一种基于叠加消波原理的大型输水明渠闸门控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于叠加消波原理的大型输水明渠闸门控制方法，所述方法的步骤包括：计算移动波移动时间；计算正负移动波叠加时间；确定分水口流量参数；计算节制闸开度调整时刻；计算渠道蓄量调整值；计算节制闸流量调整值；计算节制闸实际开度；执行节制闸开度；确定节制闸回调时间；计算节制闸流量回调值；计算节制闸开度回调计划；执行节制闸开度回调。本发明使渠道供水与分水口用水在时间上和水量上均相匹配的同时，显著降低分水口附近的水位波动，从而减少渠道衬砌破坏事故的发生几率，同时降低监控、维护等运行管理成本。
【专利说明】一种基于叠加消波原理的大型输水明渠闸门控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于叠加消波原理的大型输水明渠闸门控制方法，是一种用于水工设施的自动控制方法，是一种适用于大型明渠输水工程的水流自动控制方法。
【背景技术】
[0002]明渠是农业灌溉和调水工程的主要输水方式。输水明渠通常由节制闸分隔成相串连的多个渠段，各渠段内布设分水口，用以向沿线农村或城市供水。当分水口按用水计划改变分水流量时，渠道内的水位与流量随之发生变化，为保证整个渠道的水量平衡，需要调节沿线各节制闸的开度，使供水与分水口用水在水量上达到动态平衡。
[0003]明渠输水时，维持分水口处水位的相对稳定十分重要。由于分水口通常是重力式分水口，渠道水位的大幅波动会影响分水口流量的稳定，给水量的计量工作带来困难。此夕卜，分水口处水位的快速变化，还可能引发结构安全事故。即一旦渠道底部或侧面的静水压力超过渠道内水压力，将导致渠道衬砌破坏。一般规定，混凝土衬砌渠道的水位下降速率每小时不超过0.15米，每24小时不超过0.3米。水位上升速率每小时不超过0.15米，对于充水阶段，渠道每24小时水位上升不应超过0.45米。
[0004]传统的输水调度中，节制闸与分水闸在操作时间上的协调上主要靠经验，其操作间隔的估算，一种做法是按水流的流速粗略估算。然而由于水流流速较移动波速差数倍，按此估算出的节制闸操作时间明显偏早，其结果是节制闸开启后移动波很快就到达分水口附近，而此时分水口尚不到开启时间，导致附近水位持续上涨。该情形下管理者需密切监控分水口处水位，管理成本高。另一种做法是基于移动波波速估算。但由于移动波速度大，估算出的时间短，节制闸的启闭时间明显偏晚，导致分水口开启时，上游“补水”刚刚开始，但还远未完成，导致分水口处水位降幅较大，也需密切监控，运行维护成本也较大。
【发明内容】
[0005]为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种基于叠加消波原理的大型输水明渠闸门控制方法。所述的控制方法利用波的叠加相消原理，通过合理确定节制闸与分水闸操作时间间隔，使节制闸开启/关闭产生的正波/负波与分水口开启/关闭产生的负波/正波在分水口处相遇、叠加、相消，从而有效消减分水口附近水位波动。
[0006]本发明的目的是这样实现的:一种基于叠加消波原理的大型输水明渠闸门控制方法，所述方法使用的系统包括:一条被节制闸分隔成串联渠段的自流型输水明渠，各渠段内设有带有分水闸的重力式的分水口，各分水口上游的节制闸的节制闸启闭机构与各自的控制单元连接，所述的各个控制单元与各自的闸前水位传感器、闸后水位传感器、闸门开度传感器、分水闸启闭机构、分水口流量传感器连接，所述方法的步骤如下:
计算移动波移动时间的步骤:用于根据渠段上游节制闸与下游分水口间的距离，计算移动波由节制闸运动至分水口所需的时间DT1 ；
计算正负移动波叠加时间的步骤:用于计算节制闸引发的移动波与分水口引发的移动波叠加相消所需的时间；
确定分水口流量参数的步骤:用于基于分水口用水计划，确定分水口流量变化时刻TDq和变化量/? ；
计算节制闸开度调整时刻的步骤:用于使用分水口流量发生变化的时刻减去移动波由节制闸运动至分水口所需的时间和移动波与分水口引发的移动波叠加相消所需的时间，计算出节制闸开度调整时刻TG1 ；
计算渠道蓄量调整值的步骤:用于将分水口流量变化之后渠道内水体体积减去分水口流量变化之前渠道内水体体积，计算出渠道蓄量调整值;
计算节制闸流量调整值的步骤:用于将渠道蓄量调整值除以移动波由节制闸运动至分水口所需的时间与移动波与分水口引发的移动波叠加相消所需的时间之和，计算出节制闸开度调整时刻TG1的节制闸流量调整值；
计算节制闸实际开度的步骤:用于根据TG1时刻的闸前水位闸后水位YcuTG1和节制闸流量调整值计算出节制闸G的实际开度GAJTG1 ；
执行节制闸开度的步骤:用于执行TG1时刻节制闸的开度；
确定节制闸回调时间的步骤:用于通过分水口流量变化时刻TDq确定节制闸回调时间T^2，分水口流量变化时刻TDq等于节制闸回调时间TG2 ；
计算节制闸流量回调值的步骤:用于将分水口流量变化量/--减去节制闸开度调整时刻TG1的节制闸流量调整值，得到TG2时刻节制闸流量回调值；
计算节制闸开度回调计划的步骤:用于根据TG2时刻的闸前水位YJG2'闸后水位LTG2和节制闸流量调整值计算出节制闸G的实际开度G4_ TG2 ；
执行节制闸开度回调的步骤:用于执行TG2时刻节制闸的开度G4_ TG2 ；
结束。
[0007]本发明产生的有益效果是:使渠道供水与分水口用水在时间上和水量上均相匹配的同时，显著降低分水口附近的水位波动，从而减少渠道衬砌破坏事故的发生几率，同时降低监控、维护等运行管理成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0009]图1是本发明的实施例所述方法所使用的系统示意图；
图2是本发明的实施例所述方法的节制闸流量调控示意图；
图3是本发明的实施例所述方法的流程图。
【具体实施方式】
[0010]实施例:
本实施例是一种基于叠加消波原理的大型输水明渠闸门控制方法。所述方法的基本原理是基于波的叠加相消原理，通过合理确定节制闸与分水闸操作时间间隔，使节制闸开启/关闭产生的正波/负波与分水口开启/关闭产生的负波/正波在分水口处相遇、叠加、相消，从而有效消减分水口附近水位波动。
[0011]节制闸和分水闸的开启或关闭，是引发渠道水位与流量波动的主要因素，其作用以移动波的形式传播。移动波的速度决定了沿程各点水位与流量受影响的时间，当移动波的前峰到达时，各点水位与流量就开始变化，比按渠中平均流速预测的时间要快得多。以南水北调中线干渠为例，水流从渠首流到北京需I周左右，而移动波仅需2天左右。由于移动波的速度仅为数米每秒，沿程各点的水位与流量由近及远相继改变，上下游间存在明显的时间滞后。
[0012]移动波移动过程中存在叠加、衰减和反射等现象。波的叠加指介质中同时存在几列波时，每列波能保持各自的传播规律而不互相干扰。在波的重叠区域里，各点的振动的物理量等于各列波在该点引起的物理量的矢量和。对渠道水流而言，节制闸的开启会引起局部水位上升，形成正波3 (图1中用节制闸G后水面上的长条状网格代表)，分水口的开启会引起局部水位下降，形成负波4 (图1中用分水口前水面上的长条状网格代表)。两个波各自向上下游移动，二者相遇时将叠加相消。剩余的波继续传播，波幅逐渐衰减，直至消失。
[0013]分水闸的开启或关闭所产生的分水流量，打破了渠道原有的平衡，通过调节该分水闸上游的节制闸，使上游供水与分水口用水相匹配，可使渠道重新恢复平衡。要达到新的平衡，需要完成两个协调。一是时间上的协调，即考虑到水的流动缓慢，处在上游的节制闸需先于下游的分水闸一段时间启闭，二是水量上的协调，即为维持渠道水量的动态平衡，节制闸调控的水量应恰好“补偿”分水口分走的水量。本实施例正是注意到了这些因素，以消波平衡的原理为基础，建立一套科学的计算方式，替代现有的人为经验判断，使整个供水过程科学化、程序化。所述的方法可以编制为控制节制闸和分水闸的计算机程序，通过数据库对所控制的渠道的所有数据进行计算和统计，可以实现对整条渠道的输水控制。
[0014]本实施例所述方法使用的系统包括:一条被节制闸10 (图1中用字母G表示)分隔成串联渠段8的自流型输水明渠，各渠段内设有带有分水闸5的重力式的分水口 7，各分水口上游的节制闸的节制闸启闭机构与各自的控制单元连接，所述的各个控制单元与各自的闸前水位传感器I (图1中以7?表示闸前传感器检测的闸前水位数据)、闸后水位传感器9(图1中以7,表示闸后传感器检测的闸后水位数据)、闸门开度传感器2、分水闸启闭机构、分水口流量6传感器连接。
[0015]本实施例是最常见的一种利用重力自流的明渠，其特点是有多个分水闸将整条渠道分隔为多个渠段，各个节制闸具有自己的控制单元，以及各种传感器。各个控制单元可以是单独运行，也可以连接上位机，实现整条渠道的总控。渠段中，有的渠道具有至少一个分水口，用以分出一部分流量为当地使用。
[0016]各个分水口设有分水口流量传感器和分水闸门，分水闸门上或可带有启闭传感器，以便对分水流量7 (见图1)进行反馈性的控制。
[0017]本实施例所述的方法的基本原理是:考虑分水口的分水闸打开，由于分水口产生的流量而引发负波，根据这一负波产生的时间计算调整该分水口上游闸门的调整时间，在节制闸流量从W1到如2的调整过程中，利用节制闸调整水位引发的正波相消分水口调整产生的负波。
[0018]节制闸流量从到QG2的调整过程中，如图2所示。图中水平轴表示时间，竖直轴表示节制闸的流量。首先计算移动波由节制闸运动至分水口所需的时间，计算正负移动波在分水口附近叠加相消所需的时间DT2,并依据分水口流量变化时刻TDg,确定节制闸开度调整时刻TGp然后根据分水口的流量计算出渠段蓄量调整值，并依据渠段水体体积与进出流量的动态平衡关系，确定TG1时刻的节制闸流量调整值随着TG1时刻节制闸开启，正波开始向下游传播，引发沿途水位升高。至TG2-DT2时刻时，正波前锋已抵达分水口附近，引发该处水位升高。至爪2时刻时，正波引发的水位上升行程已近半。此时分水口按计划开启流量/λ?，形成负波，与节制闸的正波正好相遇，且负波引发的水位下降行程与正波的相当，二者恰好叠加相消，使分水口处水位归于相对平稳的状态。为维持渠段水量动态平衡关系，TG2时刻节制闸流量回调
[0019]本实施例所述方法的具体步骤如下:
(I)计算移动波移动时间的步骤:用于根据渠段上游节制闸与下游分水口间的距离，计算移动波由节制闸运动至分水口所需的时间DT1。
[0020]即DT11=Z/ (G+匕)，其中Z为分水口距离渠段上游端节制闸的距离(m)，V0为流速(m/s), C0为移动波波速(m/s)，C0= (g/7) 1/2, g为重力加速度，g=9.81m/s2, H为渠道平均水深(m)。
[0021](2)计算正负移动波叠加时间的步骤:用于计算节制闸引发的移动波与分水口引发的移动波叠加相消所需的时间DT2。
[0022]即DT12=F MJ (G-K。)，其中r为相消系数，r e (0,0.5)，具体值应通过仿真确定。
[0023](3)确定分水口流量参数的步骤:用于基于分水口用水计划，确定分水口流量变化时刻TDq和变化量分水口用水计划主要来自于当地需水量和调水计划，虽然也是一个经常变换的数值，但在分水过程中可以作为一个常量看待。
[0024](4)计算节制闸开度调整时刻的步骤:用于使用分水口流量发生变化的时刻减去移动波由节制闸运动至分水口所需的时间和移动波与分水口引发的移动波叠加相消所需的时间，计算出节制闸开度调整时刻TGlo TGl=TDq-DTl-DT2,妨TDq为分水口流量变化时刻。
[0025](5)计算渠道蓄量调整值的步骤:用于将分水口流量变化之后渠道内水体体积减去分水口流量变化之前渠道内水体体积，计算出渠道蓄量调整值。
[0026]DKe=Kel-G,其中K1为分水口流量变化之后渠道内水体体积，Ve0为分水口流量变化之前渠道内水体体积，二者的值可以根据率定好的渠道流量-体积关系表查表得到，也可通过明渠恒定非均匀流水面线计算，并将过水断面沿渠道方向积分得到。在实际编程中可以使用渠道流量-体积关系数据库，实现分水口流量变化前后渠道内水体体积的快速运笪
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[0027](6)计算节制闸流量调整值的步骤:用于将渠道蓄量调整值除以移动波由节制闸运动至分水口所需的时间与移动波与分水口引发的移动波叠加相消所需的时间之和，计算出节制闸开度调整时刻TG1的节制闸流量调整值即..DQG1= DVJ ( DT1WQ。
[0028](7)计算节制闸实际开度的步骤:用于计算节制闸开度调整时刻T^1的节制闸实际开度。根据TG1时刻的闸前水位L TG1、闸后水位L TG1和节制闸流量调整值DQG1计算出节制闸G的实际开度G4_ TG1。
[0029](8)执行节制闸开度的步骤:用于执行TG1时刻节制闸的开度，增加该渠段的进水量。
[0030](9)确定节制闸回调时间的步骤:用于通过分水口流量变化时刻TDq确定节制闸回调时间，分水口流量变化时刻TDq等于节制闸回调时间TG2,即:令TG2=TDcl。
[0031](10)计算节制闸流量回调值的步骤:用于将分水口流量变化量/?减去节制闸开度调整时刻TG1的节制闸流量调整值，得到TG2时刻节制闸流量回调值即:DQG2-Dq-DQG1。
[0032](11)计算节制闸开度回调计划的步骤:用于计算TG2时刻的节制闸实际回调开度计划。根据TG2时刻的闸前水位L TG2、闸后水位L TG2和节制闸流量调整值DQG2计算出节制闸G的实际开度GA_TG2。
[0033](12)执行节制闸开度回调的步骤:用于执行7?时刻节制闸的开度d TG2。进一步调节供水量。
[0034](13)结束。
[0035]本实施例可以作为分水口供水计划的决策程序，也可以作为实际开度调整的控制程序，当作为实际控制程序时，则需要对闸前、闸后水位，以及节制闸的当前开度进行检测，并使用这些数据对节制闸进行调整。如果作为分水口计划决策程序则只需计算出节制闸的流量调整值即可，在实际控制中只需增加渠段的具体数据，即可以进行实际控制。
[0036]最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如系统的连接方式、步骤的前后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种基于叠加消波原理的大型输水明渠闸门控制方法，所述方法使用的系统包括:一条被节制闸分隔成串联渠段的自流型输水明渠，各渠段内设有带有分水闸的重力式的分水口，各分水口上游的节制闸的节制闸启闭机构与各自的控制单元连接，所述的各个控制单元与各自的闸前水位传感器、闸后水位传感器、闸门开度传感器、分水闸启闭机构、分水口流量传感器连接，其特征在于，所述方法的步骤如下: 计算移动波移动时间的步骤:用于根据渠段上游节制闸与下游分水口间的距离，计算移动波由节制闸运动至分水口所需的时间DT\ ； 计算正负移动波叠加时间的步骤:用于计算节制闸引发的移动波与分水口引发的移动波叠加相消所需的时间； 确定分水口流量参数的步骤:用于基于分水口用水计划，确定分水口流量变化时刻TDq和变化量/? ； 计算节制闸开度调整时刻的步骤:用于使用分水口流量发生变化的时刻减去移动波由节制闸运动至分水口所需的时间和移动波与分水口引发的移动波叠加相消所需的时间，计算出节制闸开度调整时刻TG,； 计算渠道蓄量调整值的步骤:用于将分水口流量变化之后渠道内水体体积减去分水口流量变化之前渠道内水体体积，计算出渠道蓄量调整值； 计算节制闸流量调整值的步骤:用于将渠道蓄量调整值除以移动波由节制闸运动至分水口所需的时间与移动波与分水口引发的移动波叠加相消所需的时间之和，计算出节制闸开度调整时刻TG,的节制闸流量调整值； 计算节制闸实际开度的步骤:用于根据TG,时刻的闸前水位闸后水位YJG,和节制闸流量调整值计算出节制闸G的实际开度GA_TGY ； 执行节制闸开度的步骤:用于执行TG,时刻节制闸的开度7^ ； 确定节制闸回调时间的步骤:用于通过分水口流量变化时刻TDq确定节制闸回调时间7--，分水口流量变化时刻TDq等于节制闸回调时间TG2 ； 计算节制闸流量回调值的步骤:用于将分水口流量变化量/?减去节制闸开度调整时刻TGX的节制闸流量调整值，得到TG2时刻节制闸流量回调值； 计算节制闸开度回调计划的步骤:用于根据TG2时刻的闸前水位YJG2、闸后水位LTG2和节制闸流量调整值计算出节制闸G的实际开度GA_TG2 ； 执行节制闸开度回调的步骤:用于执行TG2时刻节制闸的开度G4_7i?2 ； 结束。
【文档编号】G05D9/12GK104264630SQ201410442034
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2014年9月2日
【发明者】刘之平, 崔巍, 陈文学, 吴一红, 白音包力皋, 穆祥鹏 申请人:中国水利水电科学研究院