王征（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166）

長(zhǎng)距離明渠輸水系統(tǒng)運(yùn)行控制方式的研究

王征
（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166）

文中介紹了4種長(zhǎng)距離明渠輸水常用的渠道運(yùn)行的方式，上游常水位、中點(diǎn)常水位、下游常水位、控制容量運(yùn)行方式。并結(jié)合實(shí)例對(duì)下游常水位和中點(diǎn)常水位運(yùn)行方式進(jìn)行計(jì)算，模擬非恒定流的典型數(shù)學(xué)模型，借鑒了特征線(xiàn)法，并用來(lái)計(jì)算不同的運(yùn)行條件下的非恒定流過(guò)程。

明渠；輸水系統(tǒng)；運(yùn)行；控制方式

1 算例介紹

實(shí)例：文中列舉的計(jì)算實(shí)例是一個(gè)明渠輸水系統(tǒng)的渠首段，在此進(jìn)行簡(jiǎn)單地說(shuō)明：渠段整體長(zhǎng)度為30 km，底部寬約40 m，底坡1/25 010，預(yù)設(shè)的流量為602 m3/s，糙率為0.015，邊坡系數(shù)為3。預(yù)設(shè)渠段的上段為一個(gè)水的深度一直維持在8.5 m的大型水庫(kù)，運(yùn)行到中點(diǎn)常水位時(shí)，水庫(kù)的深度為7.89 m，下段在常規(guī)水位運(yùn)行時(shí)，閘前該水庫(kù)的深度為7.456 m。

1.1 下游常水位運(yùn)行方式

該方式的控制點(diǎn)位于渠道下游，以便來(lái)調(diào)節(jié)下游段的水位使其保持在不變的狀態(tài)。該控制方式主要優(yōu)點(diǎn)是建設(shè)的費(fèi)用開(kāi)支少，缺點(diǎn)是在這種運(yùn)行方式需要更多的時(shí)間來(lái)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，以保證供水能夠有條不紊地進(jìn)行。

1.2 上游常水位運(yùn)行方式

該方式所能控制的水流支樞點(diǎn)位于渠段的上游一側(cè)，其主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)分水口、下游的蓄水發(fā)生的改變，做出快速的反應(yīng)，因此就達(dá)到了蓄水的目的，缺點(diǎn)是需要更多的建設(shè)開(kāi)支[4-5]。

1.3 中點(diǎn)常水位運(yùn)行方式

中點(diǎn)常水位控制即等容積控制，通過(guò)維持渠段的中點(diǎn)水位保持在恒定的狀態(tài)，在水的流量發(fā)生變動(dòng)時(shí)，以渠池的中點(diǎn)為軸水面轉(zhuǎn)動(dòng)，總的蓄量才得以保持穩(wěn)定。該與上游常水位方式相比，建設(shè)量相對(duì)要小得多，但是等容量運(yùn)行方式人工不容易完成，必須用自動(dòng)化進(jìn)行控制操作。

1.4 控制容量運(yùn)行方式

控制容量即控制渠道中各個(gè)渠段的蓄水量，來(lái)進(jìn)行整個(gè)渠段的調(diào)水工作?？刂迫萘窟\(yùn)行方式的靈活度相對(duì)其他幾種來(lái)說(shuō)屬于最高，在正常、非常及緊急各種情況下，渠道都能夠輸水。缺點(diǎn)是必須使用監(jiān)控系統(tǒng)才能統(tǒng)一操作控制渠道系統(tǒng)，不易完成復(fù)雜的控制容量方式。

2 不同運(yùn)行方式下恒定流蓄量變化研究

在設(shè)計(jì)條件下，不管采用何種控制方式（下游常水位或等容積），渠道的水面線(xiàn)都具有唯一性。相同的渠道分別使用等容積和下游常水位運(yùn)行方式時(shí)，零流量以及設(shè)計(jì)流量的Q=100 m3/s水面線(xiàn)正如圖1所示，文中所研究的兩種調(diào)度控制方式，均以設(shè)計(jì)流量和水面線(xiàn)均相同為前提條件。

從以上圖1及相關(guān)分析可知：

1）在流量運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)，中點(diǎn)常水位的水面線(xiàn)比閘前常水位的水面線(xiàn)要高。

2）如果輸水的流量調(diào)整減少，各個(gè)渠段的閘前常水位模式的蓄水總和將會(huì)有所減少；與之相反，中點(diǎn)常水位模式下渠段蓄量增大，但是總的蓄水量保持在一個(gè)水平不變。當(dāng)流量調(diào)整有所增加時(shí)，情況恰恰相反。

圖1 不同運(yùn)行方式下的水面線(xiàn)

3）如果輸水的流量變化基本相同，下游常水位必須調(diào)整的水體體積更大一些。

4）分析可知，在流量變化相同的條件下，多渠段一起串聯(lián)的結(jié)果是渠段越多渠道就越長(zhǎng)，下游常水位下，如果蓄水量的改變跨度越大，渠段也將消耗更多地時(shí)間來(lái)維持恒定。在中點(diǎn)常水位條件下，則不會(huì)因?yàn)榍未?lián)在一起而增加總的調(diào)蓄體積，多個(gè)渠段完成蓄量改變的時(shí)間與單個(gè)渠段完成蓄量改變所消耗的時(shí)間基本相同。

3 不同運(yùn)行方式比較

作為一個(gè)非恒定流過(guò)程，不同的運(yùn)行方式下，過(guò)渡時(shí)間以及渠道水位的波動(dòng)時(shí)間也不盡不同。依照不同的運(yùn)行方式，將各自創(chuàng)建不同的單渠道數(shù)學(xué)模型，來(lái)進(jìn)行模擬非恒定流狀態(tài)。假設(shè)四種不同運(yùn)行方式下游需水流量在60 min內(nèi)，分別為100~ 200 m3/s，200~100 m3/s，100~400 m3/s，400~100 m3/s。

模擬非恒定流數(shù)學(xué)模型，不同運(yùn)行方式的斷面水位變化關(guān)系（圖略）。分析可以得出：

1）計(jì)算并比較流量變化可知，中點(diǎn)常水位控制方式下各個(gè)渠段內(nèi)的斷面，其水位的最大變幅均比下游常水位運(yùn)行時(shí)要大。

2）在流量發(fā)生不同變化的情況下，中點(diǎn)常水位渠段中間斷面出現(xiàn)的水位波動(dòng)最小，且最后仍然能夠回到開(kāi)始狀態(tài)的水位；在渠道的兩個(gè)端頭，斷面產(chǎn)生的水位變化情況最為明顯，波動(dòng)趨勢(shì)反而相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)流量的改變?cè)蕉嗟臅r(shí)候，渠段中各個(gè)斷面的最強(qiáng)水位變幅也變得越大。

3）針對(duì)不一樣的運(yùn)行方式，相同的是中間斷面的最大水位變幅會(huì)達(dá)到最小值。因?yàn)橹悬c(diǎn)常水位運(yùn)行時(shí)，渠道蓄量變化以渠池中點(diǎn)為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此可以控制中點(diǎn)水位保持不變；而下游常水位運(yùn)行時(shí)，由于渠道上游和下游節(jié)制閘同時(shí)調(diào)節(jié)產(chǎn)生的水波在此交錯(cuò)、重疊、抵消，導(dǎo)致水位波動(dòng)最小。

4）當(dāng)流量變化一樣時(shí)，在過(guò)渡時(shí)間這方面，中點(diǎn)比下游常水位的時(shí)間要長(zhǎng)。因此，與之相比，渠段中點(diǎn)比較容易較快達(dá)到新的恒定流狀態(tài)。

5）當(dāng)流量穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，下游常水位的各個(gè)斷面均比比中點(diǎn)常水位要低。下游流量數(shù)值為零時(shí)，中點(diǎn)常水位運(yùn)行時(shí)水位相比最高。與下游常水位運(yùn)行時(shí)相比，比中點(diǎn)常水位建設(shè)工程量要大。

4 結(jié)論

文中結(jié)合實(shí)例對(duì)下游常水位和中點(diǎn)常水位運(yùn)行方式進(jìn)行計(jì)算，模擬非恒定流的典型數(shù)學(xué)模型，借鑒了特征線(xiàn)法，并用來(lái)計(jì)算不同的運(yùn)行條件下的非恒定流過(guò)程。通過(guò)推演恒定流的蓄量、水力過(guò)渡時(shí)間、工程量、水位變幅最大值等幾個(gè)方面得出：以下游常水位運(yùn)行方式是最佳的輸水控制模式，因?yàn)樵谙嗤牧髁孔兓瘲l件下，該模式的蓄量、水位最大變幅都比較大，水力過(guò)渡的時(shí)間比較長(zhǎng)，但是建設(shè)工程量也較小。

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2016-08-11