本发明涉及水利工程技术领域，尤其涉及一种基于多渠池蓄量平衡的串联渠道控制模式。
背景技术：
水是生命之源、生产之基、生态之要，是人类赖以生存和发展的不可缺少、不可替代的自然资源。我国的水资源总量虽然丰富(世界第六)，但人均占有量居世界第109位，仅为世界平均水平的1/4，而且在地区分布上也极不均匀，总体上呈现南多北少，夏多冬少等情况。20世纪以来，随着人口增长和经济快速发展，人类对淡水资源的用量愈来愈大，20世纪末全球的全年取水量为20世纪初的6倍之多。淡水资源的供需矛盾日益突出，已成为制约社会进步和可持续发展的主要因素。在我国西北部，因长期的水资源匮乏严重制约着当地的经济的发展。
为缓解水资源的供需矛盾，我国相继修建了大量的调水工程，如引黄济津、引滦入津以及举世瞩目的南水北调工程等。这些工程的修建促进了我国水资源的合理配置，加强了地区间的协调发展，产生了巨大的经济效益、社会效益以及生态效益。
随着大型调水工程的建成，许多复杂的问题也涌现了出来。目前的输水系统，尤其是灌溉系统，现代灌溉计划要求渠系能对主干渠的流量变化做出快速反应，并有极大的灵活性以实现优化供水，这对传统的渠道运行方法提出了挑战。由于调水工程复杂的工况，调水区域各地水量的分配及运行难度加大，人工的管理与操作在其间显得力不从心。这就为工程的运行管理中的自动化、信息化提出了更高的要求。渠道运行自动控制技术是明渠水力学与自动控制理论的交叉科学，是优化调度理论和控制技术的有机结合，为解决上述调水工程中的复杂管理问题提供了有效措施，并能够最大限度的提高渠系运行调度水平及水资源的利用效率。
渠道运行方式是指渠道中的水位如何变动以满足运行要求，它取决于渠道水面支枢点的位置，即渠道内水面波动时水深保持不变的位置。对于渠道的自动化控制，渠道运行方式的选择尤为重要。运行方式不同，渠道的响应特性也不同。根据渠道内水面支枢点位置的不同，渠道的运行方式可分为上游常水位运行(或称闸后常水位)、下游常水位运行(或称闸前常水位)、等体积运行(或称等容量运行)和控制体积运行(或称控制容量运行)等。上游常水位运行时渠道水面线较高，渠段蓄水量大，对需水要求能迅速做出正确的反应，但流量的突然改变引起的渠段震荡时间也较长；下游常水位运行时渠段蓄水量小，易造成水量损失，下游用户供水不足等；控制蓄量法虽然控制灵活，响应速度快，但渠道造价高，算法复杂，软件开发成本高；等体积运行是上游常水位和下游常水位运行的折中，可迅速改变整个渠系的水流状态，避免较长的延迟，但等体积运行过程中会改变下游水位，使下游水深不相等，实际过程中又不便于在渠段中间监测水位，这使得实际操作不太方便。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于多渠池蓄量平衡的串联渠道控制模式。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于多渠池蓄量平衡的串联渠道控制模式，所述串联渠道包括依次相连且高程不同的多个渠池，相邻渠池之间设置有节制闸的闸门，每个渠池内均设置有水位传感器；该控制模式包括以下步骤：
s1、通过水位传感器监测各个闸门的闸前水位和闸后水位，计算得到各个闸门的水位差，并将水位差与目标水位进行比较；若目标水位与实测的水位差之间的差值大于水位变化量阈值，则限定水位变化量为该阈值；
s2、读取串联渠道的输配水计划，根据各渠池输配水量的变化计算出每个闸门的过流流量变化；根据过闸流量的变化计算出各渠池下游水位的调节量，继而计算出流量变化后的水面线；根据下游目标水位、水面线、渠池在时间步长内的渗流及蒸发，计算渠池在时间步长内需要变化的蓄水量；
s3、计算渠池在时间步长内的蓄水量变化引起的下游水深变化，并通过递推计算出在时间步长内将变化的水量传递到相邻渠池所需的新的闸门流量变化；
s4、根据新的闸门流量变化，重新计算各渠池下游水位的调节量和渠池的水面线，结合渠池蓄水量变化和流量变化，确定新的上下游水深；
s5、判断所有渠池的下游目标水深是否相等；如果不相等，用所有下游水深的平均值作为新的目标水深，并计算各渠池下游水深与新的目标水深的差值，限定水深变化最大为水位变化量阈值；根据下游水深和目标水深计算渠池在新的目标水深下所需的蓄水量变化，重复步骤s3-s4，直到所有的下游水深相等且在水位变化量阈值的范围内；
s6、根据新的目标流量和预期的新的水面剖线的水深，根据闸门过流公式计算闸门的开度，并调节闸门。
进一步地，本发明的该控制模式中的水位变化量阈值为3cm。
进一步地，本发明的该控制模式中的时间步长为1h。
进一步地，本发明的该控制模式中计算输配水计划引起的渠池闸门流量变化的方法为：
渠池的入流流量等于该渠池的出流流量加上沿程的分水流量，则渠池闸门流量变化按下式计算：
其中，
进一步地，本发明的该控制模式中计算下游水位调节量的方法为：
闸门流量变化时会引起渠池水位的变化，对于等体积运行，下游水位的调节量按下式计算：
x＝[l(s-θ)+yd0-yu0]/2
其中，x表示下游水位的调节量，l表示渠池的长度，s表示平均水力坡度，以渠池的平均水深计算，θ表示渠池的底坡，yd0表示渠池起始的下游水深，yu0表示渠池起始的上游水深。
进一步地，本发明的该控制模式中计算相应蓄水量变化的方法为：
根据渠池在时间步长内的渗流及蒸发，渠池在时间步长内蓄水量的变化量按下式计算：
δv1＝v1+v2
其中，δv1表示渠池在时间步长内的蒸发量和渗漏量，v1、v2分别表示渠池在时间步长内的渗漏量和蒸发量。根据水面线、下游目标水位，渠池蓄水量的变化量按下式计算：
δv2＝(δy×m+2yt×m+b)×δy×l
其中，δv2表示根据下游水深和目标水深的差计算的蓄水量的变化，δy表示下游水深yf减去目标水深yt，m表示渠池断面的边坡系数，b表示梯形断面的底宽，l表示渠池的长度。
进一步地，本发明的该控制模式中计算相应蓄水量变化的下游水深变化的方法为：
渠池的蓄水量变化时会引起整个渠池水面线的变化，对于等体积控制，我们使原始水面线垂直平移为终了水面线，此时下游水深的变化按下式计算：
其中，
进一步地，本发明的该控制模式中在时间步长内递推计算将变化的水量传递到每个渠池所需的新的闸门流量变化的方法为：
假定发生蓄水量变化的渠池n，n≥2的下游流量
若蓄水量发生变化的渠池n＝1,假定渠池上游流量
其中，
本发明产生的有益效果是：本发明的基于多渠池蓄量平衡的串联渠道控制模式，通过具体运算，调节闸门，使多个渠池在任一时间内都保持相对稳定的蓄水量，同时满足三个方面的需求：一是保证各渠池的下游水深相等，为实际操作和监测带来便利；二是考虑控制过程中渠池水量的蒸发、渗漏损失，提高控制的准确性；三是考虑多渠池的蓄量平衡，提高渠道的响应速度和控制系统的稳定性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的控制流程图；
图2是本发明实施例的结构示意图。
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，以下结合附图及实施例，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例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于多渠池蓄量平衡的串联渠道控制模式，通过提出具体的操作步骤和运算方法，使多个渠池在任一时间内都保持相对稳定的蓄水量，从而提高渠系的响应特性，在渠系运行调度中使系统达到稳定性、快速性、鲁棒性等要求。
当渠池的流量发生变化时，重新计算渠池上、下游的水位。这里假定渠池沿线的水力坡度和底坡是不变的，水面线是线性的；当渠池的蓄水量发生变化时，计算渠池水深的平均变化量；根据新的目标流量和预期的上下游水深计算出各个闸门的开度。
本发明实施例的基于多渠池蓄量平衡的串联渠道控制模式，串联渠道包括依次相连且高程不同的多个渠池，相邻渠池之间设置有节制闸的闸门，每个渠池内均设置有水位传感器；该控制模式包括以下步骤：
s1、通过水位传感器监测各个闸门的闸前水位和闸后水位，计算得到各个闸门的水位差，并将水位差与目标水位进行比较；若目标水位与实测的水位差之间的差值大于水位变化量阈值，则限定水位变化量为该阈值；
s2、读取串联渠道的输配水计划，根据各渠池输配水量的变化计算出每个闸门的过流流量变化；根据过闸流量的变化计算出各渠池下游水位的调节量，继而计算出流量变化后的水面线；根据下游目标水位、水面线、渠池在时间步长内的渗流及蒸发，计算渠池在时间步长内需要变化的蓄水量；
s3、计算渠池在时间步长内的蓄水量变化引起的下游水深变化，并通过递推计算出在时间步长内将变化的水量传递到相邻渠池所需的新的闸门流量变化；
s4、根据新的闸门流量变化，重新计算各渠池下游水位的调节量和渠池的水面线，结合渠池蓄水量变化和流量变化，确定新的上下游水深；
s5、判断所有渠池的下游目标水深是否相等；如果不相等，用所有下游水深的平均值作为新的目标水深，并计算各渠池下游水深与新的目标水深的差值，限定水深变化最大为水位变化量阈值；根据下游水深和目标水深计算渠池在新的目标水深下所需的蓄水量变化，重复步骤s3-s4，直到所有的下游水深相等且在水位变化量阈值的范围内；
s6、根据新的目标流量和预期的新的水面剖线的水深，根据闸门过流公式计算闸门的开度，并调节闸门。
该控制模式中的水位变化量阈值为3cm。
该控制模式中的时间步长为1h。
该控制模式中计算输配水计划引起的渠池闸门流量变化的方法为：
渠池的入流流量等于该渠池的出流流量加上沿程的分水流量，则渠池闸门流量变化可按下式计算：
其中，
该控制模式中计算下游水位调节量的方法为：
闸门流量变化时会引起渠池水位的变化，对于等体积运行，下游水位的调节量可按下式计算：
x＝[l(s-θ)+yd0-yu0]/2
其中，x表示下游水位的调节量，l表示渠池的长度，s表示平均水力坡度，以渠池的平均水深计算，θ表示渠池的底坡，yd0表示渠池起始的下游水深，yu0表示渠池起始的上游水深。
该控制模式中计算相应蓄水量变化的方法为：
根据渠池在时间步长内的渗流及蒸发，渠池在时间步长内蓄水量的变化量可按下式计算：
δv1＝v1+v2
其中，δv1表示渠池在时间步长内的蒸发量和渗漏量，v1、v2分别表示渠池在时间步长内的渗漏量和蒸发量。根据水面线、下游目标水位，渠池蓄水量的变化量可按下式计算：
δv2＝(δy×m+2yt×m+b)×δy×l
其中，δv2表示根据下游水深和目标水深的差计算的蓄水量的变化，δy表示下游水深yf减去目标水深yt，m表示渠池断面的边坡系数，b表示梯形断面的底宽，l表示渠池的长度。
该控制模式中计算相应蓄水量变化的下游水深变化的方法为：
渠池的蓄水量变化时会引起整个渠池水面线的变化，对于等体积控制，我们使原始水面线垂直平移为终了水面线，此时下游水深的变化可按下式计算：
其中，
该控制模式中在时间步长内递推计算将变化的水量传递到每个渠池所需的新的闸门流量变化的方法为：
假定发生蓄水量变化的渠池n，n≥2的下游流量
特别的，若蓄水量发生变化的渠池n＝1,假定渠池上游流量
其中，
如图1所示，一种基于多渠池蓄量平衡的串联渠道控制模式主要包括渠道参数、监测水位及输配水计划的输入，闸门开度的输出，以及数据的处理。其中监测水位由水位传感器输入,并将水位转化为相应的水深。
流程图中的dt＝1h，即1h内闸门只能调节1次，调节前后的下游水位变化不能超过3cm。具体计算时，首先根据输配水计划依据图2中的原理及蓄量平衡计算变化后的水面线，然后判断由此计算出的下游水深是否相等，以及下游水深的变化是否超过3cm。如果不满足该条件，则将所有下游水深的平均值作为目标水深，重新计算，直到符合条件。接着计算出闸门的调节量，调节闸门，然后循环跳入到下个小时继续计算。
流程图中的参数说明：t是时间，单位是h；dt为时间步长，为1h；n是渠池个数；yf为闸前水深，单位m；yt为目标水深，单位m；δy为渠池蓄水量变化引起的下游水深变化量，单位m；δy为水深变化幅度，单位m。
如图2所示，c是原来的水面线，b是闸门流量增大后的水面线，a是渠池水量变化后的水面线，x为渠池的闸门流量发生变化时下游水位的调节量，
下游水位的调节量
闸门流量变化时会引起渠池水位的变化，对于等体积运行，下游水位的调节量可按下式计算：
x＝[l(s-θ)+yd0-yu0]/2
其中，x表示下游水位的调节量，l表示渠池的长度，s表示平均水力坡度，以渠池的平均水深计算，θ表示渠池的底坡，yd0表示渠池起始的下游水深，yu0表示渠池起始的上游水深。
渠池的蓄水量变化时会引起整个渠池水面线的变化，对于等体积控制，我们使原始水面线垂直平移为终了水面线，此时下游水深的变化可按下式计算：
其中，
本发明产生的有益效果是：(1)制定出用水计划发生变化时闸门的开度计划，使渠道在多渠池蓄量平衡的状态下运行；(2)迅速改变整个渠系的水流状态，避免较长的延迟，提高系统稳定性；(3)提高渠系水利用效率，减少水资源浪费；(4)提高渠道输水的经济效益。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。