基于水动力耦合的明渠调水工程节制闸安全调控.pdf

基于水动力耦合的明渠调水工程节制闸安全调控张保航1,2，张召3，雷晓辉1,2,3，李汉元4，魏宏郁1,2（1.河北工程大学水利水电学院,河北邯郸056038；2.河北工程大学河北省智慧水利重点实验室,河北邯郸056038；3.中国水利水电科学研究院水资源所,北京100038；4.江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江 212013）摘要：针对明渠调水工程中流量切换时，由于调控不当导致闸前水位突破水位上下限的问题，提出安全调控可行域的概念及其划分原则，通过一维水动力模型耦合二分法建立明渠调水工程节制闸的安全调控模型，实现流量切换时节制闸调控开度、安全水位和调控时间区间的计算，进而得到节制闸的安全调控可行域和调控方案，并以南水北调中线工程陶岔渠首至淇河节制闸 4 个节制闸开展实例研究。研究过程中根据各节制闸流量变化情况，分别设置 12 种工况进行计算，结果表明：经模型计算的调控方案调控后，闸前水位控制在安全水位区间内，划分的安全水位区间-较水位区间-起到了降低水位变幅的作用，模型运算速度快，最长时间为 8.99s。给出了柔性调度方案，使得调度更为灵活，面向实际工程更实用、操作性强，为调水工程的调度决策提供了支撑。关键词：一维水动学模型；安全调控可行域；二分法；节制闸中图分类号：TV66文献标志码：ADOI：10.13476/ki.nsbdqk.2023.0080由于降雨的时空分布不均匀性，我国水资源量从东南到西北方向地区递减1，呈现水资源分配不均的现象，因此修建大型调水工程成为解决此局部水资源短缺的主要手段2。调水工程中输水形式大多以明渠为主3-4，节制闸作为在调水工程中应用最广泛的可调控建筑物之一5-6，常被用于辅助水资源的传输和控制，但此类含有多个内部节点的复杂水力系统调控过程有着非线性和响应状态大时滞的特点，水情状态感知难度大，从而增加了工况切换时的调控难度7-8。此前不少学者对水力系统调控展开过相应研究。张成等9-10建立一维水动力仿真模型，通过模拟分析得出中线总干渠波动传播时间、渠池平衡时间与闸门的个数、位置有着密切关系。龙岩等11基于AHP-灰色定权聚类方法建立三角白化权函数，确定了中线工程闸门同步调控的应急调控策略。孔令仲等12建立多级串联渠道的离散线性状态空间方程，设计用于多级串联渠池的线性预测控制算法，能够在分水变化前对闸门进行控制，实现了节制闸的前馈控制。Overloop 等13基于积分时滞模型设计了渠道预测控制算法，通过仿真模拟证明了其在渠池水位调控上的优越性。王坤等14利用 MIKE11 软件将HD 和 NAM 模型耦合建立雨洪演进模拟模型，并通过多级闸门的调控设计多种调度模式，提高了雨洪资源利用率。Zhu 等15通过一维水动力模型与NSGA-算法耦合，以闸门调控次数最少和渠池水位变幅最小为目标建立优化调控模型，生成梯级闸群调控方案。郑和震等16通过一维水动力模型耦合动态规划法生成梯级泵站调度策略，实现了泵站高效经济运行。上述研究通过建立仿真模型或优化模型开展水力系统调控研究，大多属于固定时刻调控，即理想化的刚性调度。然而，节制闸和泵站均属于大型水力机械，实际调控时不可能在固定时刻瞬时完成，调度人员更需要的是有调控阈值范围的柔性调度。因此，本研究提出安全调控可行域的概念，以节制闸为对象，保证闸前水位安全为调度目标建立安全调控模型，使调度工作变得更灵活，对保障工程安收稿日期：2023-02-17修回日期：2023-07-17网络出版时间：2023-08-08网络出版地址：https:/ B.SaintVenant在 1871 年提出的圣维南方程组，包括连续方程和动量方程17-18。方程组为BZt+Qx=q（1）Qt+x(Q2A)+gAZx+g|Q|QAC2R=0（2）其中：B 为过水断面表面宽度，m；Z 为水位，m；t为时间，s；Q 为流量，m3/s；x 为沿主流向的渠道纵向距离，m；q 为旁侧入流或出流，m3/s；为动量校正系数；A 为过水面积，m2；g 为重力加速度，m/s2；C 为谢才系数；R 为水力半径，m。在输水系统中，水流通过节制闸时水力特性或几何形状发生了明显变化，此类节点被称为内部边界19。圣维南方程组没有对内部边界进行刻画，故需要根据节制闸的过流特性去选择它的控制方程。选择连续方程和过闸流量公式作为控制方程。连续方程为Qi=Qi+1（3）QiQi+1式中：和为闸前和闸后断面的流量，m3/s。过闸流量公式20为Q=MeB2gH（4）式中：Q 为过闸流量，m3/s；M 为综合流量系数；e、B为节制闸开度和过水总宽度，m；H 在自由出流和淹没出流的情况下分别表示闸前水深和闸前后水位差，m。1.1.2模型求解方法圣维南方程组是一阶拟线性双曲线型微分方程组，一般无法直接求其解析解。本研究采用有限差分法求解，使用稳定性好、计算精度高、收敛速度快的 preissmann 四点带权隐式差分格式20对其进行离散。离散网格形式见图 1。txnOii+1n+1txMt(1)tx/2x/2图1preissmann 四点偏心格式Fig.1Schematicdiagramofpreissmannsfour-pointeccentricityscheme1.2安全调控可行域对于设置节制闸的明渠调水工程来讲，闸前常水位运行是调水工程常用的运行方式21，闸前水位通常需要调度人员重点关注，因此将闸前上、下限运行水位（记为 Z上和 Z下）作为水位超限阈值。工程运行中，当上游流量增大时，上游形成涨水顺波向下游传播，水波传播到下游闸前时会引起水位壅高。若不及时调控，闸前水位有突破上限的风险，需增大开度以增加节制闸过水流量，使水位下降。但水波从上游传播到下游需要一定时间，调控过早，水波或者波的主体未能传播至下游导致闸前水位下降突破下限；调控过晚，水波传播至下游，未能及时调控导致闸前水位壅高突破上限。同理，上游流量减小的情况亦是如此。因此，调控时间是调度过程中需要重点考虑的因素。通过改变上游流量并调控节制闸开度，由一维水动力模型计算得到闸前水位变化过程，以闸前水位不突破上、下限前提下的临界调控时刻为最早、最晚调控时间22，分别记为 T早和 T晚。由 Z上，Z下和 T早，T晚 组成的区域称为安全调控可行域，节制闸在 T早，T晚 区间内进行调控，闸前水位会在 Z下，Z上 区间内运行。以上游流量增大为例作安全调控可行域，见图 2。时间水位最早调控时的水位最晚调控时的水位安全调控可行域T早Z上Z下T晚O图2安全调控可行域Fig.2Safetyregulationfeasibledomaindiagram第21卷第4期南水北调与水利科技（中英文）2023年 8 月822调水工程通常会根据防洪要求去划分水位上下限（简称 上限水位-，下限水位-）。通过安全调控可行域的划分原理可知，调控时最大水位变幅发生在 T早、T晚时刻处，且严格约束在 Z上，Z下 之间，最大变幅基本与限制水位一致，两者存在直接关系。由图 2 不难发现，若将 Z上降低会导致 T晚提前，将 Z下升高会导致 T早延迟，故不同的限制水位会影响调控时间。本文以工程安全为导向做调控研究，为减小水位变幅，将限制水位区间缩减，但节制闸在对应开度下的调节能力有限，划分水位过低或过高将导致模型无可行解。经测试，采用以下规则进行水位区间划分，模型有可行解且有效降低水位变幅，以下简称 上限水位-，下限水位-。规则具体如下：当流量增大时，最终稳定水位由调控开度所决定，无法严格地对 Z上进行约束，因此对于 Z上的确定将调控后和不调控稳定水位的平均值作为 Z上，若平均值大于上限水位-则取后者作为限制水位，将初始水位减去约束的水位变幅（以下简称 Z变幅）作为Z下。同理上游流量减小的情况，将调控后和不调控稳定水位的平均值作为 Z下，初始水位加上 Z变幅作为Z上。通过调整 Z变幅可以严格控制上、下限的约束水位。以上划分水位区间的原则为流量增大时ZII 上=(Z调整+Z不调整)/2(Z调整+Z不调整)/2 ZI下ZII下=ZI下ZII下 ZI下（6）式中：Z上、Z下为新划分的水位上、下限，m；Z上、Z下为根据工程防洪要求划分的水位上、下限，m；Z初始为初始水位，m；Z调整和 Z不调整为调整和不调整后稳定的水位，m；Z变幅为约束的水位变幅，m。1.3二分法二分法适用于求解可行域内数据量很大的问题，基本逻辑是将可行域两端点 1/2 处取值计算，与目标值 Ym进行比较，使区间两端点函数值逐步逼近目标值 Ym进而得到目标解 Xm的方法23。假设 a，b为可行域的闭区间，先计算两端点 a、b 处的值，再将 a、b 值 1/2 处 c 取值计算 Yc，并与目标值 Ym比较，若 Yc大于 Ym则说明目标解 Xm在 a，c 区间内，若Yc小于 Ym则说明目标解 Xm在 c，b 区间内，然后继续在两端点 1/2 处取值计算，依次迭代求解直至等于或无限逼近目标解 Xm。二分法基本步骤流程见图 3。开始Yxm=0?结束划分目标值可行域区间 a,b区间端点 a、b 处求解a=cb=ba=ab=c区间 1/2 处 c=(a+b)/2 处求解Xm=cYxm=YcYmYxm0?是是输出 Xm此判断结束否否否是图3二分法基本步骤流程Fig.3Flowchartofthebasicstepsofbisectionmethod张保航，等基于水动力耦合的明渠调水工程节制闸安全调控8231.4安全调控模型明渠调水工程节制闸的安全调控模型是一维水动力模型耦合二分法实现安全调控可行域和调控方案快速计算的模型，安全调控可行域的确定在于闸前水位区间和调控时间，调控方案的制定在于确定闸门调控开度和调控时间。模型计算流程如下：求解目标开度：由所需计算工况得到可行时间域区间 t1，t2，基于闸门过流公式（4）和流量变化量对目标开度进行求解，并调用一维水动力模型对不调控和调控后闸前稳定水位进行计算。划分水位限制区间：判断流量变化情况，根据公式（5）和（6）对水位区间进行划分得到 上限水位-，下限水位-。计算安全调控时间：调用一维水动力模型对t1，t2 两端点及区间 1/2 处进行计算，根据计算结果对可行时间域区间二等分，再对新的可行域端点及区间 1/2 处进行计算，依次迭代直至得到目标调控时间。模型计算流程图见图 4。一维水动力仿真模型开始根据流量变化量求解目标开度未调整闸门的闸前最终稳定水位 Z不调整调整闸门的闸前最终稳定水位 Z调整闸前下限水位Z下=(Z不调整+Z调整)/2;若此水位Z上,则 Z上=Z上闸前上限水位Z上=Z初始+Z变幅闸前上限水位Z下=Z初始Z变幅增大减小流量变化情况划分水位区间计算安全调控时间根据调整流量时刻和模拟结束时刻划分可行时间域区间 t1,t2区间端点 t1、t2 处求解区间 1/2 处 tc=(t1+t2)/2处求解Ztm=ZcZ下Ztm=ZcZ上Ztm=ZcZ下Ztm=ZcZ上流量增大流量减小Zxm0?此判断结束t1=t1t2=tct1=tct2=t2tm=tc结束输出调控开度值 e,Z上,Z下,T早,T晚否否否是t早=tmt晚=tmT早T早T晚T早T晚T晚待安全调控时间计算完成后执行待安全调控时间计算完成后执行是是图4安全调控模型计算流程Fig.4Safetyregulationmodelcalculationflowchart第21卷第4期南水北调与水利科技（中英文）2023年 8 月8241.4.1目标函数以闸前最大（最小）水位与上限水位或下限水位差值最小为目标函数，同时对闸前水位进行约束，目标函数分为流量增大和减小的情况，数学表达式为流量增大时T早=T(minZtmZII下)T晩=T(minZtmZII上)（7）流量减小时T早=T(minZtmZII上)T晩=T(minZtmZII 下)（8）式中：T早、T晚为最早、最晚调控时间，h；Ztm调控时刻闸前最大（最小）水位，m。1.4.2约束条件约束条件包括闸前水位和调控时间约束，其数学表达式为Z下 Z早、Z晚 Z上（9）T流量调整时刻 T早、T晚 T边界时刻（10）式中：Z早、Z晚分别为最早、最晚调控时闸前最大（最小）水位，m。T流量调整时刻、T边界时刻分别表示上游流量调整时刻和整个模拟过程的边界时刻，h。1.4.3决策变量决策变量采用节制闸的调整时间，对调整时间进行离散化，离散的步长越小，计算结果越精确，计算量也会越大。离散化的数据量：模拟的总时长为Qd，上游流量调整时间为 Qq，选取采用 J 作为决策变量的离散精度，则调控时间解域中共包含（QqQd）/J个数据量。2研究区域概况南水北调中线工程为解决地区性缺水问题，工程全长 1432km，从丹江口水库取水地跨河南、河北、天津和北京，向沿线十几座大中城市供水，最终自流到北京市团城湖输水工程24。输水主要采用明渠自流的方式25-26，沿线共有 61 座节制闸，是典型的明渠调水工程闸控系统17。其中陶岔渠首至淇河节制闸段的 4 个节制闸作为整个调水工程的渠首段，设计、加大流量（大于 300m3/s）和流量变化量大，实际工程中沿线供水计划多变，该段流量调整较为频繁且调控难度大，是整个输水线路的关键区段，为保障各城市供水发挥了重要作用。本文研究对象选取南水北调中线工程陶岔渠首至淇河节制闸 4 个节制闸，分别为刁河节制闸、湍河节制闸、严陵河节制闸和淇河节制闸（下文以闸站编号简称）。研究区域示意图见图 5，研究区域内各节制闸基本工程信息见表 1。郑州市石家庄市北京市天津市南阳市淇河倒虹吸出口节制闸严陵河渡槽进口节制闸湍河渡槽进口节制闸刁河渡槽进口节制闸陶岔渠首节制闸渠首处地级市省会城市河南省河北省天津市北京市南水北调中线N图5研究区域Fig.5Researcharea表1各节制闸基本工程信息Tab.1Basicengineeringinformationofeachcontrolgate闸站编号节制闸名称总干渠桩号设计流量/（m3s1）加大流量/（m3s1）设计水位/m预警水位/mJZZ1号刁河节制闸14+620350420146.80147.66JZZ2号湍河节制闸36+444350420145.65146.47JZZ3号严陵河节制闸48+781340420144.74145.57JZZ4号淇河节制闸74+640340410143.07143.88张保航，等基于水动力耦合的明渠调水工程节制闸安全调控8253模拟计算实例3.1工况设置以 JZZ1-4 号为研究对象，分别以上下游节制闸流量和水位作为上、下边界，中间以节制闸作为内边界。JZZ1-3 号上游初始流量（采用设计流量）为350m3/s，JZZ4 号由于上游分水的原因，上游初始流量为 340m3/s。上游流量变化量以 10m3/s 为间隔单位，包括 15、25、35、45、55、65m3/s，分为流量增大和减小两种情况共 12 种工况，工况设置见表 2。3.2结果及讨论3.2.1计算成果表模型计算了 JZZ1-4 号的调控开度、闸前安全调控水位和调控时间，见表 3 至表 5。JZZ1-4 号设置水位变幅 Z变幅为 0.10m，但经模型计算发现 JZZ4号上游流量减小时设置 Z变幅为 0.10m，约束水位过于严格，导致无可行解，因此对于 JZZ4 号上游流量减小时设置 Z变幅=0.15m 进行计算。JZZ1-4 号的调控过程可查表 3 和表 5 得到，安全调控可行域可查表 4、表 5 得到。例如 JZZ2 号上游流量增大 45m3/s 时，最早调控过程为上游流量变化后 0h 由初始开度 5.28m 调控为 6.05m，最晚调控过程为上游流量变化后3.7h 由5.28m 调整为6.05m，安全调控可行域为 0，3.7h，145.55，145.83m。表2各节制闸流量变化工况设置Tab.2Eachcontrolgateflowchangeconditionsetting单位：m3/s上游初始流量流量变化量变化后流量JZZ1号 JZZ2号 JZZ3号 JZZ4号350（JZZ4号为340）[phone]+55405405405395+45395395395385+35385385385375+25375375375365+15365365365355153353353353252532532532531535315315315305453053053052955529529529528565285285285275表3各节制闸调控开度计算成果Tab.3Eachcontrolgatecontrolopeningcalculationresults上游初始流量/（m3s1）流量变化量/（m3s1）初始开度/m调控开度/mJZZ1号JZZ2号JZZ3号JZZ4号JZZ1号JZZ2号JZZ3号JZZ4号+655.285.394.874.506.396.355.50+553.654.376.226.215.41350（JZZ4号为340）+454.246.056.065.31+354.115.885.915.21+253.985.705.765.11+153.855.535.615.02153.455.025.164.72253.324.855.014.63353.194.674.864.53453.064.504.714.43552.934.334.564.33652.804.164.424.243.2.2调度过程分析当上游流量变化后，节制闸的最早、最晚调控过程即在最早、最晚调控时间调整到目标开度。图 6、图 7 给出 JZZ1-4 号上游流量65m3/s 的调度过程。由图可知 JZZ1-4 号最早、最晚调度过程呈区间形式，在此调控区间内任意时刻调控，闸前水位始终被限制在水位区间内。当上游流量增大时，最早调控结果显示：闸前水位在调控后突然下降，随着上游流量增大的过程逐渐传播至闸前，闸前水位随之升高，之后趋于稳定。第21卷第4期南水北调与水利科技（中英文）2023年 8 月826最晚调控结果显示：随着上游增大的流量过程逐渐传播至闸前，闸前水位逐渐上升，水位在即将突破水位上限时进行调控后骤然下降，之后趋于稳定。表4各节制闸闸前安全调控水位计算成果Tab.4Eachcontrolgatebeforethesafetycontrolwaterlevelcalculationresults上游初始流量/（m3s1）流量变化量/（m3s1）上限水位/m下限水位/mJZZ1号JZZ2号JZZ3号JZZ4号JZZ1号JZZ2号JZZ3号JZZ4号350（JZZ4号为340）+65147.29145.91145.33143.62146.70145.55144.64142.97+55147.22145.87145.24143.55+45147.14145.83145.15143.48+35147.07145.79145.06143.41+25146.99145.75144.97143.35+15146.91145.71144.88143.2815146.90145.75144.84143.22146.68145.59144.60143.0925146.61145.56144.50143.0035146.53145.52144.41142.9645146.46145.49144.31142.9055146.38145.46144.21142.8465146.31145.42144.11142.77表5各节制闸安全调控时间计算成果Tab.5Eachcontrolgatesafetycontroltimecalculationresults上游初始流量/（m3s1）流量变化量/（m3s1）最早调控时间/h最晚调控时间/hJZZ1号JZZ2号JZZ3号JZZ4号JZZ1号JZZ2号JZZ3号JZZ4号350（JZZ4号为340）+6500007.573.807.238.40+5500007.533.737.308.40+4500007.503.707.408.43+3500007.473.707.478.43+2500007.433.637.538.50+1500007.403.607.608.671500007.073.477.837.972500007.033.407.908.073500006.933.378.008.10450000.176.803.308.108.13550000.736.673.278.178.13650.400.5300.776.533.208.278.13147.75147.50147.25147.00146.75146.50146.255.0最早调控开度最晚调控开度不调控水位最早调控水位最晚调控水位水位限制区间4.54.03.50816时间/m(a)JZZ1 号开度/m水位/m2432145.75145.50145.25145.00144.75144.50144.256.306.655.955.605.250816时间/m(c)JZZ3 号开度/m水位/m2432146.2146.0145.8145.6145.4145.26.56.05.55.00816时间/m(b)JZZ2 号开度/m水位/m2432144.25144.00143.75143.50143.25143.00142.75142.505.505.755.255.004.750816时间/m(d)JZZ4 号开度/m水位/m2432张保航，等基于水动力耦合的明渠调水工程节制闸安全调控827147.75147.50147.25147.00146.75146.50146.255.0最早调控开度最晚调控开度不调控水位最早调控水位最晚调控水位水位限制区间4.54.03.50816时间/m(a)JZZ1 号开度/m水位/m2432145.75145.50145.25145.00144.75144.50144.256.306.655.955.605.250816时间/m(c)JZZ3 号开度/m水位/m2432146.2146.0145.8145.6145.4145.26.56.05.55.00816时间/m(b)JZZ2 号开度/m水位/m2432144.25144.00143.75143.50143.25143.00142.75142.505.505.755.255.004.750816时间/m(d)JZZ4 号开度/m水位/m2432图6各节制闸上游流量增大 65m3/s 时的闸前水位及开度变化过程Fig.6Thechangeprocessofthewaterlevelandopeningbeforethegatewhentheupstreamflowofeachcontrolgateincreasesby65m3/s147.50147.25147.00146.75146.50146.25146.004.0最早调控开度最晚调控开度不调控水位最早调控水位最晚调控水位水位限制区间3.63.22.42.80816时间/m(a)JZZ1 号开度/m水位/m2432145.25145.00144.75144.50144.25144.00143.255.255.604.904.554.200816时间/m(c)JZZ3 号开度/m水位/m2432146.0145.8145.6145.4145.25.65.24.84.04.40816时间/m(b)JZZ2 号开度/m水位/m2432143.50143.25143.00142.75142.505.004.754.504.250816时间/m(d)JZZ4 号开度/m水位/m2432图7各节制闸上游流量减小 65m3/s 时的闸前水位及开度变化过程Fig.7Thechangeprocessofthewaterlevelandopeningbeforethegatewhentheupstreamflowofeachcontrolgatedecreasesby65m3/s当上游流量减小时，最早调控结果显示：闸前水位在调控后突然上升，随着上游流量减小的过程逐渐传播至闸前，闸前水位随之下降，之后趋于稳定。最晚调控结果显示：随着上游减小的流量过程逐渐传播至闸前，闸前水位逐渐下降，水位在即将突破水位下限时进行调控后骤然上升，之后趋于稳定。为验证模型调控方案在实际调度中的合理性，基于本模型对 2020 年 5 月上旬刁河节制闸上游流量从 350 变化到 371m3/s 的工况进行计算，刁河节制闸实际调控时刻在上游流量变化后 5h 处，而此次调控时间区间为流量变化后 0，7.4h，水位限制区间为 146.70，146.95m。由刁河节制闸实际调度过程表明，实际调控时间和闸前水位变化过程均在安全调控可行域内，本模型计算的调度方案合理，实际调度过程见图 8。选取各节制闸上游流量变化 65m3/s 的工况为第21卷第4期南水北调与水利科技（中英文）2023年 8 月828例，分析水位区间-减小水位变幅的作用，将中线节制闸的预警水位作为水位上限-，由于中线节制闸对下限水位没有明确要求，故在此以设计水位-（预警水位-设计水位）作为水位下限-。计算结果见图 9，由图可知，以水位区间-为水位约束，较水位区间-约束时各闸前水位最大值减小，最小值增大，起到了水位变幅减小的作用。3.2.3模型运算时长通过调用 Fortran 中的 CUP_TIME 时间函数对模型运算时间进行统计，见表 6。模型最长运算时间为 8.99s，运算速度快，可满足实际工程中流量突然切换时的调控需求。147.15147.00146.85146.70146.554.03.93.83.63.70816时间/m开度/m水位/m2432最早调控开度实际调控开度水位限制区间实际调控水位最晚调控开度图8JZZ1 号实际调控过程Fig.8JZZ#1Actualregulatoryprocess147.90147.60147.30147.00146.70146.40146.10+65 m3/s(a)JZZ1 号水位/m65 m3/s145.95145.60145.25144.90144.55144.20143.85+65 m3/s(c)JZZ3 号水位/m65 m3/s146.2146.0145.8145.6145.4145.2+65 m3/s(b)JZZ2 号水位/m65 m3/s144.00143.75143.50143.00142.75143.25142.50+65 m3/s(d)JZZ4 号水位/m65 m3/s水位区间-最大值/最小值水位区间-最大值/最小值图9各节制闸上游流量变化 65m3/s-减小水位变幅效果Fig.9Variableeffectofdecreasingamplitudeofwaterlevelbychanging65m3/sofupstreamflowofeachcontrolgate表6模型各工况计算时间Tab.6Calculationscheduleofeachworkingconditionofthemodel初始流量/（m3s1）流量变化量/（m3s1）计算时间/sJZZ1号JZZ2号JZZ3号JZZ4号350（JZZ4号为340）+657.967.617.578.99+558.068.338.157.75+458.128.058.917.77+358.028.168.358.10+258.747.918.258.81张保航，等基于水动力耦合的明渠调水工程节制闸安全调控8294结论通过一维水动力模型耦合二分法建立明渠调水工程节制闸安全调控模型，实现了明渠调水工程上游流量切换时节制闸的安全调控，并以南水北调中线工程陶岔渠首至淇河节制闸 4 个节制闸开展实例研究，主要结论如下：通过模型计算的调控方案调控后，闸前水位在安全水位区间内运行，且模型划分的水位区间-进行约束，水位变幅较水位区间-约束时减小。模型耦合了二分法，使得安全调控可行域得到了快速计算，最长运行时间为 8.99s。此模型可解决上游流量切换时的闸门调控问题，给出了柔性调度方案，使得调度更为灵活，面向实际工程更实用、操作性强。在实际工程中可通过上游流量监测判断流量变化情况，计算各节制闸的调度方案，可实现多闸逐级联调的效果。参考文献：张金男,周惠成,吴剑,等.卫星遥感降雨数据在嫩江石灰窑以上流域洪水预报中的可利用性J.南水北调与水利科技(中英文),2021,19（6）：1093-1103.DOI:10.13476/ki.nsbdqk.2021.0112.1王超,孔令仲,朱双,等.考虑湖泊调蓄的引江济淮工程旬水量调度方案J.南水北调与水利科技(中英文),2022,20（6）：1109-1116.DOI:10.13476/ki.nsbdqk.2022.0109.2陈铭瑞,靳燕国,刘爽,等.明渠突发水污染事故段及下游应急调控J.南水北调与水利科技(中英文),2022,20（6）：1188-1196.DOI:10.13476/ki.nsb-dqk.2022.0117.3YAN P R,ZHANG Z,LEI X H,et al.A simple4methodforthecontroltimeofapumpingstationtoensurea stable water level immediately upstream ofthepumpingstationunderachangeofthedischargeinanopenchannelJ.Water,2021,13（3）：355.DOI:10.3390/w13030355.王艺霖,靳燕国,陈晓楠,等.LSTM神经网络和量纲分析法在弧形闸门过流计算中的对比J.南水北调与水利科技(中英文),2022,20（3）：590-599.DOI:10.13476/ki.nsbdqk.2022.0060.5樊甲伟,管光华,朱哲立.鄂北调水工程长倒虹吸事故水力响应及应急调度J.南水北调与水利科技(中英文),2021,19（4）：795-804.DOI:10.13476/-ki.nsbdqk.2021.0083.6孔令仲.大型明渠输水工程常态控制与应急调控算法研究D.杭州:浙江大学,2019.DOI:10.27461/ki.gzjdx.2019.0021657REDDY J M.Local Optimal control of irrigationcanalsJ.Journal of Irrigation and Drainage Engi-neering,1990,116（5）：616-631.DOI:10.1061/(AS-CE)0733-9437(1990)116:5(616.8张成,傅旭东,王光谦.南水北调中线工程总干渠非正常工况下的水力响应分析J.南水北调与水利科技,2007,33（6）：8-12,20.DOI:10.13476/ki.nsb-dqk.2007.06.004.9张成,贺莉,傅旭东,等.南水北调中线总干渠水力响应特征J.清华大学学报(自然科学版),2010,50（9）：1350-1352.DOI:10.16511/ki.qhdxxb.2010.09.014.10龙岩,雷晓辉,徐国宾,等.基于AHP-灰色定权聚类的长距离输水工程闸门应急调控方式研究J.南水北调与水利科技,2018,16（4）：184-188.DOI:10.13476/ki.nsbdqk.2018.0113.11孔令仲,王浩,雷晓辉,等.基于线性预测控制算法12表6（续）Tab.6(Continued)初始流量/（m3s1）流量变化量/（m3s1）计算时间/sJZZ1号JZZ2号JZZ3号JZZ4号+157.788.648.677.93158.768.347.658.65258.398.158.997.68358.527.518.008.96458.887.668.307.69558.048.977.978.54658.787.558.518.57第21卷第4期南水北调与水利科技（中英文）2023年 8 月830的明渠实时控制研究J.水利学报,2020,51（3）：326-334.DOI:10.13243/ki.slxb.20190505.OVERLOOP P,CLEMMENS A J,STRAND R J,etal.Real-timeimplementationofmodelpredictivecontrolonmaricopa-stanfieldirrigationanddrainagedistricts WM CanalJ.Journal of Irrigation&Drainage Engineering,2010,136（11）：747-756.DOI:10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0000256.13王坤,杨同春,徐征和,等.多级闸门调控下徒骇河流域雨洪资源利用J.南水北调与水利科技,2017,15（2）：50-57.DOI:10.13476/ki.nsbdqk.2017.02.008.14ZHUJ,ZHANGZ,LEIXH,etal.Optimalregula-tion of the cascade gates group water diversionprojectinaflowadjustmentperiodJ.Water.2021,13(20):2825.DOI:10.3390/w13202825.DOI:10.3390/w1320282515郑和震,张召,吴辉明,等.梯级泵站输水系统日优化调度及经济运行研究J.水利学报,2016,47（12）：1558-1565.DOI:10.13243/ki.slxb.20151350.16金思凡,初京刚,李昱,等.南水北调中线京石段冬季调度策略J.南水北调与水利科技(中英文),2021,19（2）：365-377.DOI:10.13476/ki.nsbdqk.2021.0039.17MUJB,ZHANGXF.Real-timefloodforecastingmethodwith1-DunsteadyflowmodelJ.JournalofHydrodynamics,2007,19（2）：150-154.DOI:10.1016/S1001-6058(07)60041-9.18赵鸣雁,孔令仲,郑艳侠,等.串联渠池闸门同步关19闭情况下关闸时间对闸前水位雍高影响J.南水北调与水利科技,2018,16（6）：157-163,170.DOI:10.13476/ki.nsbdqk.2018.0166.王船海,李光炽,向小华,等.实用河网水流计算M.南京:河海大学出版社,2015.20张成,倪春飞,刘林.输水系统闸前常水位控制下的区间调度研究J.应用基础与工程科学学报,2015,23（S1）：110-121.DOI:10.16058/j.issn.1005-0930.2015.s1.012.21白佳琦,张召,陈铭瑞,等.明渠调水工程流量切换条件下的渠池水力响应特性分析J/OL.中国农村水利水电:1-152023-02-08.http:/ Z,LEI X H,TIAN Y,et al.Optimizedscheduling of cascade pumping stations in open-channelwatertransfersystemsbasedonstationskip-pingJ.Journal of Water Resources Planning andManagement,2019,145（7）：05019011.DOI:10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0001080.25孔令仲,雷晓辉,张召,等.多级串联明渠调水工程多目标水位预测控制模型研究J.水利学报,2022,53（4）：471-482.DOI:10.13243/ki.slxb.20210836.26SafetyofcontrolgateforopenchannelwatertransferprojectbasedonhydrodynamiccouplingZHANGBaohang1,2