CN116400763B - 一种冬季输水明渠动态控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种冬季输水明渠动态控制方法，首先获取目标渠道的断面当前平均水温，在断面当前平均水温大于预警水温时，根据目标渠道的断面平均水温与输水流量之间的映射关系，确定断面当前平均水温对应的目标输水流量，并将当前输水流量调整至目标输水流量；在断面当前平均水温小于或等于预警水温时，将当前输水流量调整至安全输水流量，该安全输水流量小于目标输水流量。基于实际水温情况对输水流量进行动态调控：若当前水温不存在短期形成冰盖风险，将当前输水流量调整至目标输水流量；若当前水温存在短期形成冰盖风险，将当前输水流量调整为较小的安全输水流量，从而在保证输水安全性的同时，有效提高冬季输水效率。

Description

一种冬季输水明渠动态控制方法

技术领域

本申请涉及水利工程技术领域，尤其涉及一种冬季输水明渠动态控制方法。

背景技术

水利工程是国民经济基础设施的重要组成部分,在防洪安全、水资源合理利用、生态环境保护和推动国民经济发展等方面具有不可替代的重要作用。

近年来，我国新建了一大批长距离调水工程，其中，北方寒冷地区在冬季输水过程中容易出现输水结冰的现象，若输水形成了冰盖且流速较大时则容易导致冰塞灾害。为避免冰塞灾害的发生，当前通常将整个冬季（通常为90天）渠道输水的水流速度/水流弗劳德数降至最低，以使渠道按照较低的安全流量进行输水，从而造成渠道输水流量大幅降低。然而，部分年份的冬季平均气温尚高（即暖冬），使得冬季输水不会形成冰盖（通常仅形成岸冰或流冰），若仍按照安全流量进行渠道输水，会严重降低冬季输水效率。

发明内容

本申请提供一种冬季输水明渠动态控制方法，用于缓解当前冬季输水效率低的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请提供以下技术方案：

本申请提供一种冬季输水明渠动态控制方法，包括：

获取目标渠道的断面当前平均水温；

在所述断面当前平均水温大于预警水温时，根据所述目标渠道的断面平均水温与输水流量之间的映射关系，确定所述断面当前平均水温对应的目标输水流量；

对所述目标渠道的当前输水流量进行控制，以将所述当前输水流量调整至所述目标输水流量；

在所述断面当前平均水温小于或等于所述预警水温时，对所述当前输水流量进行控制，以将所述当前输水流量调整至安全输水流量；其中，所述安全输水流量小于所述目标输水流量。

其中，在所述断面当前平均水温大于预警水温时，根据所述目标渠道的断面平均水温与所述目标渠道的输水流量之间的映射关系，确定所述断面当前平均水温对应的目标输水流量的步骤之前，还包括：

确定目标渠道的断面平均水温与输水流量之间的映射关系。

其中，所述确定目标渠道的断面平均水温与输水流量之间的映射关系的步骤，包括：

获取目标渠道的当前输水调控速度，及，所述目标渠道的断面历史平均水温；

确定所述断面历史平均水温对应的断面水体降温极限速度；

基于所述断面水体降温极限速度和所述当前输水调控速度，确定所述目标渠道的断面平均水温与输水流量之间的映射关系。

其中，在任何条件下，所述当前输水流量调整至所述安全输水流量的所需时长小于所述断面当前平均水温演变为所述预警水温的所需时长。

其中，所述在所述断面当前平均水温小于或等于所述预警水温时，对所述当前输水流量进行控制，以将所述当前输水流量调整至安全输水流量的步骤之前，还包括：

根据安全流量控制参数，确定所述目标渠道对应的安全输水流量。

其中，所述安全流量控制参数包括平均流速或水流弗劳德数，所述根据安全流量控制参数，确定所述目标渠道对应的安全输水流量的步骤，包括：

对所述平均流速或所述水流弗劳德数进行参数计算，得到所述目标渠道对应的安全输水流量。

本申请实施例提供一种冬季输水明渠动态控制方法，首先获取目标渠道的断面当前平均水温，在断面当前平均水温大于预警水温时，根据目标渠道的断面平均水温与输水流量之间的映射关系，确定断面当前平均水温对应的目标输水流量，并将当前输水流量调整至目标输水流量；在断面当前平均水温小于或等于预警水温时，将当前输水流量调整至安全输水流量，该安全输水流量小于目标输水流量。基于实际水温情况对输水流量进行动态调控：若当前水温不存在短期形成冰盖风险，将当前输水流量调整至目标输水流量；若当前水温存在短期形成冰盖风险，将当前输水流量调整为较小的安全输水流量，从而在保证输水安全性的同时，有效提高冬季输水效率。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1是本申请实施例提供的冬季输水明渠动态控制方法的流程示意图。

图2是本申请实施例提供的目标渠道的断面平均水温与输水流量之间的映射关系折线图。

图3a是本申请实施例对应的输水情况与现有技术对应的输水情况的比对折线图（冷冬年份）。

图3b是本申请实施例对应的输水情况与现有技术对应的输水情况的比对折线图（暖冬年份）。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供一种冬季输水明渠动态控制方法。

如图1所示，图1是本申请实施例提供的冬季输水明渠动态控制方法的流程示意图，具体流程可以如下：

S101.获取目标渠道的断面当前平均水温。

其中，断面当前平均水温表征当前水流在目标渠道断面（即剖面）处的温度均值。

通常情况下，跨流域调水工程是将富水区（水资源较为丰富的地区）的水资源输送至缺水区（水资源较为贫乏的地区），以达到水资源空间均衡配置的效果。

在本实施例中，目标渠道即为跨流域调水工程中用于输送水资源的明渠，具体地，在实际应用过程中，目标渠道在断面左、中、右和水深方向的温度可能存在差异，并将其水温的均值作为断面当前平均水温。

可选地，在实际应用过程中，可在目标渠道内布设温度监测设备（例如，水温传感器或温深仪）以实时采集断面各方向的水流温度。

S102.在断面当前平均水温大于预警水温时，根据目标渠道的断面平均水温与输水流量之间的映射关系，确定断面当前平均水温对应的目标输水流量。

其中，预警水温为判断水体短期（通常为1-3天）内能否形成冰盖的依据，输水流量表征在单位时间内通过目标渠道断面的水流体积。

具体地，北方寒冷地区在冬季输水过程中容易出现输水结冰的现象，通常情况下，当断面的平均水温T≤3.0℃时岸冰初生，当T≤1.5℃时出现流冰，当T≤0.2℃时冰盖开始生成，若水流形成了冰盖且流速较大时则很容易导致冰塞灾害。为此，通常将整个冬季（通常为90天）的输水流量降低至安全流量（流量通常极小），以避免冰塞灾害的发生。然而，部分年份的冬季平均气温尚高（即暖冬），使得冬季水温较高，无法形成冰盖（例如，当0℃＜T≤1.5℃时形成流冰，0℃＜T≤3.0℃时形成岸冰，T＞3.0℃时不结冰），若仍持续按照安全流量进行输水，则会严重降低冬季输水效率。

为避免上述情况，在本实施例中，对断面当前平均水温进行判断，以在确保当前断面的水温属于预警水温范围之外（例如，T≥1.0℃）时，根据实际的水温情况动态选择最佳的输水流量，以避免一味按照安全流量进行输水所造成的输水效率降低的现象，因而有效提高冬季输水效率。

具体地，在本实施例中，在断面当前平均水温大于预警水温时，确定当前不存在短期生成冰盖的风险，并根据目标渠道的断面平均水温与输水流量之间的映射关系，确定断面当前平均水温对应的目标输水流量。

例如，预警水温为T _w=1℃，断面当前平均水温T=2.2℃，故根据目标渠道的断面平均水温与输水流量之间的映射关系，确定断面当前平均水温对应的目标输水流量Q=100m³/s。

进一步地，在上述步骤S102之前，还包括：

确定目标渠道的断面平均水温与输水流量之间的映射关系。

其中，为了保证所选取的目标输水流量能够有效提高输水效率，在本实施例中预先确定了水流的平均水温与输水流量之间的映射关系，该映射关系表征了各水温条件下最佳的输水流量，在实际应用过程中根据该映射关系即可直观地确定断面当前平均水温对应的最佳的输水流量。具体地，在本实施例中，首先获取目标渠道的当前输水调控速度（即渠系闸门的调控速度，其数值受渠系复杂程度和闸下水位降速的影响）及目标渠道的断面历史平均水温，然后确定断面历史平均水温对应的断面水体降温极限速度（即最快的降温速度，其数值通常受当地极端低气温数值的影响），最后基于断面水体降温极限速度和当前输水调控速度确定目标渠道的断面平均水温与输水流量之间的映射关系。需要说明的是，在任何条件下确保输水流量Q（目标输水流量）-Q _s（安全输水流量）的调控时长均小于T-T _w（预警水温）的演变时长。可选地，输水流量可以表示为渠道设计流量Qd（最有效率的供水流量）的占比形式，如表1和图2所示，表1为本实施例提供的目标渠道的断面平均水温与输水流量之间的映射关系表，图2为本申请实施例提供的目标渠道的断面平均水温与输水流量之间的映射关系折线图：

表1

S103.对目标渠道的当前输水流量进行控制，以将当前输水流量调整至目标输水流量。

具体地，在当前的调水工程中（以南水北调中线总干渠为例），由于对渠道冰情和时空分布认识有限，为避免发生冰塞灾害，当前输水调度规程规定，冰期输水范围是汤河节制闸至恵南庄泵站510km渠段，输水时段是每年12月1日至次年2月底，岗头闸若按渠段设计流量Qd=125m³/s供水整个冬季90天可输水9.72亿m³（125m³/s×90×24×3600s=9.72亿m³），而当前冬季输水采用闸前常水位方式，输水流量按水流弗劳德数Fr≤0.06控制，在此约束条件下使得冬季的输水量仅为3.70亿m³（47.6m³/s×90×24×3600s=3.70亿m³），较渠段设计输水能力减少了6.02亿m³，严重降低了渠道冬季输水效率。

在本实施例中，在确定了目标输水流量后，及时对目标渠道的当前输水流量进行控制，以将当前输水流量动态调整至最佳的目标输水流量，从而避免了一味按照安全流量进行输水所造成的输水效率降低的现象，进而有效提高冬季输水效率。如表2、图3a和图3b所示，表2为本申请实施例提供的输水方法对应的输水情况，图3a为本申请实施例对应的输水情况与现有技术对应的输水情况的比对折线图（冷冬年份），图3b为本申请实施例对应的输水情况与现有技术对应的输水情况的比对折线图（暖冬年份）：

表2

由表2、图3a和图3b可见，相较于现有技术中输水方法所达到的输水量，本申请实施例提供的输水方法能够在冷冬年份（生成冰盖）提升66%输水量，在暖冬年份（未生成冰盖）提升92%输水量，有效提高了冬季输水效率。

S104.在断面当前平均水温小于或等于预警水温时，对当前输水流量进行控制，以将当前输水流量调整至安全输水流量，其中，安全输水流量小于目标输水流量。

其中，安全输水流量为保证水流不会造成冰塞灾害的输水流量，安全输水流量远小于渠段设计流量。

具体地，由于北方寒冷地区在冬季输水过程中容易出现输水结冰的现象，一旦水流形成了冰盖，若流速较大则很容易造成冰塞灾害，为此，需要判断当前断面的水温短期能否形成冰盖，若是，由于其极有可能带来冰塞灾害，故需要及时将当前输水流量降低至安全输水流量，以防止冰塞灾害的发生。

在本实施例中，在断面当前平均水温小于或等于预警水温时，对当前输水流量进行控制，以将当前输水流量调整至安全输水流量。

例如，安全输水流量Qs=47m³/s，预警水温Tw=1℃，断面当前平均水温为0.6℃，由于断面当前平均水温T小于预警水温Tw，故将当前输水流量调整为47m³/s。

进一步地，在步骤S104之前，还包括：

根据安全流量控制参数，确定目标渠道对应的安全输水流量。

其中，安全流量控制参数为计算安全输水流量所需的相关参数的数值范围。可选地，安全流量控制参数包括平均流速或水流弗劳德数（表征水流的惯性力与重力之比），具体地，在本实施例中，对平均流速或水流弗劳德数进行参数计算以得到目标渠道对应的安全输水流量。例如，平均流速V≤0.4m/s，水流弗劳德数Fr≤0.06，对平均流速V或水流弗劳德数Fr代入相关参数公式进行计算，以得到某断面安全输水流量为47m³/s。

需要说明的是，为保证输水流量调控的有效性和可靠性，需要保证输水流量调控时长（即当前输水流量调整至安全输水流量所需时长）小于水温演变时长（即断面当前平均水温演变为预警水温所需时长），另外，为降低渠系闸门的调控频率，在实际应用过程中，若在12月和1月的输水流量减小过程中存在水温回升的现象，不回调渠系闸门；若在2月的输水流量增大过程中存在水温下降的现象，亦不回调渠系闸门。

由上述可知，本申请提供的冬季输水明渠动态控制方法，首先获取目标渠道的断面当前平均水温，在断面当前平均水温大于预警水温时，根据目标渠道的断面平均水温与输水流量之间的映射关系，确定断面当前平均水温对应的目标输水流量，并将当前输水流量调整至目标输水流量；在断面当前平均水温小于或等于预警水温时，将当前输水流量调整至安全输水流量，该安全输水流量小于目标输水流量。基于实际水温情况对输水流量进行动态调控：若当前水温不存在短期形成冰盖风险，将当前输水流量调整至目标输水流量；若当前水温存在短期形成冰盖风险，将当前输水流量调整为较小的安全输水流量，从而在保证输水安全性的同时，有效提高冬季输水效率。

综上，虽然本申请已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本申请，本领域的普通技术人员，在不脱离本申请的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本申请的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (2)

1.一种冬季输水明渠动态控制方法，其特征在于，包括：

获取目标渠道的断面当前平均水温；

确定目标渠道的断面平均水温与输水流量之间的映射关系，包括：获取目标渠道的当前输水调控速度，及，所述目标渠道的断面历史平均水温；

确定所述断面历史平均水温对应的断面水体降温极限速度；

基于所述断面水体降温极限速度和所述当前输水调控速度，确定所述目标渠道的断面平均水温与输水流量之间的映射关系；

在所述断面当前平均水温大于预警水温时，根据所述目标渠道的断面平均水温与输水流量之间的映射关系，确定所述断面当前平均水温对应的目标输水流量；

对所述目标渠道的当前输水流量进行控制，以将所述当前输水流量调整至所述目标输水流量；

根据安全流量控制参数，确定所述目标渠道对应的安全输水流量；

在所述断面当前平均水温小于或等于所述预警水温时，对所述当前输水流量进行控制，以将所述当前输水流量调整至安全输水流量；其中，所述安全输水流量小于所述目标输水流量；任何条件下，所述当前输水流量调整至所述安全输水流量的所需时长小于所述断面当前平均水温演变为所述预警水温的所需时长。

2.根据权利要求1所述的冬季输水明渠动态控制方法，其特征在于，所述安全流量控制参数包括平均流速或水流弗劳德数，所述根据安全流量控制参数，确定所述目标渠道对应的安全输水流量的步骤，包括：

对所述平均流速或所述水流弗劳德数进行参数计算，得到所述目标渠道对应的安全输水流量。