南水北调中线总干渠水量调度模型研究及系统开发
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摘要
运行调度直接影响着长距离输水工程的运行安全和效率,是输水工程的中枢神经,对输水工程建设目标的实现具有决定性影响。为全面发挥南水北调中线工程效益、实现工程的规划目标、保障总干渠运行安全,需要根据中线工程特点和运行条件,研究科学的调度模型,开发高效的水量调度系统,以缓解可供水量、需调水量及渠道输水能力之间的矛盾,同时保证制定的供水计划能安全、高效的实施。论文依托“水体污染控制与治理”国家科技重大专项“南水北调水质水量联合调控与应急处置关键技术研究与运行示范”课题(2012ZX07205-005)和生产实践“南水北调中线一期工程总干渠供水调度方案研究与编制”项目,对南水北调中线水量调度系统中供水计划制定、水力学模拟模型、正常运行调度策略制定、系统集成等关键技术问题进行研究,并在南水北调中线京石段进行实际应用。论文主要研究内容如下:
     (1)分析了渠道运行自动控制的必要性,总结了现有渠道运行控制的方法和理论,提出了长距离输水渠道控制的特点和主要难点。
     (2)研发了南水北调中线供水计划生成模型。在已知水源水库可调水量过程、受水区需水过程等条件下,综合考虑渠道的输水能力、工程建设目标、用水户优先等级等条件,自动生成年、月供水计划,并可根据上一时段供水计划完成情况、最新来水情况、用户需求进行滚动修正。
     (3)研发了南水北调中线总干渠水力学模拟模型。中线总干渠的水流状态分为“明流”与“有压流”两大类。论文以Saint-Venant方程组作为模拟明流建筑物的基本方程,以低压管流方程作为模拟倒虹吸等有压建筑物的基本方程;模型离散、求解的基本思路与方法是:以节制闸为边界将全线分为若干渠段,渠段内部采用水流方程求解各水力要素,渠段之间以节制闸过闸流量方程为边界条件进行耦合,整个系统采用“二重迭代”的方式解决非线性耦合问题。
     (4)研究了南水北调中线总干渠正常调度前馈控制策略。论文根据渠段进出水量及渠段水体体积变化,制定了渠段上、下游节制闸的前馈流量过程,并根据南水北调中线工程运行特点和要求,实现了多渠段节制闸前馈流量过程的相互协调和衔接,从而制定了整个渠系的前馈控制策略。
     (5)研究了南水北调中线总干渠正常调度反馈控制策略。论文在对现有常用渠道控制方式进行调研和分析的基础上,根据南水北调中线工程的运行特点和要求,提出了多重嵌套的水位三点控制方式和水量三点控制方式。
     (6)构建了南水北调中线总干渠水量调度系统。采用数据库技术、计算机网络技术、地理信息系统技术,为各模型计算软件调用提供统一的操作界面,管理和维护各模型参数及运行结果,实现水量分配、闸门控制、输水调度等业务功能的一体化操作。
The operation and control technology is key to the safety and efficiency of long-distance water delivery projects, it is the brain of such projects and decides whether the projects can achieve their desired goals. In order to fully play the benefits of South-to-North Water Transfer Project (SNWTP), reach the designed goal, ensure the safety operation, highly efficient control system that fits the feature and operation condition of SNWTP need to be developed so that the confliction of water supply, water demand and canal capacity could be balanced and the water supply plan's safety and efficiency could be ensured. On the bases of a state key scientific research project "study on key technique for coupled water quantity and quality management and emergency response of SNWTP with field demonstration" and an application project "the study and establishment of water supply and control system for the A project of the SNWTP middle route", this thesis tries to study this system in the aspects of water supply plan, hydraulic simulation model, control algorithm design, system integration and other aspects, and apply these theories and methods to the Beijing-to-Shijiazhuang segment of SNWTP. Main content includes:
     (1) Analyze the necessity of canal control, summarize the current theory and technology of it and analyze the main feature and difficulty of the control of long-distance water delivery canals.
     (2) Research and developed the SNWTP water-supply plan generation model. Based on the adjustable water process of source reservoir, water demand process and canal capacity, project goal and priority of different customer, this model can generate the supply plan for year and month, also scroll correction can be made based on the implementation of last pace and real-time water runoff conditions.
     (3) Research and developed the SNWTP hydraulic simulation model of the main canals. The flow condition in main canals includes open-canal and pressured flow. This paper employs Saint-Venant equation for open-canal flow and low-pressure pipe flow equation for pipe flow in structures like inverted syphon. The discrete and solute methodology is to divide the main canals in pools by check gates, use unsteady flow equations for pools and gate discharges equation for boundary condition, the nonlinear coupling problem is solved by double interaction method.
     (4) Research and developed the SNWTP feed-forward strategy on daily operation. Based on the entrance and exit volume and pool volume change, this theis proposed a methodology to calculate the discharge of upstream and downstream check gate. Also the routed discharge is coupled and coordinated between pools to form a centralized feed-forward strategy.
     (5) Research and developed the SNWTP feed-back algorithm for main canal daily operation. Based on the survey and analyze of canal control method currently in use, this thesis proposed a multi-nested volume and water level three point control algorithm that fits the feature and requirement of SNWTP main canal system.
     (6) The construct and application of water supply and control system. Database, computer network, GIS technology is used to built a integrated interface to manage and maintain all kinds of models and data, to achieve the function of water supply plan generation, real-time gate control and etc.
引文
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