CN116956763A - 一种基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法，属于输水建筑物流态综合改善及水力控制技术领域，方法包括：利用预构建的一维水动力模型，获取渠道水流断面平均流量；利用预构建的闸门方程，获取渠道水流过闸流量；根据所述渠道水流断面平均流量和渠道水流过闸流量，调节下游退水闸的开度，实现输水渡槽降水位增流。该方法能够增大输水渡槽降水位流量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法，属于输水建筑物流态综合改善及水力控制技术领域。
背景技术
随着社会经济发展和城市化进程加快，各类输水建筑物大量建设，以工程群的形式对河道或渠道的水动力场、防洪安全、输水能力等方面产生显著影响。现有的水利调度工程横穿四个流域带，工程规模庞大，控制节点多，可能出现的状况复杂。就水力调度而言，中线工程属于典型的多维度、多过程、多相位、多流态和多约束的水力系统，安全控制难度极高。充分理解并优化沿线涉水建筑物的水力效应对提升中线工程的整体输水能力具有关键意义。
目前，针对涉水建筑物群的研究主要局限于桥梁群的累积壅水效应，而现有的水利调度工程的中线工程沿线的各类输水建筑物存在着更加复杂多样的流场与水头损失特性，例如桥墩的水平绕流及下游卡门涡街(建筑物两侧周期性涡旋脱落)、节制闸开合引起的水面线波动与水跃(急缓流转换)、立交建筑物(渡槽、倒虹吸)的涌波问题等。针对上述水力学现象的集群效应对干线渠道总体流态的影响以及相应的输水能力挖潜方面的研究在大型输水系统中尚属鲜见，这将成为今后中线工程输水能力提升的工作重点之一。
现有的水利调度工程的中线总干渠的水力调度方案(各段水位、输水建筑物启闭开度等)显著影响输水流量、流速分布、流态等，决定了水头损失。因此，优化中线工程水力调度方案，探索提升输水能力的可行性及相关措施，对于长距离输水工程具有实用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法，能够增大输水渡槽降水位流量。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法，包括：
利用预构建的一维水动力模型，获取渠道水流断面平均流量；
利用预构建的闸门方程，获取渠道水流过闸流量；
根据所述渠道水流断面平均流量和渠道水流过闸流量，调节下游退水闸的开度，实现输水渡槽降水位增流。
进一步的，所述一维水动力模型的表达式如公式(1)所示：
公式(1)中，A为渠道水流横断面积，Q为渠道水流断面平均流量，t为时间，x为距渠道水流横断面沿流程的距离，ql为渠道旁侧入流或出流，v为距渠道水流横断面沿流程的距离为x处的过水断面的平均流速，g为重力加速度，h为距渠道水流横断面沿流程的距离为x处的过水断面的水深，Cz为谢才系数，R为水力半径，n为曼宁系数。
进一步的，利用预构建的一维水动力模型，获取渠道水流断面平均流量包括：
采用有限差分法，对预构建的一维水动力模型进行求解；
采用交叉格点的空间离散法，把渠道分为流量-水位交叉的计算节点；
采用隐式方法模拟时间过程，计算获取渠道水流断面平均流量。
进一步的，所述对预构建的一维水动力模型进行求解的求解公式如公式(2)所示：
公式(2)中，Ai为格点i处渠道水流横断面积，Ai+1为格点i+1处渠道水流横断面积，为格点i处到格点i+1处渠道水流横断面积的平均值，/>Qi-1/2为格点i-1/2处渠道水流断面平均流量，Qi+1/2为格点i+1/2处渠道水流断面平均流量，/>为格点i-1/2处到格点i+1/2处渠道水流断面平均流量的平均值，/> 为格点i+1/2处到格点i+3/2处渠道水流断面平均流量的平均值，/>为格点i处到格点i+1处渠道水流断面平均流量的平均值，vi+1/2为格点i+1/2处过水断面的平均流速，vi-1/2为格点i-1/2处过水断面的平均流速，/>为过水断面的平均流速与格点i-1/2处到格点i+1/2处渠道水流断面平均流量的平均值的关系函数，/> 为过水断面的平均流速与格点i+1/2处到格点i+3/2处渠道水流断面平均流量的平均值的关系函数，hi为格点i处过水断面的水深，hi+1为格点i+1处过水断面的水深。
进一步的，所述闸门方程包括四种流态：淹没孔流、自由孔流、淹没堰流和自由堰流；所述闸门方程的表达式如公式(3)所示：
公式(3)中，P为渠道水流过闸流量，Cw为综合过流系数，D为闸门宽度，hu为闸门上游水位，hcr为闸门底板高程，hd为闸门下游水位，dg为闸门开度，μ为动力黏度；
当时，其对应的闸门方程的流态为自由堰流；
当时，其对应的闸门方程的流态为淹没堰流；
当时，其对应的闸门方程的流态为淹没孔流；
当时，其对应的闸门方程的流态为自由孔流。
进一步的，利用预构建的闸门方程，获取渠道水流过闸流量包括：
对预构建的闸门方程进行求解，获取当前时刻的渠道水流过闸流量；
根据所述当前时刻的渠道水流过闸流量，采用泰勒展开式，求解下一时刻的渠道水流过闸流量；
其中，所述采用泰勒展开式，求解下一时刻的渠道水流过闸流量的计算公式如公式(4)所示：
公式(4)中，Pk为k时刻渠道水流过闸流量，Pk+1为k+1时刻渠道水流过闸流量，为k时刻闸门上游水位，/>为k+1时刻闸门上游水位，/>为k时刻闸门下游水位，/>为k+1时刻闸门下游水位，/>为k时刻闸门开度，/>为k+1时刻闸门开度，/>为k时刻闸门底板高程。
进一步的，根据所述渠道水流断面平均流量和渠道水流过闸流量，调节下游退水闸的开度，实现输水渡槽降水位增流包括：
根据所述渠道水流断面平均流量和渠道水流过闸流量，调节下游退水闸的开度；
对进行下游退水闸开度调节后的输水渡槽降水位进行观测，获取观测数据；
根据所述观测数据，演算获取调度效果；
根据所述调度效果，反馈调节下游退水闸的开度，实现输水渡槽降水位增流；
其中，所述调度效果的演算公式如公式(5)所示：
公式(5)中，τ为时间步长，L为缩放系数，e为水位控制误差，Kp为比例控制系数，Ki为积分控制系数，Kd为导数控制系数，dQu为上游闸门流量变化量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所提供的基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法，通过预构建的一维水动力模型，获取渠道水流断面平均流量；通过预构建的闸门方程，获取渠道水流过闸流量；根据渠道水流断面平均流量和渠道水流过闸流量，调节下游退水闸的开度，能够实现输水渡槽降水位增流，避免上游渡槽出现漫槽现象，降低了上游渡槽闸下水位，保证了输水能力，有利于结构安全。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法流程图；
图2是本发明实施例提供的交叉格点的空间离散示意图；
图3是本发明实施例提供的不考虑调控下游退水闸调度方案的水位剖面示意图；
图4是本发明实施例提供的考虑调控下游退水闸调度方案的水位剖面示意图；
图5是本发明实施例提供的不考虑调控下游退水闸调度方案中上游渡槽闸前水位示意图；
图6是本发明实施例提供的不考虑调控下游退水闸调度方案中上游渡槽闸后水位示意图；
图7是本发明实施例提供的不考虑调控下游退水闸调度方案中下游渡槽闸前水位示意图；
图8是本发明实施例提供的考虑调控下游退水闸调度方案中上游渡槽闸前水位示意图；
图9是本发明实施例提供的考虑调控下游退水闸调度方案中上游渡槽闸后水位示意图；
图10是本发明实施例提供的考虑调控下游退水闸调度方案中下游渡槽闸前水位示意图；
图11是本发明实施例提供的不考虑调控下游退水闸调度方案与考虑调控下游退水闸调度方案中上游渡槽闸后水位对比示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
下面详细描述本专利的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
实施例一：
图1是本发明实施例一提供的一种基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法流程图，本流程图仅仅示出了本实施例方法的逻辑顺序，在互不冲突的前提下，在本发明其它可能的实施例中，可以以不同于图1所示的顺序完成所示出或描述的步骤。
参见图1，本实施例的方法具体包括如下步骤：
步骤一：利用预构建的一维水动力模型，获取渠道水流断面平均流量；
典型渠段的水利模型包括一维水动力模型和实时水力控制模型，一维水动力模型用于模拟典型渠段的水动力过程，反映水位-流量-闸门开度之间的关系，为水力控制提供数值控制载体；实时水力控制模型用于实时调整闸门开度，保证各渠段控制水位运行，从而保证所需的过流能力。其中，一维水动力模型采用圣维南方程组模拟渠段水流过程，一维水动力模型包括连续方程和动量方程，一维水动力模型的表达式如公式(1)所示：
公式(1)中，A为渠道水流横断面积，Q为渠道水流断面平均流量，t为时间，x为距渠道水流横断面沿流程的距离，ql为渠道旁侧入流或出流，v为距渠道水流横断面沿流程的距离为x处的过水断面的平均流速，g为重力加速度，h为距渠道水流横断面沿流程的距离为x处的过水断面的水深，Cz为谢才系数，R为水力半径，n为曼宁系数。
利用预构建的一维水动力模型，获取渠道水流断面平均流量包括如下步骤：
步骤A：采用有限差分法，对预构建的一维水动力模型进行求解；
步骤B：采用交叉格点的空间离散法，把渠道分为流量-水位交叉的计算节点；
步骤C：采用隐式方法模拟时间过程，计算获取渠道水流断面平均流量。
采用有限差分法求解一维水动力模型，如图2所示，通过交叉格点的空间离散法，把渠道分为流量-水位交叉的计算节点，为了保证计算的稳定性，采用隐式方法模拟时间过程。
其中，对预构建的一维水动力模型进行求解的求解公式如公式(2)所示：
公式(2)中，Ai为格点i处渠道水流横断面积，Ai+1为格点i+1处渠道水流横断面积，为格点i处到格点i+1处渠道水流横断面积的平均值，/>Qi-1/2为格点i-1/2处渠道水流断面平均流量，Qi+1/2为格点i+1/2处渠道水流断面平均流量，/>为格点i-1/2处到格点i+1/2处渠道水流断面平均流量的平均值，/> 为格点i+1/2处到格点i+3/2处渠道水流断面平均流量的平均值，/>为格点i处到格点i+1处渠道水流断面平均流量的平均值，vi+1/2为格点i+1/2处过水断面的平均流速，vi-1/2为格点i-1/2处过水断面的平均流速，/>为过水断面的平均流速与格点i-1/2处到格点i+1/2处渠道水流断面平均流量的平均值的关系函数，/> 为过水断面的平均流速与格点i+1/2处到格点i+3/2处渠道水流断面平均流量的平均值的关系函数，hi为格点i处过水断面的水深，hi+1为格点i+1处过水断面的水深。
步骤二：利用预构建的闸门方程，获取渠道水流过闸流量；
当上下游水位由水闸连接时，其流量计算由闸门方程替换。本实施例中，采用自主研发的计算软件支持常用的闸门方程，在计算过程中可以根据上下游水位和闸门开度之间的关系选择相应的计算公式。在计算软件的开发中也充分考虑了水工建筑物特有的属性，因此，也可以通过外接脚本文件的形式读取用户自定义闸门方程。
本实施例提供的闸门方程包括四种流态：淹没孔流、自由孔流、淹没堰流和自由堰流；闸门方程的表达式如公式(3)所示：
公式(3)中，P为渠道水流过闸流量，Cw为综合过流系数，D为闸门宽度，hu为闸门上游水位，hcr为闸门底板高程，hd为闸门下游水位，dg为闸门开度，μ为动力黏度。
当时，其对应的闸门方程的流态为自由堰流；
当时，其对应的闸门方程的流态为淹没堰流；
当时，其对应的闸门方程的流态为淹没孔流；
当时，其对应的闸门方程的流态为自由孔流。
利用预构建的闸门方程，获取渠道水流过闸流量包括如下步骤：
步骤a：对预构建的闸门方程进行求解，获取当前时刻的渠道水流过闸流量；
步骤b：根据当前时刻的渠道水流过闸流量，采用泰勒展开式，求解下一时刻的渠道水流过闸流量。
其中，采用泰勒展开式，求解下一时刻的渠道水流过闸流量的计算公式如公式(4)所示：
公式(4)中，Pk为k时刻渠道水流过闸流量，Pk+1为k+1时刻渠道水流过闸流量，为k时刻闸门上游水位，/>为k+1时刻闸门上游水位，/>为k时刻闸门下游水位，/>为k+1时刻闸门下游水位，/>为k时刻闸门开度，/>为k+1时刻闸门开度，/>为k时刻闸门底板高程。
本实施例中，还包括倒虹吸，采用水头损失方程简化倒虹吸流量计算，倒虹吸流量计算公式如公式(6)所示：
公式(6)中，B为倒虹吸流量，为倒虹吸综合损失系数，倒虹吸综合损失系数/>包括入口损失、摩擦损失、弯曲损失和出口损失，S为倒虹吸断面面积，fu、fd分别为倒虹吸上、下游水位。
步骤三：根据渠道水流断面平均流量和渠道水流过闸流量，调节下游退水闸的开度，实现输水渡槽降水位增流；
根据渠道水流断面平均流量和渠道水流过闸流量，调节下游退水闸的开度，实现输水渡槽降水位增流包括如下步骤：
步骤ⅰ：根据渠道水流断面平均流量和渠道水流过闸流量，调节下游退水闸的开度；
步骤ⅱ：对进行下游退水闸开度调节后的输水渡槽降水位进行观测，获取观测数据；
步骤ⅲ：根据观测数据，演算获取调度效果；
步骤ⅳ：根据调度效果，反馈调节下游退水闸的开度，实现输水渡槽降水位增流。
本实施例中，关注南水北线中线的输水提升，从调度的角度出发，在调度控制的设计中充分考虑上下游闸门之间的相互关系，根据快速响应、精准控制的原则，采用反馈加前馈控制，基于观测数据演算调度效果，调度效果演算公式如公式(5)所示：
公式(5)中，τ为时间步长，L为缩放系数，e为水位控制误差，即监测水位与目标水位的差，Kp为比例控制系数，Ki为积分控制系数，Kd为导数控制系数，dQu为上游闸门流量变化，其中，缩放系数L、比例控制系数Kp和积分控制系数Ki通常采用试算法求得，根据控制结果进行微调，导数控制系数Kd通常设置为0。
在建模过程中，上游采用流量边界，下游采用水位边界。影响模型精度的主要参数是渠道糙率和各水工建筑的综合过流系数。根据中线局提供的各断面的糙率系数，其中河段曼宁系数均为0.015，渡槽和倒虹吸的曼宁系数均为0.014，但是通过中线局反馈及实地调研确认，经过多年运行后，渠道壁大多附着有水藻，导致断面糙率系数改变，因此，需要根据实测的水位、流量数据进一步率定断面糙率系数。在校验过程中，为了避免水闸过流系数和渠道糙率的相互影响，我们首先选择闸门全开的时段率定糙率系数，然后通过率定好的渠道模型，在闸门入水情况下率定闸门综合过流系数。
为验证本实施例提供的基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法的有效性，本实施例还提供了不考虑调控下游退水闸的调度方案，如图3所示，设计渠段输水流量为加大流量420m3/s，下游退水闸保持关闭状态，该方案用于确定调度过程能否实现加大流量安全顺利地过流，由图5-7可知，由于上游来水量大，上游渡槽的闸前实际水位达到加大水位，下游实际水位虽未达到加大水位，但实际水位仍然过高，可能发生漫漕现象，无法保证渠段在加大流量情况下安全顺利地运行，需要通过合理地降低渠段的水位来保证在加大流量输水情况下渠段能够安全顺利地过流。根据不考虑调控下游退水闸的调度方案可知，需降低渠段水位来保证渠段能够满足加大流量情况下安全顺利地过流，为解决此问题，依据现有的水利调度工程的中线工程实际情况以及调度要求，考虑调控下游退水闸退水(可用于生态补水)，使得降低渠道的实际水位，保证在加大流量情况下安全顺利地过流，如图4所示，设计输水流量为加大流量420m3/s，通过下游退水闸增加退水流量，由图8-10可知，其中上游渡槽闸上实际水位有所下降，如图11所示，闸下实际水位在模拟时段末较不考虑调控下游退水闸的调度方案有大幅下降。由于增加的退水闸退水流量，下游渡槽的实际水位也有大幅下降，而且该调度方案能够保证上游渡槽安全顺利地通过加大流量。
本实施例提供的基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法，通过预构建的一维水动力模型，获取渠道水流断面平均流量；通过预构建的闸门方程，获取渠道水流过闸流量；根据渠道水流断面平均流量和渠道水流过闸流量，调节下游退水闸的开度，能够实现输水渡槽降水位增流，避免上游渡槽出现漫槽现象，降低了上游渡槽闸下水位，保证了输水能力，有利于结构安全。
以上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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法，其特征在于，包括：
利用预构建的一维水动力模型，获取渠道水流断面平均流量；
利用预构建的闸门方程，获取渠道水流过闸流量；
根据所述渠道水流断面平均流量和渠道水流过闸流量，调节下游退水闸的开度，实现输水渡槽降水位增流。
2.根据权利要求1所述的基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法，其特征在于，所述一维水动力模型的表达式如公式(1)所示：
公式(1)中，A为渠道水流横断面积，Q为渠道水流断面平均流量，t为时间，x为距渠道水流横断面沿流程的距离，ql为渠道旁侧入流或出流，v为距渠道水流横断面沿流程的距离为x处的过水断面的平均流速，g为重力加速度，h为距渠道水流横断面沿流程的距离为x处的过水断面的水深，Cz为谢才系数，R为水力半径，n为曼宁系数。
3.根据权利要求1所述的基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法，其特征在于，利用预构建的一维水动力模型，获取渠道水流断面平均流量包括：
采用有限差分法，对预构建的一维水动力模型进行求解；
采用交叉格点的空间离散法，把渠道分为流量-水位交叉的计算节点；
采用隐式方法模拟时间过程，计算获取渠道水流断面平均流量。
4.根据权利要求3所述的基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法，其特征在于，所述对预构建的一维水动力模型进行求解的求解公式如公式(2)所示：
公式(2)中，Ai为格点i处渠道水流横断面积，Ai+1为格点i+1处渠道水流横断面积，为格点i处到格点i+1处渠道水流横断面积的平均值，/>Qi-1/2为格点i-1/2处渠道水流断面平均流量，Qi+1/2为格点i+1/2处渠道水流断面平均流量，/>为格点i-1/2处到格点i+1/2处渠道水流断面平均流量的平均值，/> 为格点i+1/2处到格点i+3/2处渠道水流断面平均流量的平均值，/>为格点i处到格点i+1处渠道水流断面平均流量的平均值，vi+1/2为格点i+1/2处过水断面的平均流速，vi-1/2为格点i-1/2处过水断面的平均流速，/>为过水断面的平均流速与格点i-1/2处到格点i+1/2处渠道水流断面平均流量的平均值的关系函数，/> 为过水断面的平均流速与格点i+1/2处到格点i+3/2处渠道水流断面平均流量的平均值的关系函数，hi为格点i处过水断面的水深，hi+1为格点i+1处过水断面的水深。
5.根据权利要求1所述的基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法，其特征在于，所述闸门方程包括四种流态：淹没孔流、自由孔流、淹没堰流和自由堰流；所述闸门方程的表达式如公式(3)所示：
公式(3)中，P为渠道水流过闸流量，Cw为综合过流系数，D为闸门宽度，hu为闸门上游水位，hcr为闸门底板高程，hd为闸门下游水位，dg为闸门开度，μ为动力黏度；
当时，其对应的闸门方程的流态为自由堰流；
当时，其对应的闸门方程的流态为淹没堰流；
当hd-hcr>dg时，其对应的闸门方程的流态为淹没孔流；
当hd-hcr≤dg时，其对应的闸门方程的流态为自由孔流。
6.根据权利要求1所述的基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法，其特征在于，利用预构建的闸门方程，获取渠道水流过闸流量包括：
对预构建的闸门方程进行求解，获取当前时刻的渠道水流过闸流量；
根据所述当前时刻的渠道水流过闸流量，采用泰勒展开式，求解下一时刻的渠道水流过闸流量；
其中，所述采用泰勒展开式，求解下一时刻的渠道水流过闸流量的计算公式如公式(4)所示：
公式(4)中，Pk为k时刻渠道水流过闸流量，Pk+1为k+1时刻渠道水流过闸流量，为k时刻闸门上游水位，/>为k+1时刻闸门上游水位，/>为k时刻闸门下游水位，/>为k+1时刻闸门下游水位，/>为k时刻闸门开度，/>为k+1时刻闸门开度，/>为k时刻闸门底板高程。
7.根据权利要求1所述的基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法，其特征在于，根据所述渠道水流断面平均流量和渠道水流过闸流量，调节下游退水闸的开度，实现输水渡槽降水位增流包括：
根据所述渠道水流断面平均流量和渠道水流过闸流量，调节下游退水闸的开度；
对进行下游退水闸开度调节后的输水渡槽降水位进行观测，获取观测数据；
根据所述观测数据，演算获取调度效果；
根据所述调度效果，反馈调节下游退水闸的开度，实现输水渡槽降水位增流；
其中，所述调度效果的演算公式如公式(5)所示：
公式(5)中，τ为时间步长，L为缩放系数，e为水位控制误差，Kp为比例控制系数，Ki为积分控制系数，Kd为导数控制系数，dQu为上游闸门流量变化量。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310605759.1A CN116956763A (zh) | 2023-05-26 | 2023-05-26 | 一种基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310605759.1A CN116956763A (zh) | 2023-05-26 | 2023-05-26 | 一种基于调控下游退水闸的输水渡槽降水位增流方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117824788A (zh) * | 2024-03-05 | 2024-04-05 | 河海大学 | 水位监测分析系统 |
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2023
- 2023-05-26 CN CN202310605759.1A patent/CN116956763A/zh active Pending
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| CN117824788A (zh) * | 2024-03-05 | 2024-04-05 | 河海大学 | 水位监测分析系统 |
| CN117824788B (zh) * | 2024-03-05 | 2024-05-28 | 河海大学 | 水位监测分析系统 |
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