南水北调中线总干渠水力控制输水系统仿真研究
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摘要
南水北调中线工程是一个特大型跨流域调水工程，主要供水目标为京、津、华北地区，主要任务是满足城市生活、工业、生态环境等用水。中线总干渠线路长，流量大，分水口门多，控制闸门多，是一个供水范围广、交叉建筑物多、运行控制复杂的大型渠道输水系统。
根据中线渠道规划和近期调度方案，中线工程北调水量过程变化不均，总干渠沿线分水口门的需水量是按旬变化的，由于费用以及用水灵活性的原因，需要渠道系统对水流变化能作出迅速的响应。本系统作为南水北调中线工程仿真系统的一个子系统，从提高工程的输水效率，同时又保证工程的顺利、安全和稳定的运行的研究目的出发，建立了中线渠道仿真模型，对中线总干渠的水力控制运行输水系统进行了仿真研究和开发，从而为工程设计、运行管理以及安全运行提供参考和依据。
本文首先从中线渠道的水力控制运行方案规划的选择和论证入手，应用系统仿真的基本理论的方法，以分布参数的偏微分方程的渠道系统模型为基础，采用成熟的离散差分格式，建立了中线渠道的一维非恒定流仿真开发平台，并结合面向对象的仿真建模方法，开发了有友好人机界面、模块化的、易扩展的南水北调中线输水渠道的仿真软件。根据长江水利委员会提供的渠道设计规划及调水资料，本系统仿真了中线渠道的输水过程，预演了渠道的调度运行方案，进行了节制闸间距的优化研究，通过一系列的仿真试验，验证了渠道的供水能力以及渠道调度运行的水位波动是否会破坏渠道衬砌的安全问题，提出了节制闸间距优化的合理区间，并通过对不同过闸流量过程方案进行仿真，以供水的的灵活性和保证运行安全为目标，对工程建成后的调度运行提出了建议，最后，本文还对渠道一维流场动态仿真显示技术的实现进行了探讨。
China's Middle Route Southto-North Water Transfer Project is a great transportation project to supply the need of life, industry and environment water in such regions as Beijing, Tianjing and North-China. The main channel with long route, large discharge, number of dividing and control gates is also a great transportation system with wide areas for water supply, numerous crossing construction and complicated 'running control.
According to the layout and current operation plan of the Middle Route channel, the water quantity from Middle Route project is varying and the need of the water in every dividing gate is also varying along the channel. In view of the expenses and the transportation flexibility, it's necessary that the transportation channel can respond to the change of the water quantity. The aim of this simulation subsystem for China's Middle Route South-to-North Wate Transfer Project is to improve the transportation efficiency of the project and to ensure the stability and security of the running. In this system, after the establishment of the simulation model of the Middle Route channel, the simulation and research is done for hydrodynamic Control Transportation System of main Channel. The results should supply reference to the design, the management and the security of the channel.
Firstly, this paper is beginning with the compare to several hydrodynamic Control measures of the channel. The basic theories of system simulation are
applied in the establishment of one dimension and unsteady flow simulation platform in the channel, which is also based on differential equation with distributed parameter and mature discrete-format. Secondly, the simulation soft of transportation channel is friendly, alternating, modular and extendable because its development is linked with Object-Oriented modeling method. Thirdly, based on transportation data in the design and layout of the channel supplied by the Changjiang Water Conservancy Committee, the transportation process of the Middle Route channel is simulated in this paper, and the operation and running plans are previewed. At the same time, the optimization of the distance between two control gates is studied. Based on a series of simulation experiments, results are used to approve the transportation ability of the channel and it's also analyzed whether the fluctuation of the water lever is over the maximal bound so as to destroy the scaleboard on the channel, the reasonable distance between tw
o control gates is optimized. In view of the agility and security in the transportation, some suggestion on the running of the project can be obtained after the simulation for series of plans under different discharge across gates. Finaly, the dynamic display technic of one dimension flow is discussed.
根据中线渠道规划和近期调度方案，中线工程北调水量过程变化不均，总干渠沿线分水口门的需水量是按旬变化的，由于费用以及用水灵活性的原因，需要渠道系统对水流变化能作出迅速的响应。本系统作为南水北调中线工程仿真系统的一个子系统，从提高工程的输水效率，同时又保证工程的顺利、安全和稳定的运行的研究目的出发，建立了中线渠道仿真模型，对中线总干渠的水力控制运行输水系统进行了仿真研究和开发，从而为工程设计、运行管理以及安全运行提供参考和依据。
本文首先从中线渠道的水力控制运行方案规划的选择和论证入手，应用系统仿真的基本理论的方法，以分布参数的偏微分方程的渠道系统模型为基础，采用成熟的离散差分格式，建立了中线渠道的一维非恒定流仿真开发平台，并结合面向对象的仿真建模方法，开发了有友好人机界面、模块化的、易扩展的南水北调中线输水渠道的仿真软件。根据长江水利委员会提供的渠道设计规划及调水资料，本系统仿真了中线渠道的输水过程，预演了渠道的调度运行方案，进行了节制闸间距的优化研究，通过一系列的仿真试验，验证了渠道的供水能力以及渠道调度运行的水位波动是否会破坏渠道衬砌的安全问题，提出了节制闸间距优化的合理区间，并通过对不同过闸流量过程方案进行仿真，以供水的的灵活性和保证运行安全为目标，对工程建成后的调度运行提出了建议，最后，本文还对渠道一维流场动态仿真显示技术的实现进行了探讨。
China's Middle Route Southto-North Water Transfer Project is a great transportation project to supply the need of life, industry and environment water in such regions as Beijing, Tianjing and North-China. The main channel with long route, large discharge, number of dividing and control gates is also a great transportation system with wide areas for water supply, numerous crossing construction and complicated 'running control.
According to the layout and current operation plan of the Middle Route channel, the water quantity from Middle Route project is varying and the need of the water in every dividing gate is also varying along the channel. In view of the expenses and the transportation flexibility, it's necessary that the transportation channel can respond to the change of the water quantity. The aim of this simulation subsystem for China's Middle Route South-to-North Wate Transfer Project is to improve the transportation efficiency of the project and to ensure the stability and security of the running. In this system, after the establishment of the simulation model of the Middle Route channel, the simulation and research is done for hydrodynamic Control Transportation System of main Channel. The results should supply reference to the design, the management and the security of the channel.
Firstly, this paper is beginning with the compare to several hydrodynamic Control measures of the channel. The basic theories of system simulation are
applied in the establishment of one dimension and unsteady flow simulation platform in the channel, which is also based on differential equation with distributed parameter and mature discrete-format. Secondly, the simulation soft of transportation channel is friendly, alternating, modular and extendable because its development is linked with Object-Oriented modeling method. Thirdly, based on transportation data in the design and layout of the channel supplied by the Changjiang Water Conservancy Committee, the transportation process of the Middle Route channel is simulated in this paper, and the operation and running plans are previewed. At the same time, the optimization of the distance between two control gates is studied. Based on a series of simulation experiments, results are used to approve the transportation ability of the channel and it's also analyzed whether the fluctuation of the water lever is over the maximal bound so as to destroy the scaleboard on the channel, the reasonable distance between tw
o control gates is optimized. In view of the agility and security in the transportation, some suggestion on the running of the project can be obtained after the simulation for series of plans under different discharge across gates. Finaly, the dynamic display technic of one dimension flow is discussed.
引文
[1] 朱尔明．南水北调工程。水利水电科技进展，17(1)，1997：2-7．
[2] 殷瑞兰，刘莉莉．力学与南水北调工程．力学与实践，20(3)，1998：9-14．
[3] 吴泽宇，周斌．南水北调中线渠道控制计算模型．人民长江，31(5)，2000：10-11．
[4] 周斌，吴泽宇．调水工程渠道运行控制方案设计．人民长江，30(4)，1999：7-9．
[5] 刘子慧，吴泽宇，林全胜，吴斌．加利福尼亚北水南调考察报告．1997．12
[6] 张修真．南水北调—中国可持续发展的支撑工程．北京：中国水利水电出版社，1999．
[7] 田世炀，聂荣智．引滦明渠输水特点及稳定输水方法．海河水利，1999(6)：21-2．
[8] 赖纯洁．引黄入晋输水工程全系统运行仿真系统．系统仿真学报，11(3)，1999．
[9] 杨开林，时启遂，董兴林．引黄入晋输水工程充水过程的数值模拟及泵站充水泵的选择，水利学报
[10] Wylie E B, Streeter V L. Fluid Transients[M]. McGraw-Hill International Book Company, 1978.
[11] Chaudhry M H. Applied Hydraulic Transients[M]. Van Nostrand Reinhold Comp., Canada, 1979.
[12] 杨芳廷 张红林 赖纯洁 基于MATRIXX的引黄工程水力学仿真系统 系统仿真学报 Vol．12，No．4 2000
[13] 胡峰，孙国基，卫军胡．动态系统计算机仿真技术综述——计算机仿真建模．计算机仿真，17(1)，2000：1—7
[14] 刘丽 贾荣珍 建模与仿真、VV&A、T&E三者的关系 系统仿真学报 Vol．12 No．2 2000
[15] 魏华梁，单家元等．建模与仿真过程及模型VV&A．计算机仿真，18(1)，2001：7—10．
[16] 文丹，吴泽宇．南水北调中线工程规划专题报告之二——供水调度与调蓄研究。水利部长江水利委员会2001．7．
[17] 王方清．南水北调引汉总干渠工程布置．人民长江，25(1)，1994：2-5．
[18] 王念慎．长距离明渠输水工程实时控制研究．河海大学学报，26(5)，1998：50-56．
[11] Cunge GA. Practical aspect soft computational river hydraulics. Pitman Advanced Publishing Program, 1980.
[19] Chevereau G, Gauthier M. Use of mathematical models as anappraoch to flow control problems. International Symposium on Unsteady Flow in Open Channels, April 12th-15th, 1976.
[20] Corriga G, Fanni A. Sanna S, etal. A Constant volume control method for open channel opration. Proceeding Simulation International AMSEC on ference Modelling Simulation, PARIS-SUD, 1982(9):75-80.
[21] Corriga G, Sanna S, Usai G. Sub-optimal constant volume control for open channel networks. Applicated Aathmatics Modelling, 1983(7):262-267.
[22] 熊光楞，肖田元等．连续系统仿真与离散事件系统仿真．北京：清华大学出版社，1991．
[23] 肖田元，张燕云，陈加栋．系统仿真导论．北京：清华大学出版社，2000．
[24] 张海藩．软件工程导论[M]．北京：清华大学出版社，1998．
[25] 谭跃进 陈英武 易进先 系统工程原理国防科技大学出版社1999
[26] 王肇荣 熊国强 阎东明编著 系统工程 陕西科学出版社2000．5
[27] 汪应洛主编 系统工程理论、方法与应用 高等教育出版社2000．6
[28] 肖田元 张燕云 陈家栋 系统仿真导论 清华大学出版社2000．7
[29] 刘藻珍 魏华梁 系统仿真 北京理工大学出版社1998．8
[30] 王长德，张礼卫．下游常水位水力自动控制渠道运行动态过程及数学模型的研究．水利学报，1997(11)：11-19
[31] 董曾南，余常昭著．水力学．清华大学水力学教研组编 北京：高等教育出版社，
1995(第4版)
[32] 麦赫默德K，叶夫耶维奇V．明渠不恒定流(第1卷)[M]．林秉南译校．北京：水利电力出版社，1987．
[33] 刘光临，刘士和，齐鄂荣．带长引水明渠的泵站控制闸门最优调节计算．水动力学研究与进展，1999(1)．
[34] 傅湘，纪昌明，三峡电站日调节非恒定流对航运的影响分析．武汉水利电力大学学报，33(6)，2000：6-10．
[35] 徐小明，何建京，汪德．求解大型河网非恒定流的非线性方法．水动力学研究与进展，16(1)，2001．
[36] 白玉川，万艳春，黄本胜，顾元谈．河网非恒定流数值模拟的研究进展．水利学报．
[37] Schulze K W. Finite Element Analysis of Long Waves in open Channel Systems. Finite Element Method in Flow Problems. Chapter 5, Ed. By Oden J T et al., The Univ. Of Alabama Pxess, 1974, PP. 295-303.
[38] Naidu B J, Murty Bhallamudi S, and Narasimhan S, GVF Computation in tree-type channel Networks. [J]。J. Hydr Engrg, 1997, (8):700-708.
[39] 李致家．通用一维河网不恒定流软件的研究．水利学报，1998(8)
[40] LAI C. Numerical Modelling of Unsteady Open-Channel Flow, Advances in Hydrosciences. 1986, (14),Academic Press, Volume Editor, BEN CHIE YEN, 1986,161～133
[41] French Richard H. Open-Channel Hydraulics, McGRAW-HILL Book Company, 1987,270～330
[42] 傅湘，纪昌明．三峡电站日调节恒定流对航运的影响分析．武汉水利电力大学学报，33(6)，2000：6—10．
[43] E.B.怀特 V.L.斯特里特．瞬变流．清华大学流体传动与控制教研组译．北京：水利电力出版社．
[44] 周雪漪．计算水力学．北京：清华大学出版社．1995．
[45] 吴子牛．计算流体力学基本原理．北京：科学出版社，2001．
[46] 刘沛清．计算水力学基础．郑州：黄河水利出版社．2001．
[47] 李爱光，王卉等．面向对象软件工程技术在G I S中的应用．测绘学院学报，18(4)，2001：287-289．
[48] 张殿文，卢振武．面向对象分析、设计与编程．光学精密工程，8(6)，2000：568571．
[49] 徐瑞鑫，朱成禹．软件工程新途径——面向对象方法学．光学精密工程，8(6)，2000：572-575．
[50] 罗光春．Java从入门到精通．成都：电子科技大学出版社，2001．
[51] 朱绍卿．利用Acess97和VB6的ADO开发工程勘察数据库．岩土工程技术，2000(3)：125-129．
[52] 钟平，续志军．数据库工程设计．光学精密工程，8(6)，2000：588-590．
[53] 李霞，杨传斌．基于Java的软件重用技术及其应用．微机发展，2001(2)：50-52．
[54] 王学军，李月永等．二维流场多媒体动态仿真系统的实现．水利学报，1999(4)．
[55] Stark K. P., Bode L and Mason L. B. in Coastal Engineering 1984 Proceedings by ASCE, Simulation of Tides and Storm Surges in the Great Barrier REEF Region, NewYork, 1984, 226～242.
[56] 马福喜，王金瑞．三维水流的数值模拟．水利学报，1996(8)：39—44．
[57] 王灿星，林建忠，山本富士夫．二维PIV图像处理算法．水动力学研究与进展，16(4)，2001：399-403．
[58] 张效慈，张军等．两维翼水动力振动和流场显示的粒子图像测速试验．中国造船，41(1)，2000：26—30．
[59] 离心式水泵叶栅流动研究课题组．离心式水泵叶栅流动研究．北方交通大学学报，22(5)，1998：49—56．
[60] 马宏伟，蒋浩康．涡轮叶栅端壁区非定常流场显示．工程热物理学报，21(2)，2000：170—173．
[61] 金旭辉，霍然．大空间火灾烟气流动的动态显示研究．中国安全科学学报，9(2)，1999：6-10．
[62] 朱松林，陆瑞松．计算流体力学可视化功能的实现．武汉，武汉交通科技大学学报，1996，(3)：249～253．
[63] Michael Kass, Height Field Fluids for Computer Graphics, in 1991 Winter Simulation Conference Proceedings, Arizona, 1991,1194～1198.
[2] 殷瑞兰，刘莉莉．力学与南水北调工程．力学与实践，20(3)，1998：9-14．
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[59] 离心式水泵叶栅流动研究课题组．离心式水泵叶栅流动研究．北方交通大学学报，22(5)，1998：49—56．
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