本发明涉及调水工程充水技术领域，尤其涉及一种基于闸泵联合调控的梯级泵站明渠调水工程充水方法。
背景技术：
以多个输水渠池衔接的梯级泵站调水工程是大中型输水系统中的常见布置形式。该类工程在首次运行和检修后恢复通水工况下，均需要进行渠道的充水调度。充水模式直接决定着工程的充水效率，并进一步影响着工程的通水时间和充水过程的水量损失程度。
目前，充水模式往往利用天然落差，以受水区水库为充水水源，全线自流为渠道充水。该模式只有在渠道入口泵站的站后水位达到水泵机组的最小淹没条件时才能进行下一渠池的充水，导致水流流程长、充水效率低、蒸发渗漏量大。另外，渠道充水结束后，充水水体还需要通过梯级泵站再提升至充水水库，增加了能源消耗和运行费用。因此，需要研究梯级泵站明渠调水工程的快速充水模式，以提高系统充水过程的效率，减少水量损失，降低运行能耗和费用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于闸泵联合调控的梯级泵站明渠调水工程充水方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于闸泵联合调控的梯级泵站明渠调水工程充水方法，所述调水工程包括n个泵站和n-1个渠池，所述充水方法包括如下步骤：
s1，利用技术排水泵为各泵站站后舌瓣闸与出口之间的出水池充水，使出水池的水位满足泵站淹没启泵条件；
s2，构建渠道恒定流计算模型，并分别计算调水工程各渠池在设计充水流量下的最低控制水面线和断面水深；
s3，构建渠道水体体积计算模型，并分别计算各渠池在最低控制水面线下的水体体积vi(i＝1,2,…,n-2,n-1)；
s4，确定梯级泵站调水工程各渠池充水量ci、渠池充水时间ti、累计充水水量csys、累计充水时间tsys；
s5，利用泵站水泵机组按设计充水流量qi依次为各渠池充水，使系统达到通水条件。
优选地，s1包括如下步骤：
s101，在第k级泵站机组启动前，将泵站后舌瓣闸调整至完全起立状态，舌瓣闸完全起立时门顶高程与出水池最低运行水位
s102，充分发挥泵站后舌瓣闸的挡水作用，利用技术排水泵将舌瓣闸与泵站出口间的出水池充水至
优选地，s2包括如下步骤：
s201，构建渠道的恒定流计算模型；
s202，在所述恒定流计算模型中，将st.venant方程中各水力要素对时间的偏导项取零，得到仅含空间项的微分方程组，如下公式：
式中：q为渠道输水流量，m3/s；x为断面的距离坐标，m；q为单位长度渠段上的分水流量，m3/s，如果全线流量匹配，则取q＝0；u为断面平均流速，m/s；z为水位，m；c为谢才系数，m0.5/s；r为水力半径，m；g为重力加速度，m/s2；a为过水面积，m2；
s203，选取内部构筑物相容方程，并与s202中得到的微分方程组进行耦合，得到耦合方程组；
s204，采用preissmann格式对方程组进行离散，并采用双扫描法进行求解，得到渠池最低控制水面线；
s205，根据渠池最低控制水面线与断面渠底高程计算得到断面水深。
优选地，s205具体为：
对第i个渠池(第k和k+1级泵站间的渠道)，取第k级泵站设计充水流量
根据渠池最低控制水面线zi(s)与渠池各断面渠底高程
式中：s表示断面位置；
i＝1,2,…,n-2,n-1，
k＝1,2,3,…,n。
优选地，s3包括如下步骤：
s301，将渠池分成若干个水体体积计算单元；
s302，计算每个计算单元的水体体积，所述计算单元为棱柱形渠槽、非棱柱形渠槽和/或管涵中的一种或几种，其中，非棱柱形渠槽的水体体积按照如下公式计算：
式中：vn表示非棱柱形渠槽单元的水体体积，b1、b2分别表示非棱柱形渠槽进出口过水断面底宽；h1、h2表示非棱柱形渠槽进出口断面水深；l表示该计算单元长度；m表示渠槽边坡系数；
棱柱形渠槽的水体体积按照如下公式计算：
式中：vc表示棱柱形渠槽单元的水体体积；b表示棱柱形渠槽过水断面底宽；
管涵单元水体体积：
vs＝as×l
式中：vs表示管涵单元水体体积；as为管涵单元过水断面面积；l为该计算单元长度；
s303，将所有计算单元的水体体积求和得到渠池的水体体积。
优选地，s4采用自下游至上游的顺序，依次计算各渠池的充水量和充水时间，再计算累计充水量和累计充水时间，具体包括如下步骤：
s401，计算第n-1个渠池的充水时间tn-1和充水量cn-1；
s402，计算第n-2个渠池至第1个渠池的充水时间(tn-2,tn-3,…,t2,t1)和充水量(cn-2,cn-3,…,c2,c1)；
s403，按照如下公式计算累计充水水量csys：
s404，按照如下公式计算累计充水时间tsys：
优选地，s401包括如下步骤：
s4011，构建第n-1个渠池(最末端渠池)的充水阶段水量损失wn-1，充水量cn-1和充水时间tn-1的计算公式：
wn-1＝qn-1×tn-1
cn-1＝vn-1+wn-1
tn-1＝cn-1/qn-1
式中，vn-1为第n-1个渠池(最末端渠池)的水体体积，qn-1为第n-1个渠池平均水量损失强度，qn-1为第n-1个渠池设计充水流量；
s4012，联立上述三个公式，计算得到第n-1个渠池的充水时间tn-1和充水量cn-1。
优选地，s402包括如下步骤：
s4021，构建第i个渠池的充水阶段水量损失wi，充水量ci和充水时间ti的计算公式：
ci＝vi+wi
ti＝ci/qi
式中，j＝i,i+1,…,n-2,n-1，
vi为第i个渠池的水体体积，qi为第i个渠池的平均水量损失强度，qi为第i个渠池的设计充水流量，tj为第j个渠池的充水时间；
s4022，联立上述三个公式，计算得到第i个渠池的充水时间ti和充水量ci。
优选地，s5具体为，
在第k级泵站出水渠道满足启泵条件后，开启第k级泵站水泵机组，按设计充水流量qi和计算得到的充水时间ti为第i个渠池充水，待第k+1级泵站进水池水位达到最低运行水位
本发明的有益效果是：本发明实施例提供的基于闸泵联合调控的梯级泵站明渠调水工程充水方法，采用闸泵联合调控技术，使水泵快速达到启动条件，实现了工程的快速充水，同时减少了充水时间和充水阶段水量损失，提高了充水效率；同时，通过从水资源充沛的水源地取水，充水效率得到了显著提高，减少了系统的水资源浪费和水量损失；另外，通过舌瓣闸调控，降低了充水过程的渠道水面线，保证了渠道充水的安全。
附图说明
图1是发明提供的充水方法流程示意图；
图2是泵站工程布置图；
图3是非棱柱形渠槽的平面结构示意图；
图4是非棱柱形渠槽的纵断面结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于闸泵联合调控的梯级泵站明渠调水工程充水方法，所述调水工程包括n个泵站和n-1个渠池，所述充水方法包括如下步骤：
s1，利用技术排水泵为各泵站站后舌瓣闸与出口之间的出水池充水，使出水池的水位满足泵站淹没启泵条件；
s2，构建渠道恒定流计算模型，并分别计算调水工程各渠池在设计充水流量下的最低控制水面线和断面水深；
s3，构建渠道水体体积计算模型，并分别计算各渠池在最低控制水面线下的水体体积vi(i＝1,2,…,n-2,n-1)；
s4，确定梯级泵站调水工程各渠池充水量ci、渠池充水时间ti、累计充水水量csys、累计充水时间tsys；
s5，利用泵站水泵机组按设计充水流量qi依次为各渠池充水，使系统达到通水条件。
其中，s1包括如下步骤：
s101，在第k级泵站机组启动前，将泵站后舌瓣闸调整至完全起立状态，舌瓣闸完全起立时门顶高程与出水池最低运行水位
s102，充分发挥泵站后舌瓣闸的挡水作用，利用技术排水泵将舌瓣闸与泵站出口间的出水池充水至
明渠中泵站启泵时，其出水池水位应满足淹没启泵条件，泵站工程布置如图2所示。为使其快速满足启泵条件，在泵站机组启动前，首先将泵站后舌瓣闸调整至完全起立状态，舌瓣闸完全起立时门顶高程与出水池最低运行水位
本发明的一个优选实施例中，s2可以包括如下步骤：
s201，构建渠道的恒定流计算模型；
s202，在所述恒定流计算模型中，将st.venant方程中各水力要素对时间的偏导项取零，得到仅含空间项的微分方程组，如下公式：
式中：q为渠道输水流量，m3/s；x为断面的距离坐标，m；q为单位长度渠段上的分水流量，m3/s，如果全线流量匹配，则取q＝0；u为断面平均流速，m/s；z为水位，m；c为谢才系数，m0.5/s；r为水力半径，m；g为重力加速度，m/s2；a为过水面积，m2；
s203，选取内部构筑物相容方程，并与s202中得到的微分方程组进行耦合，得到耦合方程组；
s204，采用preissmann格式对方程组进行离散，并采用双扫描法进行求解，得到渠池最低控制水面线；
s205，根据渠池最低控制水面线与断面渠底高程计算得到断面水深。
明渠调水工程各渠池在充水结束后会达到相对稳定状态，故可构建渠道恒定流计算模型，用于计算充水稳定后的渠池水面线。
上述s202中，建立的微分方程组，只适用于渠段工程，对于梯级泵站调水工程中涉及的倒虹吸、渐变段等工程内部构筑物，需采用适当的相容方程进行概化。由于渠系水工建筑物以局部水力损失为主，其相容方程一般选择连续方程和能量方程。所以，本发明实施例中，将s202中建立的微分方程组和内部构筑物相容方程进行耦合，采用preissmann格式对方程组进行离散，并采用双扫描法对恒定流计算模型进行求解，求解的方法具体可以为：
对第i个渠池(第k和k+1级泵站间的渠道)，取第k级泵站设计充水流量
根据渠池最低控制水面线zi(s)与渠池各断面渠底高程
式中：s表示断面位置；
i＝1,2,…,n-2,n-1，
k＝1,2,3,…,n。
本发明的一个优选实施例中，s3可以包括如下步骤：
s301，将渠池分成若干个水体体积计算单元；
s302，计算每个计算单元的水体体积，所述计算单元为棱柱形渠槽、非棱柱形渠槽(其结构如图3和4所示)和/或管涵中的一种或几种，其中，非棱柱形渠槽的水体体积按照如下公式计算：
式中：vn表示非棱柱形渠槽单元的水体体积，b1、b2分别表示非棱柱形渠槽进出口过水断面底宽；h1、h2表示非棱柱形渠槽进出口断面水深；l表示该计算单元长度；m表示渠槽边坡系数；
棱柱形渠槽的水体体积按照如下公式计算：
式中：vc表示棱柱形渠槽单元的水体体积；b表示棱柱形渠槽过水断面底宽；
管涵单元水体体积：
vs＝as×l
式中：vs表示管涵单元水体体积；as为管涵单元过水断面面积；l为该计算单元长度；
s303，将所有计算单元的水体体积求和得到渠池的水体体积。
本发明的另一个优选实施例中，s4可以采用自下游至上游的顺序，依次计算各渠池的充水量和充水时间，再计算累计充水量和累计充水时间，具体包括如下步骤：
s401，计算第n-1个渠池的充水时间tn-1和充水量cn-1；
s402，计算第n-2个渠池至第1个渠池的充水时间(tn-2,tn-3,…,t2,t1)和充水量(cn-2,cn-3,…,c2,c1)；
s403，按照如下公式计算累计充水水量csys：
s404，按照如下公式计算累计充水时间tsys：
为各个渠池充水时，不可避免地要考虑蒸发、渗漏等水量损失。在为下游(规定水源地为上游)渠池充水时，上游渠池的蒸发与渗漏损失依然进行，随着下游渠池充水时间的增长，上游需要补充的水量会越大。因此，本发明实施例中，在确定充水水量和充水时间时，采用自下游至上游的逆序计算方法。
其中，s401可以包括如下步骤：
s4011，构建第n-1个渠池(最末端渠池)的充水阶段水量损失wn-1，充水量cn-1和充水时间tn-1的计算公式：
wn-1＝qn-1×tn-1
cn-1＝vn-1+wn-1
tn-1＝cn-1/qn-1
式中，vn-1为第n-1个渠池(最末端渠池)的水体体积，qn-1为第n-1个渠池平均水量损失强度，qn-1为第n-1个渠池设计充水流量；
s4012，联立上述三个公式，计算得到第n-1个渠池的充水时间tn-1和充水量cn-1。
s402可以包括如下步骤：
s4021，构建第i个渠池的充水阶段水量损失wi，充水量ci和充水时间ti的计算公式：
ci＝vi+wi
ti＝ci/qi
式中，j＝i,i+1,…,n-2,n-1，
vi为第i个渠池的水体体积，qi为第i个渠池的平均水量损失强度，qi为第i个渠池的设计充水流量，tj为第j个渠池的充水时间；
s4022，联立上述三个公式，计算得到第i个渠池的充水时间ti和充水量ci。
上述方法中，各渠池的水体体积vi(i＝1,2,…,n-2,n-1)为已知量，在s3中已经计算得到，qi和qi均为已知量，qi可通过测量第i个渠池在恒定时段进、出口断面的平均流量差得到，qi为第i个渠池进水侧泵站单台水泵机组的设计流量，可由工程设计单位提供。
本发明的一个实施例中，s5具体可以为，
在第k级泵站出水渠道满足启泵条件后，开启第k级泵站水泵机组，按设计充水流量qi和计算得到的充水时间ti为第i个渠池充水，待第k+1级泵站进水池水位达到最低运行水位
具体实施例
以密云水库调蓄工程屯佃泵站-西台上泵站的充水过程为例，按照本发明提供的上述方法，确定累计充水量和累计充水时间。
密云水库调蓄工程是南水北调中线北京段的配套工程，该工程将中线沿线省市的剩余水量加压输送至密云水库，能够增加密云水库蓄水量，回补密怀顺水源地，改善当地的生态环境。其中，屯佃泵站-西台上泵站，共包含6座泵站，依次为屯佃(1)、前柳林(2)、埝头(3)、兴寿(4)、李史山(5)、西台上泵站(6)，以明渠相连接。泵站之间的渠池的基本信息及充水过程计算结果见表1。
表1渠池基本信息及充水过程计算结果
通过表1中计算结果，可以看出该工程的累计充水水量为246.3587万m3，累计充水时间为102.14小时。
对比例
对于密云水库调蓄工程屯佃泵站-西台上泵站，该对比例采用闸控自流方法为渠池充水，以渠池上游泵站最低水位为控制条件，通过计算得到各渠池(该对比例中的渠池编号与上述具体实施例中的渠池编号相同，即相同编号代表同一渠池)充水量分别为：44.7306万m3(1号渠池)、63.2457万m3(2号渠池)、84.8104万m3(3号渠池)、55.5179万m3(4号渠池)、16.6026万m3(5号渠池),工程累计充水量为264.9072万m3。闸控情况下工程设计充水流量为5.0m3/s，累计充水时间为147.17小时。
可见，本发明实施例提供的方法，以梯级泵站明渠调水工程的充水过程为研究对象，考虑充水阶段的水量损失，采用闸泵联合调控技术实现工程的快速充水，为提高充水效率，减少充水阶段水量损失提供了科学依据和技术支撑。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)现有技术一般采用梯级泵站调水工程中的闸控系统从受水区水库放水全线自流为渠道充水，充水水量大、效率低，而本发明方法利用闸泵联合调控，使水泵快速达到启动条件，减少了充水时间和水量，提高了充水效率。
(2)现有技术从受水区水库放水，水资源浪费严重，并且充水时间长导致蒸发、渗漏量增加，而本发明方法从水资源充沛的水源地取水，充水效率显著提高，减少了系统的水资源浪费和水量损失。
(3)现有技术为渠道充水时，在渠段上游容易产生的漫溢现象，而本发明方法通过舌瓣闸调控，能够降低充水过程的渠道水面线，保证了渠道充水安全。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明实施例提供的基于闸泵联合调控的梯级泵站明渠调水工程充水方法，采用闸泵联合调控技术，使水泵快速达到启动条件，实现了工程的快速充水，同时减少了充水时间和充水阶段水量损失，提高了充水效率；同时，通过从水资源充沛的水源地取水，充水效率得到了显著提高，减少了系统的水资源浪费和水量损失；另外，通过舌瓣闸调控，降低了充水过程的渠道水面线，保证了渠道充水的安全。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。