一种长距离引调水工程多功能模拟系统及模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水利工程实验技术领域，具体涉及一种长距离引调水工程多功能模拟 系统及模拟方法。
【背景技术】
[0002] 我国水资源时空分布不均匀，水质型缺水问题也较为严重，水资源短缺已成为经 济社会可持续发展的主要制约因素。跨流域引调水是是合理配置水资源、解决用水需求与 供水能力矛盾的常见措施，为缓解我国北方地区的资源型缺水问题，我国正在实施"南水北 调"这一世界级的跨流域调水工程。跨流域调水也是解决水质型缺水问题的有效手段，例 如，为改善太湖河网与湖区水体的水环境状况，太湖流域实施了"引江济太"调水工程，取得 良好效果。跨流域引调水工程一般具有大尺度、长距离、多载体、多形态等特点，对工程自身 安全性要求较高；同时，为保证受水地区人民群众的饮水安全，输水水质安全保障也是跨流 域引调水工程中需要重点关注的问题。
[0003] 长距离引调水工程的规划、设计与运行往往面临着高效控制、优化运行、应急处置 等现实难题，例如，如何准确预测变化流量情形时引调水工程结构安全、如何预测分析突发 污染水体输移传输过程中的环境风险、如何预判冰封期引调水传输效率等。由于引调水工 程一般长度远远大于其渠道宽度，同时有压式和无压式输水的原理具有较大区别，难以采 用常规的水利工程物理缩放建模的方法对工程全程进行室内试验分析，往往仅能依据经验 分析和数学模型的方法进行计算分析。
[0004] 目前尚无成熟可靠的长距离引调水全程物理模型装置与方法，现有技术多见于长 距离输水数值模拟方面，如《复杂长距离输水系统仿真优化研宄》一文，将数字仿真模型应 用于长距离输水系统优化调度研宄中。有专利《长距离输水水质模拟装置》提出了一种长 距离输水水质模拟装置，但该装置仅能模拟较单一的输水形式的水质迀移转化，不能适应 超长距离、多种输水形态、多种指标监测、区间出入流等复杂条件的实际需求。为科学设计 与管理跨流域引调水工程，对工程中的水量控制、管渠安全、水量损耗、突发水污染、输水效 率分析、优化运行等议题进行直观的试验分析，需要研制一种适宜于室内的长距离引调水 工程多功能模拟系统，能直观、准确、便捷地实时掌握水流、水质等指标的变化。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种长距离引调水工程 多功能模拟系统及模拟方法，为长距离引调水工程的水量控制、管渠安全、水量损耗、突发 水污染、输水效率分析、优化运行等议题提供多功能试验分析平台。
[0006] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种长距离引调水工程多功能模拟系 统，包括若干个无压输水模拟单元、若干个有压输水模拟单元，所述相邻的无压输水模拟单 元之间或者相邻的有压输水模拟单元之间或者无压输水模拟单元与有压输水模拟单元之 间都通过多功能连接件连接；
[0007] 所述无压输水模拟单元包括无压主流模拟装置、无压进水控制装置、无压出水控 制装置、无压支流模拟装置、明渠流量监控装置、明渠水质监测装置；所述无压主流模拟装 置包含用于模拟无压式引调水的输水主渠道流动的输水渠道，输水渠道上设有若干个采集 水质的第一传感器，输水渠道为螺旋布置成圆盘状的明渠，输水渠道的上游位于圆盘状的 明渠的中心位置，输水渠道中心底部安装有用于调节蓄水池高度进而改变输水渠道的沿程 坡降的液压杆，蓄水池位于液压杆正上方，输水渠道的下垫面装有由多根温控管组成的渠 道温度调节器，通过控制温控管内液体的温度实现对输水渠道内的水温控制；无压进水控 制装置用于接受区间段上游来流及控制下泄流量，包括蓄水池和进水闸，其中蓄水池安置 在上游，即输水渠道的中心位置，用于承接上游来流，蓄水池安装有进水闸控制蓄水池出水 流量以便为本区间段输水；所述无压出水控制装置用于控制无压式引调水的区间出流，包 括出水闸、缓冲池、无压管道阀、无压出水管、渠道出水口，其中出水闸安置在输水渠道下游 末端处，与缓冲池相连，无压出水管水平安置在输水渠道的下部，一端通过无压管道阀与缓 冲池相连，另一端设有渠道出水口；所述无压支流模拟装置用于模拟无压式引调水区间出 入支流，包括清水支流进水口、污水支流进水口、支流出水口，均安装在缓冲池的侧边；所述 明渠流量监控装置包含明渠流量监控台和安装于进水闸、出水闸、清水支流进水口、污水支 流进水口、支流出水口、无压管道阀处的流量传感器，明渠流量监控台通过信号线与各个流 量传感器连接；所述明渠水质监测装置包括明渠指标显示台和可拆卸式的明渠多功能监测 终端，明渠多功能监测终端通过信号线与无压主流模拟装置中的第一传感器连接，明渠指 标显示台通过信号线接受存储多功能监测终端的监测数据并实时显示；
[0008] 所述有压输水模拟单元包括有压主流模拟装置、有压进出水控制装置、有压支流 模拟装置、管道流量监控装置、管道水质监测装置；所述有压主流模拟装置包括上层输水管 道和下层输水管道，所述上层输水管道和下层输水管道平行安置且螺旋布置成圆盘状，上 层输水管道和下层输水管道通过多口连接器进行连接，上层输水管道和下层输水管道上设 有若干个采集水质的第二传感器，上层输水管道与下层输水管道之间装有多根温控管组成 的管道温度调节器；所述有压进出水控制装置包括上管道控制闸、下管道控制闸、上管道泄 压阀、下管道泄压阀，上层输水管道和下层输水管道中心位置安置有兼具进水和出水的双 重作用的上管道控制闸和下管道控制闸，上管道泄压阀和下管道泄压阀分别安装于上层输 水管道和下层输水管道上，均靠近多口连接器；所述有压支流模拟装置包括支路进水口和 支路出水口，安装在多口连接器的侧边；所述管道流量监控装置包含管道流量监控台和安 装于管道控制闸、下管道控制闸、支路进水口、支路出水口上的流量传感器，管道流量监控 台通过信号线与流量传感器连接；所述管道水质监控装置包括管道指标显示台和管道多功 能监测终端，其中管道多功能监测终端通过信号线与第二传感器连接，指标显示台可通过 信号线接受存储管道多功能监测终端的监测数据并实时显示；
[0009] 所述多功能连接件包含多功能水流转换装置，包括锥形消能阀、变频水泵、进水口 调节装置、出水口调节装置、状态控制开关、连接腔、连接管；所述锥形消能阀有"开"和"关" 两种工作状态，由支撑杆固定于连接腔内壁，锥形消能阀上端与进水口调节装置密闭连接， 锥形消能阀下端连接连接管，进水口调节装置与渠道出水口或下管道控制闸连接；所述变 频水泵有"低压"和"高压"两种工作状态，变频水泵一端与出水口调节装置连接，另一端与 连接管密闭连接，出水口调节装置与进水闸或上管道控制闸连接；所述进水口调节装置、出 水口调节装置通过可锁定的螺栓分别安装在连接腔上端与下端，连接腔外壁安装有控制锥 形消能阀的状态控制开关。
[0010] 作为优选，所述无压支流模拟装置的清水支流进水口和支流出水口分别与可逆水 泵连接，通过一台可逆水泵控制进出流量，污水支流进水口与污水泵连接，通过一台污水泵 控制进流量。
[0011] 作为优选，所述圆盘状的无压主流模拟装置的内外圈的明渠之间由圆形隔板隔 开，隔板的顶端有矩形凸起，矩形凸起外安装明渠水质监测装置中的明渠多功能监测终 端；
[0012] 作为优选，所述明渠多功能监测终端包括拱形支架、上游测量臂、下游测量臂，其 中拱形支架断面形状类似门形，可卡在圆形隔板顶端的矩形凸起上，所述上游测量臂和下 游测量臂的一端均为渠道传感器安装口，另一端均通过可旋转吊环螺丝安置在拱形支架 上，使其可根据需要调节渠道传感器安装口的高度；所述渠道传感器安装口上加装第一传 感器，第一传感器为流量传感器、水温传感器、压力传感器、湿度传感器、BOD传感器、COD传 感器、营养盐传感器、溶解氧传感器或流速传感器中的一种。
[0013] 作为优选，所述有压主流模拟装置的上层输水管道和下层输水管道沿程均匀分布 有若干个多功能管道监测终端，所述的管道多功能监测终端包括加固管、堵塞螺栓、测量螺 栓；所述的加固管为一段高强度管件，位于安装有多功能管道监测终端处的上层输水管道 或下层输水管道的外壁，且上层输水管道或下层输水管道在该处有螺栓孔；所述的堵塞螺 栓可旋进螺栓孔将多功能管道监测终端关闭；所述的测量螺栓可旋进螺栓孔将多功能管 道监测终端开启，当需要打开多功能管道监测终端，将测量螺栓旋进螺栓孔，当需要关闭多 功能管道监测终端，堵塞螺栓旋进螺栓孔，并通过管道传感器对上层输水管道和下层输水 管道内的各项指标进行监测，测量螺栓由管道传感器安装口和管道传感器组合而成，管道 传感器安装口中心留有小孔，用于导出管道传感器的信号线，且小孔下端留有螺栓孔用于 连接管道传感器；所述的管道传感器安装有第二传感器，第二传感器为流量传感器、水温传 感器、压