趙天宇
(南水北調(diào)東線山東干線有限責任公司,山東濟南 250014)
南水北調(diào)東線自動化閘門聯(lián)合調(diào)度研究
趙天宇
(南水北調(diào)東線山東干線有限責任公司,山東濟南 250014)
針對南水北調(diào)東線濟南段渠道輸水工程,通過理論計算與實際歷史水情的對照,判定造成理論計算誤差中的“唯一變量”,研究推導出理論與實際唯一變量因數(shù)之間的規(guī)律關(guān)系。通過規(guī)律關(guān)系來校準理論計算公式,達到提升理論計算精準度的目的。
閘門聯(lián)合調(diào)度;南水北調(diào);精準算法
對長距離調(diào)水工程,調(diào)度運行是調(diào)水工程最重要的工作內(nèi)容。自動化閘門聯(lián)合調(diào)度技術(shù),目前在我國國內(nèi)尚屬于空白,相似研究僅在2013年都江堰有過類似研究和實驗。而在全球范圍內(nèi),僅有澳大利亞具備相對成熟的技術(shù)。由于自動化閘門聯(lián)合調(diào)度技術(shù)影響算法的因素太多,所形成的算法只能適用于其研究所依托的工程,具有極強的專屬性,很難形成范用類型算法。
“自動化閘門聯(lián)合調(diào)度技術(shù)精準算法”(以下簡稱“聯(lián)調(diào)算法”),適用范圍是自流型輸水渠道,為保障該算法的準確性,在研究初期應(yīng)截選一段具有代表性的渠段進行研究和實驗。通過對南水北調(diào)山東段全線自流型渠道進行篩選,濟東渠道段工程具備以上特征。同時,由于濟東渠道段工程自2014年第一次全線調(diào)水運行開始便一直使用淹沒出流計算調(diào)度控制閘門,其水情數(shù)據(jù)中可用于研究的有效水情較多,記錄完整度較高。
濟東渠道段工程以濟南市區(qū)段工程地下輸水暗涵出口為界,由上游濟南市區(qū)段工程及下游濟東明渠段工程組成,濟南市區(qū)段工程進一步又由利用小清河輸水段與穿濟南市區(qū)地下輸水暗涵工程組成,工程結(jié)構(gòu)多樣,具有較強代表性。
通過對水工理論計算以及實際水情數(shù)據(jù)差異對比分析,確定理論計算中的唯一變量與實際水情對應(yīng)數(shù)據(jù)的關(guān)系規(guī)律,從而研發(fā)出一套適用于該輸水渠段的聯(lián)調(diào)算法。同時,受淤積及工程情況等綜合因素影響,唯一變量規(guī)律也存在漸變。對此,以“深度學習”理念為基礎(chǔ),不斷匯入歷次供水運行有效水情數(shù)據(jù),在每次通水前、后重新率定理論計算唯一變量,確保聯(lián)調(diào)算法的精準性。
濟東渠道段工程的閘門類型主要是節(jié)制閘和倒虹涵閘兩種,研究選取節(jié)制閘淹沒出流計算與倒虹吸淹沒出流計算,理論計算的主要目的是確定影響理論計算精確度的唯一變量。
3.1 節(jié)制閘淹沒出流計算
根據(jù)濟東渠道段工程特點,應(yīng)采取底坎為寬頂堰型的閘孔出流。計算公式:
式中:e為閘門開啟高度;b為閘孔總寬度;H0為閘前水深;μ為閘孔自由出流的流量系數(shù);σs為淹沒系數(shù)。
1)流量系數(shù):計算公式:
式中:ε為垂直收縮系數(shù);φ為流速系數(shù)。其中,為方便確定唯一變量,流速系數(shù)取φ=1;垂直收縮系數(shù)ε的取值詳見表1。
表1
2)淹沒系數(shù):通過圖1曲線查算。
3)唯一變量分析:由于人工修筑輸水渠道工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,所以當閘門開度發(fā)生變化時,閘門開啟高度e、閘孔總寬度b、閘前水深H0、重力加速度g、淹沒系數(shù)σs均可確定。而閘孔自由出流流量系數(shù)μ因為同時受到垂直收縮系數(shù)ε和流速系數(shù)φ兩個變量影響,所以可以選定μ為節(jié)制閘淹沒出流理論計算中的唯一變量,而φ因取值為1,因此可以判定ε是決定理論計算是否與實際情況相符的決定性因素。
圖1
3.2 倒虹吸淹沒出流計算
計算公式:
式中:μc為流量系數(shù),μc=1/(λL/d+∑ξ出)1/2;λ為內(nèi)壁沿程阻力系數(shù),一般取0.02~0.03;∑ξ出為局部阻力系數(shù)總和,此處應(yīng)增加出口局部系數(shù)ξ出=1;ω為管道斷面面積(dh);z為進出口水位差。
1)公式分析:淹沒出流時,下游流速水頭很小,因此管道系數(shù)μc中可不計α,推出μc=1/(λL/d+∑ξ出)1/2。進一步推出Q=dh·(2gz)1/2/(λL/ d+∑ξ出)1/2。
2)唯一變量分析:通過確認進出口水位差z、管道斷面面積ω。確定唯一變量是μc,主要受λ影響。
4.1 有效數(shù)據(jù)篩選
歷史水情數(shù)據(jù)的分析方法首先要對水情數(shù)據(jù)的有效性進行判定,規(guī)避經(jīng)驗調(diào)水及水位控制法調(diào)水等會造成頻繁閘門開度調(diào)整的調(diào)水方法,同時篩選排除因人工調(diào)度失誤造成的無效數(shù)據(jù)。
4.2 水情數(shù)據(jù)分類
水情表分類的依據(jù)是渠道內(nèi)流態(tài)的“變化期”與“平穩(wěn)期”,研究每一次調(diào)水運行期間“變化期”的水情演變規(guī)律以及“平穩(wěn)期”時各閘門開度、水位與流量之間的關(guān)系。
4.3 分析方法
1)以變化期為單位的變化:研究每次流量發(fā)生變化時,該渠段內(nèi)上下游各級閘門之間的變化關(guān)系及時間。尤其是在經(jīng)過人工理論測算調(diào)整閘門開度后仍舊需要微調(diào)的閘門,需要重點分析微調(diào)原因,因為微調(diào)的原因就是用于校核算法的關(guān)鍵變量。
2)以平穩(wěn)期為單位的變化:平穩(wěn)期的閘門開度與流量、水位的關(guān)系,是可以直接用作相似水情狀況下的重要調(diào)度參考依據(jù),人工測算調(diào)度的目的就是為了讓渠道內(nèi)水流態(tài)達到平穩(wěn)狀態(tài)。閘門開度、流量與水位如果趨于穩(wěn)定,則證明在滿足某一末端節(jié)點流量控制要求的情況下,上游各級閘門所有變量都正好滿足末端節(jié)點流量控制要求。此時分析單個閘門的變量因素,就能串聯(lián)出該末端流量控制情況下各級閘門之間的變量關(guān)系。
傳統(tǒng)調(diào)度運行主要依靠人工計算和經(jīng)驗控制閘門開度,存在因調(diào)度技術(shù)人員業(yè)務(wù)水平差異及計算失誤造成的安全隱患。自動化閘門聯(lián)合調(diào)度技術(shù),不但能夠提高閘門調(diào)度的精準性,還能夠避免人為因素造成的安全隱患。在遭遇突發(fā)事故需要緊急關(guān)閉全線所有閘門的時候,通過測算事發(fā)地上下閘門聯(lián)合調(diào)度應(yīng)急變化,可以精準計算最短關(guān)閘時間及關(guān)閘次序,對保障人民生命財產(chǎn)安全和工程安全具有重要意義。從輸水工程的調(diào)度運行管理角度綜合分析,自動化閘門聯(lián)合調(diào)度必將逐步取代人工調(diào)度。
(責任編輯 趙其芬)
TV66
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1009-6159(2016)-12-0023-02
2016-06-20
趙天宇(1989—),男,助理工程師