通过信号线接受存储多功能监测终端(115)的监测数据并实时显示；

所述有压输水模拟单元(2)包括有压主流模拟装置(21)、有压进出水控制装置(22)、有压支流模拟装置(23)、管道流量监控装置(24)、管道水质监测装置(25)；所述有 压主流模拟装置(21)包括上层输水管道(202)和下层输水管道(206)，所述上层输水管道(202)和下层输水管道(206)平行安置且螺旋布置成圆盘状，上层输水管道(202)和下层输水管道(206)通过多口连接器(204)进行连接，上层输水管道(202)和下层输水管道(206)上设有若干个采集水质的第二传感器，上层输水管道(202)与下层输水管道(206)之间装有多根温控管组成的管道温度调节器(213)；所述有压进出水控制装置(22)包括上管道控制闸(201)、下管道控制闸(207)、上管道泄压阀(203)、下管道泄压阀(205)，上层输水管道(202)和下层输水管道(206)中心位置安置有兼具进水和出水的双重作用的上管道控制闸(201)和下管道控制闸(207)，上管道泄压阀(203)和下管道泄压阀(205)分别安装于上层输水管道(202)和下层输水管道(206)上，均靠近多口连接器(204)；所述有压支流模拟装置(23)包括支路进水口(208)和支路出水口(209)，安装在多口连接器(204)的侧边；所述管道流量监控装置(24)包含管道流量监控台(210)和安装于管道控制闸(201)、下管道控制闸(207)、支路进水口(208)、支路出水口(209)上的流量传感器，管道流量监控台(210)通过信号线与流量传感器连接；所述管道水质监控装置(25)包括管道指标显示台(211)和管道多功能监测终端(212)，其中管道多功能监测终端(212)通过信号线与第二传感器连接，指标显示台(211)可通过信号线接受存储管道多功能监测终端(212)的监测数据并实时显示；

所述多功能连接件(3)包含多功能水流转换装置(31)，包括锥形消能阀(301)、变频水泵(302)、进水口调节装置(303)、出水口调节装置(304)、状态控制开关(305)、连接腔(306)、连接管(307)；所述锥形消能阀(301)有“开”和“关”两种工作状态，由支撑杆固定于连接腔(306)内壁，锥形消能阀(301)上端与进水口调节装置(303)密闭连接，锥形消能阀(301)下端连接连接管(307)，进水口调节装置(303)与渠道出水口(109)或下管道控制闸(207)连接；所述变频水泵(302)有“低压”和“高压”两种工作状态，变频水泵(302)一端与出水口调节装置(304)连接，另一端与连接管(307)密闭连接，出水口调节装置(304)与进水闸(102)或上管道控制闸(201)连接；所述进水口调节装置(303)、出水口调节装置(304)通过可锁定的螺栓分别安装在连接腔(306)上端与下端，连接腔(306)外壁安装有控制锥形消能阀(301)的状态控制开关(305)。

2.根据权利要求1所述的一种长距离引调水工程多功能模拟系统，其特征在于：所述无压支流模拟装置(14)的清水支流进水口(110)和支流出水口(112)分别与可逆水泵连接，通过一台可逆水泵控制进出流量，污水支流进水口(111)与污水泵连接，通过一台污水泵控制进流量。

3.根据权利要求1所述的一种长距离引调水工程多功能模拟系统，其特征在于：所述圆盘状的无压主流模拟装置(11)的内外圈的明渠之间由圆形隔板隔开，隔板的顶端有矩形凸起(120)，矩形凸起(120)外安装明渠水质监测装置(16)中的明渠多功能监测终端(115)。

4.根据权利要求3所述的一种长距离引调水工程多功能模拟系统，其特征在于：所述明渠多功能监测终端(115)包括拱形支架(117)、上游测量臂(118)、下游测量臂(119)，其中拱形支架(117)断面形状类似门形，可卡在圆形隔板顶端的矩形凸起(120)上，所述上游测量臂(118)和下游测量臂(119)的一端均为渠道传感器安装口(121)，另一端均通过可旋转吊环螺丝安置在拱形支架(117)上，使其可根据需要调节渠道传感器安装口(121)的高度；所述渠道传感器安装口(121)上加装第一传感器，第一传感器为流量传感器、水温传感器、压力传感器、湿度传感器、BOD传感器、COD传感器、营养盐传感器、溶解氧传感器或流速传感器中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种长距离引调水工程多功能模拟系统，其特征在于：所述有压主流模拟装置(21)的上层输水管道(202)和下层输水管道(206)沿程均匀分布有若干个多功能管道监测终端(212)，所述的管道多功能监测终端(212)包括加固管(214)、堵塞螺栓(215)、测量螺栓(216)；所述的加固管(214)为一段高强度管件，位于安装有多功能管道监测终端(212)处的上层输水管道(202)或下层输水管道(206)的外壁，且上层输水管道(202)或下层输水管道(206)在该处有螺栓孔；所述的堵塞螺栓(215)可旋进螺栓孔将多功能管道监测终端(212)关闭；所述测量螺栓(216)可旋进螺栓孔将多功能管道监测终端(212)开启，测量螺栓(216)由管道传感器安装口(217)和管道传感器(218)组合而成，管道传感器安装口(217)中心留有小孔(220)，用于导出管道传感器(218)的信号线(219)，且小孔(220)下端留有螺栓孔用于连接管道传感器(218)；所述的管道传感器(218)安装有第二传感器，第二传感器为流量传感器、水温传感器、压力传感器、湿度传感器、BOD传感器、COD传感器、营养盐传感器、溶解氧传感器、流速传感器中的一种。

6.一种长距离引调水工程多功能模拟系统的模拟方法，其特征在于，按照以下方法进行操作：

(一)模型预设：基于输水实际工程总长度和实验室内场地限制的现实条件，确定采用本装置进行物理模型试验的长度比尺λ，时间比尺为流量比尺为按照比尺缩放得到模型尺寸、坡降、糙率、主流流量、支流流量的分布数据集；

(二)单元选定：依据实际工程的依次输水形式将工程分为若干段，每一段对应一种输水形式，或为无压式输水，或为有压式输水；依据每一段的实际长度，确定该段建 模所需的无压输水模拟单元(1)或有压输水模拟单元(2)的个数，其确定步骤为：首先求出的值，其中S_i为该段实际长度，λ为长度比尺，L为无压输水模拟单元(1)或者有压输水模拟单元(2)的长度；若N为整数，则该段建模所需模拟单元个数为N；若N为非整数，则所需模拟单元个数为[N]+1，其中[N]表示对N取整；

(三)单元组装：根据步骤(二)中求出的无压输水模拟单元(1)、有压输水模拟单元(2)的个数及其在实际工程中的位置顺序，将各模拟单元通过多功能连接件(3)依次进行组装，多功能连接件(3)有四种工作状态：一、当有压输水模拟单元(2)两两相连时，多功能连接件(3)的工作状态设定为“有压-有压”状态；二、当无压输水模拟单元(1)两两相连时，多功能连接件(3)的工作状态设定为“无压-无压”状态；三、当上游的无压输水模拟单元(1)与下游的有压输水模拟单元(2)相连时，多功能连接件(3)的工作状态设定为“无压-有压”状态；四、当上游的有压输水模拟单元(2)与下游的无压输水模拟单元(1)相连时，多功能连接件(3)的工作状态设定为“有压-无压”状态；

对于步骤(二)中的每一段，若为无压输水方式，则在对若干个无压输水模拟单元(1)进行组装时，采用逐层方式进行组装，即若干无压输水单元(1)逐层摆放串联以表征该段输水，且水流由上一层单元的无压进水控制装置(12)、无压主流模拟装置(11)、无压出水控制装置(13)自流进入下一层连接的单元；对于步骤(二)中的每一段，若为有压输水方式，采用逐层方式进行组装，即若干有压输水模拟单元(2)逐层摆放串联以表征该段输水；

(四)初始状态设定：对于无压输水模拟单元(1)，调节进水闸(102)、出水闸(105)、无压管道阀(107)使其潜在过流能力为最大状态，对于有压输水模拟单元(2)，调节上管道控制闸(201)、下管道控制闸(207)使其潜在过流能力为最大状态；同时，对于无压输水模拟单元(1)，使得清水支流进水口(110)、污水支流进水口(111)、支流出水口(112)处于关闭状态；对于有压输水模拟单元(2)，使得支路进水口(208)和支路出水口(209)处于关闭状态；

(五)监测设备安装：针对实验要求和目的，在需要监测水流、水质的指定位置处安装相应的监测设备，对于无压输水模拟单元(1)，安装明渠多功能监测终端(115)，对于有压输水模拟单元(2)，安装管道多参数监测终端(212)；

(六)充水调节流量：操作上述步骤中安装完成的设备，并依据步骤(一)中得到的主流流量、支流流量数据集，通过控制明渠流量监控台(113)、管道流量监控台(210)对模拟系统进行充水，待1.5T时间后，其中的T指水流流过所有模拟单元调节所需时 间，再通过调节各模拟单元内的各闸门，使各单元的主流进出流、支流进出流的流量符合实际条件；

(七)实验观测：实时观测并记录明渠指标显示台(114)、管道指标显示台(211)的监测数据，为进一步的水量控制、管渠安全、水量损耗、突发水污染、输水效率分析、优化运行等研究提供数据。