CN112114595B - 一种渠道控制中恒定流区分水扰动的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种渠道控制中恒定流区分水扰动的处理方法，首先根据下游水量恒定思想，计算恒定流区分水渠道对应的前馈控制时间；随后计算不同工况下的前馈时间，得出分水渠道前馈控制时间的拟合公式；最后依据得到的拟合公式，提出将恒定流区分水扰动转换为回水区分水扰动的处理思路，实现恒定流区分水扰动向回水区分水扰动的转移。本发明利用渠段的前馈控制时间将恒定流区分水流量变化的控制问题转移到回水区分水流量变化的控制问题上，将原本包括恒定流区、回水区两种分水扰动类型的渠道控制问题转变为仅包括回水区分水扰动的处理，打破了渠道自动控制算法中恒定流区分水扰动处理难的困境。

Description

一种渠道控制中恒定流区分水扰动的处理方法

技术领域

本发明涉及一种渠道控制中恒定流区分水扰动的处理方法，属于农田灌溉输水渠道控制领域。

背景技术

随着国家对灌区现代化建设的推进，渠道自动控制不可避免的成为当前农业用水管理研究的热点。渠道控制的目的是满足沿线分水渠道流量需求及渠道水位的稳定，因此沿线分水渠道的流量变化(在渠道控制中一般称其为分水扰动)是影响渠道控制的关建因素，也是渠道自动控制算法中需要解决的核心问题。依据渠道水力特性分析，渠段通常存在恒定流区和回水区两种状态(图1所示)。目前渠道自动控制算法中对位于回水区分水渠道的分水扰动考虑较多，少有针对恒定流区分水渠道扰动处理方法的研究，导致目前所提出渠道自动控制算法的局限性较大，在实际应用中控制效果差。

发明内容

基于上述问题，本研究发明了一种用于处理渠道自动控制算法中恒定流区分水扰动的方法，利用该方法可将恒定流区分水扰动问题转变为回水区分水扰动问题，为提升渠道自动控制效果提供理论依据。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种渠道控制中恒定流区分水扰动的处理方法，包括以下步骤：

(1))恒定流区前馈时间的计算：根据下游水量恒定思想，计算恒定流区分水渠道对应的前馈控制时间；

(2)前馈控制时间的拟合：计算不同工况下的前馈时间，得出分水渠道前馈控制时间的拟合公式；

(3)恒定流区分水流量的转移：最后依据得到的拟合公式，将恒定流区分水扰动转换为回水区分水扰动的处理，实现恒定流区分水扰动向回水区分水扰动的转移。

优选地：所述的步骤(1)恒定流区前馈时间的计算包括以下步骤：

典型恒定流区分水渠道在渠道运行过程中下游流量不仅受上游流量的影响，同时也受分水流量的影响，为保证下游水量恒定，减少渠段弃水或供水不足，由上游调控引起的下游流量变化与由分水渠道调控引起的下游流量变化之和在时间上的积分应等于零，即下游水量恒定的数学表达形式为：

式中：V为调控作用引起的下游水量变化，ΔQ_out(t)为在上游和分水渠道综合影响下的下游流量变化，

为上游流量变化影响下的下游流量变化，

为分水渠道流量变化影响下的下游流量变化；

(1)上游调控的影响：

采用Munier等提出的拟合方程来描述上游调控对下游流量的影响：

式中：t为时间，ΔQ_in为上游流量变化值，τ为下游流量开始变化的时间参数，K为时间参数，代表流量在传播中的衰减，τ和K的值可通过明渠水流的数值模拟得到，h(t)为上游调控引起的下游水位变化，等于下游水位与初始水位之差；k_d为下游流量对水位变化的敏感性；

(2)分水渠道调控的影响

采用Litrico和Fromion提出的拟合方程来描述分水渠道调控对下游流量的影响：

式中：Δq为分水流量变化值，T_out为分水流量变化时间，K_p为分水渠道调控下的时间参数，ξ为分水渠道调控引起的瞬时水位下降，K_p和ξ的值可以通过水流的数值模拟推算得到；

(3)前馈控制时间确定

对渠道上游进行调控后，变化的水流逐步到达分水渠道，此阶段下游流量仅受上游调控的影响；当对分水渠道进行调控后，下游流量受到上游调控和分水调控的共同影响，下游流量变化在整个阶段的拟合方程为：

由于上游流量的变化是为了满足分水流量的需求，故ΔQ_in＝Δq，将上式代入公式可得：

整理可得：

通过式(6)求出分水渠道对应的使下游水量恒定的渠段进流量提前操作时间(T_out，opt)及前馈控制时间(T_ff)：

T_ff＝T_out，pla-T_out，opt 公式(8)

式中：T_out，pla为分水渠道流量发生变化时间，由农户的需水要求确定。

优选地：所述的步骤(2)前馈控制时间的拟合：

为得到某渠道前馈控制时间的拟合公式，对不同工况下该渠道的前馈控制时间进行计算，并绘制流量、水深两水力要素与前馈控制时间的散点图，进而得到流量-前馈控制时间、水深-前馈控制时间的拟合公式。

优选地：所述的步骤(3)恒定流区分水流量的转移：利用单渠段的提前操作时间将恒定流区分水流量的变化转移到上游相邻渠段回水区分水流量的变化中，则恒定流区分水流量变化的控制问题就可转移到回水区分水流量变化的控制问题上，整个渠道的控制也就转变为对回水区控制问题的求解。

本发明的有益效果：

(1)本发明的计算方法基于下游水量恒定思想计算恒定流分水扰动的前馈控制时间，该方法确定的前馈控制时间在满足分水渠道流量变化的同时最大程度的减少了对其下游水量的影响，避免下游渠道弃水或供水不足情况的发生，有效保障了渠道供水的安全及稳定性。

(2)本发明利用恒定流区分水扰动的前馈控制时间，将恒定流区分水扰动转移到上游相邻渠段回水区分水扰动中，将原本包括恒定流区、回水区两种分水扰动类型的渠道控制问题转变为仅包括回水区分水扰动的处理，打破了渠道自动控制算法中恒定流区分水扰动处理难的困境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为渠道恒定流区与回水区示意图；

图2为典型渠道恒定流区分水渠道示意图；

图3为恒定流区分水流量“转移”示意图；

图4为T_out，opt-流量、T_out，opt-水位的散点图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种渠道控制中恒定流区分水扰动的处理方法，在处理恒定流区分水扰动时，首先根据下游水量恒定思想，计算恒定流区分水渠道对应的前馈控制时间；随后计算不同工况下的前馈时间，得出分水渠道前馈控制时间的拟合公式；最后依据得到的拟合公式，提出将恒定流区分水扰动转换为回水区分水扰动的处理思路，实现恒定流区分水扰动向回水区分水扰动的转移。具体实现方法为：

(1)恒定流区前馈时间的计算

在简单的单渠段中，为应对恒定流区分水流量变化一般采取前馈控制策略，即提前操控上游建筑物使分水渠道的流量需求得到满足，其中最为关键的是确定上游建筑物的提前操作时间。以分水渠道需求流量增加为例，需提前增加上游流量来及时满足需求流量的变化，但若上游流量增加过早，将导致过多的水量流入下游产生水量损失，若上游流量增加过晚，则会导致流入下游的水量过少，引起下游供水不足。因此需要准确计算上游建筑物的提前操作时间，使其在满足分水需求的同时能够有效保证下游水量的恒定，减少渠段弃水或供水不足，保证供水的安全及稳定性。

典型恒定流区分水渠道示意图如图2所示，渠道运行过程中下游流量(Q_out)不仅受上游流量(Q_in)的影响，同时也受分水流量(q)的影响。为保证下游水量恒定，减少渠段弃水或供水不足，由上游调控引起的下游流量变化

与由分水渠道调控引起的下游流量变化

之和在时间上的积分应等于零，即下游水量恒定的数学表达形式为：

式中：V为调控作用引起的下游水量变化，ΔQ_out(t)为在上游和分水渠道综合影响下的下游流量变化，

为上游流量变化影响下的下游流量变化，

为分水渠道流量变化影响下的下游流量变化。

(1)上游调控的影响

水流在渠道中的传播通常采用的圣维南方程组属于一阶拟线性双曲型偏微分方程，直接利用该方程组分析水流变化、制定控制策略较为复杂，因此构建基于圣维南程组的拟合方程是渠道运行控制中常用的方法。在此采用Munier等提出的拟合方程来描述上游调控对下游流量的影响：

式中：t为时间，ΔQ_in为上游流量变化值，τ为下游流量开始变化的时间参数，K为时间参数，代表流量在传播中的衰减，τ和K的值可通过明渠水流的数值模拟得到，h(t)为上游调控引起的下游水位变化，等于下游水位与初始水位之差；k_d为下游流量对水位变化的敏感性。

(2)分水渠道调控的影响

采用Litrico和Fromion提出的拟合方程来描述分水渠道调控对下游流量的影响：

式中：Δq为分水流量变化值，T_out为分水流量变化时间，K_p为分水渠道调控下的时间参数，ξ为分水渠道调控引起的瞬时水位下降，K_p和ξ的值可以通过水流的数值模拟推算得到。

(3)前馈控制时间确定

对渠道上游进行调控后，变化的水流逐步到达分水渠道，此阶段下游流量仅受上游调控的影响；当对分水渠道进行调控后，下游流量受到上游调控和分水调控的共同影响，下游流量变化在整个阶段的拟合方程为：

由于上游流量的变化是为了满足分水流量的需求，故ΔQ_in＝Δq，将上式代入公式可得：

整理可得：

通过式(6)求出分水渠道对应的使下游水量恒定的渠段进流量提前操作时间(T_out，opt)及前馈控制时间(T_ff)：

T_ff＝T_out，pla-T_out，opt 公式(8)

式中：T_out，pla为分水渠道流量发生变化时间，由农户的需水要求确定。

(2)前馈控制时间的拟合

根据渠道水流工况，依据上述原理可计算得出分水渠道的前馈控制时间。为得到某渠道前馈控制时间的拟合公式，对不同工况下该渠道的前馈控制时间进行计算，并绘制流量、水深两水力要素与前馈控制时间的散点图，进而得到流量-前馈控制时间、水深-前馈控制时间的拟合公式。

(3)恒定流区分水流量的转移

对于多渠段渠道，由于各渠段内回水区的存在，不能简单的通过各渠段提前操作时间的相加来计算渠首的提前操作时间。但若转变看待问题的角度，可以利用单渠段的提前操作时间将恒定流区分水流量的变化转移到上游相邻渠段回水区分水流量的变化中，则恒定流区分水流量变化的控制问题就可转移到回水区分水流量变化的控制问题上，整个渠道的控制也就转变为对回水区控制问题的求解。以图3为例进行说明，若已知分水渠道Q₁、Q₂的分水流量为q₁(t)、q₂(t)，其中t为时间。在未处理之前，渠道系统需要依据Q₁、Q₂的分水流量制定G₁、G₂的调控规则，较为复杂，且无成熟的处理方法；在处理后，计算得到恒定流区分水渠道Q₂的提前操作时间为t_Q2，opt(即为应对Q₂在t时刻的分水流量q₂(t)，需要在t-t_Q2，opt对G₂进行调节)，渠道控制系统只需依据Q₁修正后的分水流量(q₁(t)，t＜t-t_Q2，opt；q₁(t)+q₂(t)，t＞t-t_Q2，opt)制定G₁的调节规则(Q₂的提前操作时间已知，即G₂的调节规则已定)。对于多个分水渠道的渠道亦是同样道理，恒定流区的分水流量均可叠加到上游相邻渠段回水区的分水流量中，进而通过回水区控制策略对整个渠道进行控制。

算例分析：

以图3所示的渠段为例进行分析，已知上级渠道流量为Q₀＝10m³/s，分水渠道Q₁(回水区)、Q₂(恒定流区)的分水需求如下：

相应在制定渠道控制策略时，Q₁、Q₂的分水扰动为：

分水渠道Q₂位于恒定流区，依据上述方法对其进行处理。

(1)前馈时间的计算与拟合

仿真工况为：上级渠道流量为Q₀＝10m³/s，Q₂的初始分水流量为2.0m³/s，在T_out，pla＝100min时分水流量发生变化Δq＝0.5m³/s。

通过所述可知只要求出分水渠道Q₂的提前操作时间T_out，opt就可得到渠道的前馈控制时间(T_ff)。在计算分水渠道T_out，opt的过程中，首先通过求解渠道非恒定流方程组分别对渠首流量增加、分水渠道流量增加两种情景进行模拟，以确定相关参数：τ＝823s、K＝2573s、k_d＝8.22m²/s、K_p＝2192s、ξ＝0.29s/m²。

将参数带入公式7、8，可以得出分水渠道提前操作时间及渠道前馈控制时间：

T_ff＝T_out，pla-T_out，opt＝100-46＝54min

即在分水渠道流量变化前46min的时刻进行上游闸门G₂流量的调控对下游水量的影响最小。

利用上述原理，对不同工况下Q₂对应的渠段进流量提前操作时间(T_out，opt)及前馈控制时间(T_ff)进行计算(表1)。根据流量与T_out，opt、水深与T_out，opt绘制了相应的散点图(图4)，并得到流量-T_out，opt、水深-T_out，opt的拟合公式如下：

式中：

表示根据流量拟合得到的前馈控制时间，

表示根据水深拟合得到的前馈控制时间，Q₀为上级渠道流量，h₀为Q₀对应的常水深。

表1不同工况下的分水渠道最优调控时间

(2)恒定流区分水扰动的转移

根据以上计算，在工况(Q₀＝10m³/s)下，Q₂分水扰动对应的提前操作时间为46min，将恒定流区分水渠道Q₂的分水扰动转移至回水区分水扰动后，在制定渠道控制策略时，Q₁、Q₂的分水扰动为：

即恒定流区分水扰动(ΔQ₂)转移到了回水区分水扰动(ΔQ₁)中。

对于任意工况下，同样道理，Q₁、Q₂的分水扰动为：

本发明确定的前馈控制时间在满足分水渠道流量变化的同时最大程度的减少了对其下游水量的影响，避免下游渠道弃水或供水不足情况的发生，有效保障了渠道供水的安全及稳定性。该方法利用渠段的前馈控制时间将恒定流区分水流量的变化转移到上游相邻渠段回水区分水流量的变化中，则恒定流区分水流量变化的控制问题就可转移到回水区分水流量变化的控制问题上，整个渠道的控制也就转变为对回水区控制问题的求解，打破了渠道自动控制算法中恒定流区分水扰动处理难的困境，

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种渠道控制中恒定流区分水扰动的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1))恒定流区前馈时间的计算：根据下游水量恒定思想，计算恒定流区分水渠道对应的前馈控制时间；

(2)前馈控制时间的拟合：计算不同工况下的前馈时间，得出分水渠道前馈控制时间的拟合公式；

(3)恒定流区分水流量的转移：最后依据得到的拟合公式，将恒定流区分水扰动转换为回水区分水扰动的处理，实现恒定流区分水扰动向回水区分水扰动的转移；所述的步骤(1)恒定流区前馈时间的计算包括以下步骤：

典型恒定流区分水渠道在渠道运行过程中其下游流量不仅受上游流量的影响，同时也受分水流量的影响，为保证下游水量恒定，减少渠段弃水或供水不足，由上游调控引起的下游流量变化与由分水渠道调控引起的下游流量变化之和在时间上的积分应等于零，即下游水量恒定的数学表达形式为:

式中：V为调控作用引起的下游水量变化，ΔQ_out(t)为在上游和分水渠道综合影响下的下游流量变化，

为上游流量变化影响下的下游流量变化,

为分水渠道流量变化影响下的下游流量变化。

(1)上游调控的影响：

采用Munier等提出的拟合方程来描述上游调控对下游流量的影响：

式中：t为时间，ΔQ_in为上游流量变化值，τ为下游流量开始变化的时间参数，K为时间参数，代表流量在传播中的衰减，τ和K的值可通过明渠水流的数值模拟得到，h(t)为上游调控引起的下游水位变化，等于下游水位与初始水位之差；k_d为下游流量对水位变化的敏感性；

(2)分水渠道调控的影响

采用Litrico和Fromion提出的拟合方程来描述分水渠道调控对下游流量的影响：

式中：Δq为分水流量变化值，T_out为分水流量变化时间，K_p为分水渠道调控下的时间参数，ξ为分水渠道调控引起的瞬时水位下降，K_p和ξ的值可以通过水流的数值模拟推算得到；

(3)前馈控制时间确定

对渠道上游进行调控后，变化的水流逐步到达分水渠道，此阶段下游流量仅受上游调控的影响；当对分水渠道进行调控后，下游流量受到上游调控和分水调控的共同影响，下游流量变化在整个阶段的拟合方程为：

由于上游流量的变化是为了满足分水流量的需求，故ΔQ_in＝Δq，将上式代入公式可得：

整理可得：

通过式(6)求出分水渠道对应的使下游水量恒定的渠段进流量提前操作时间(T_out，opt)及前馈控制时间(T_ff)：

T_ff＝T_out,pla-T_out,opt 公式(8)

式中：T_out，pla为分水渠道流量发生变化时间，由农户的需水要求确定；；所述的步骤(2)前馈控制时间的拟合：

为得到某渠道前馈控制时间的拟合公式，对不同工况下该渠道的前馈控制时间进行计算，并绘制流量、水深两水力要素与前馈控制时间的散点图，进而得到流量-前馈控制时间、水深-前馈控制时间的拟合公式；

所述的步骤(3)恒定流区分水流量的转移：利用单渠段的提前操作时间将恒定流区分水流量的变化转移到上游相邻渠段回水区分水流量的变化中，则恒定流区分水流量变化的控制问题就可转移到回水区分水流量变化的控制问题上，整个渠道的控制也就转变为对回水区控制问题的求解。

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