水庫取水閘門調度與運行技術研究

王篤豐

（黑龍江省水利水電集團有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 控制系統(tǒng)的執(zhí)行方案

控制系統(tǒng)的執(zhí)行方案如圖1 所示，借助配合相關水庫的經驗流量、庫中實際水位、庫中水質指標、緊急事件模型等邊界約束的條件生成相應的信息數(shù)據(jù)相互融合的數(shù)學模型來產生對應的調度動作的命令，綜合過往調度工作的經驗，最終得到相關調度操作的信息。

圖1 系統(tǒng)執(zhí)行方案方框圖

本文采用的數(shù)據(jù)信息融合方案的初始信息源于相關傳感裝置單獨作用過程中捕捉到的數(shù)據(jù)信息，經過融合操作生成代表系統(tǒng)整體狀態(tài)的綜合性信息數(shù)據(jù)，使得所有傳感器裝置體現(xiàn)出整體的優(yōu)勢，提升傳感器裝置的魯棒性以及有效性，有效解決單個傳感器裝置的局限性，融合水庫系統(tǒng)的容量、水位、流量等方面的傳感器裝置的信息和數(shù)據(jù)從而獲得水庫系統(tǒng)的全方位信息，給出水庫系統(tǒng)水量平衡的數(shù)學模型和水量數(shù)值變化的相關計算公式，并且求出水庫系統(tǒng)庫容變化的曲線以及閘門部位水位差指標的靈動速度的變化曲線，可用在水量指標平衡數(shù)學模型的參數(shù)求解中。隨后把水庫系統(tǒng)的調度信息、運行故障信息、邊界條件等參數(shù)指標進行二次融合操作，通過系統(tǒng)的時序分析和參數(shù)回歸分析等操作進而獲得閘門裝置的相關調度指令[1]。

2 水庫水量變化的主要規(guī)律

綜合數(shù)據(jù)信息融合的操作方法的評估量獲得水庫系統(tǒng)水量參數(shù)方程中的重要變量，水閘流速液位數(shù)值差的變化函數(shù)的參數(shù)曲線和水庫的庫容變化的參數(shù)曲線。通過數(shù)學方法擬合之后獲取的參數(shù)值和相應的數(shù)據(jù)新生成水庫系統(tǒng)的水量平衡操作模塊，此模塊可以通過計算來產生優(yōu)化后的相關調度命令。

2.1 相關數(shù)據(jù)的主要來源

本文研究過程中使用數(shù)據(jù)源于被研究水庫數(shù)據(jù)庫相關系統(tǒng)，實際操作過程中以min 作為間隔的單位，一共調取了2018 年11 月22 日至2019 年11 月23 日期間的3 個水閘裝置的6 個開度的信息數(shù)據(jù)，全部6 個液位計裝置測量到的液位數(shù)值，閘門裝置的過水量，多種相關故障記錄及多類污染物的相關信息數(shù)據(jù)。為方便后期的分析和研究，首先對于各類數(shù)據(jù)信息實施預處理[2]。3 個水閘的開度分別具有左、中、右開度信息，其用于表示水閘開啟狀態(tài)下對于閘門的高度，用其平均數(shù)值代表水閘開度的參數(shù)值，即為K1、K2 和K3，3 個水閘的寬度數(shù)值并非相同取值，因此以K1d1、K2d2 及K3d3 代表水閘開啟狀態(tài)的進水水流的截面積參量，水閘裝置的進水水流的總體截面積設為S1。

2.2 水量變化參數(shù)公式的數(shù)學擬合過程

可以把水庫系統(tǒng)視為一個封閉類型的簡單體系，對于水庫系統(tǒng)，入庫水唯有進過水閘流入的部分以及源于自然降水的這2 個主要部分，出水庫的水唯有經過供水總管道流出的部分以及通過蒸發(fā)損失的這2 個主要部分，水庫系統(tǒng)內的總水量為面積數(shù)值乘以水位的高度數(shù)值。因此它們之間要符合的關系是：水量的變化=進水量J－出水量G+外部要素（自然降雨以及蒸發(fā)等）。

根據(jù)圖2 我們可以看出，如果處于進水量＞出水量的情況下，水庫系統(tǒng)的水量將會增加；反之在進水量＜出水量的情況下，水庫內的水量將會降低。如果前2 天的日進水量減少到0 的時段內，水庫系統(tǒng)的水量變化曲線會發(fā)生向下方向的波動情況；中午的時段，進水量數(shù)值保持恒定，出水量數(shù)值發(fā)生向下方向的波動情況。此時水庫系統(tǒng)的水量數(shù)值向上變化的趨勢就會出現(xiàn)減緩的情況，說明相關水庫水量的變化規(guī)律和趨勢是比較準確的。

圖2 進、出水量和水庫系統(tǒng)原有水量變化對比圖

2.3 各個季節(jié)采樣效果的研究

對于各個不同的季節(jié)，水庫的水量變化之間會發(fā)生顯著的差異，和水體流速正向相關的dv 值的波動情況越明顯，相應的效果就越偏離正確的方向，可見不應把水體的流速視為固定數(shù)值，應該對其分別進行相關變化規(guī)律的研究。本文選取季節(jié)特征明顯的1 月、4月、7 月以及10 月作為主要的對象來進行相關的研究。對上述4 個月的信息數(shù)據(jù)實施數(shù)據(jù)的參數(shù)化擬合操作，此處表示每天總體進水量、出水量及系統(tǒng)水量的變化量。得到的擬合結果顯示，水庫系統(tǒng)的進、出水量和總體流量直接關系到水庫系統(tǒng)的水量變化趨勢，具有一定程度的關聯(lián)性[3]。

2.4 閘門裝置出水位差和流速之間的關系

因為閘門部位的水位差值將會對于進水速度發(fā)生直接的影響，需要對水位差和流速的關聯(lián)性實施研究，關聯(lián)性的強弱使用sig 值來體現(xiàn)，此數(shù)值越趨近于0，表明關聯(lián)性越高，通常sig 值＜0.05 的時候，能夠認定關聯(lián)性明顯。對1 月、4 月、7 月以及10 月的相關數(shù)據(jù)實施dv 值和閘門部位水位差數(shù)值關聯(lián)性研究，獲得的關聯(lián)系數(shù)的數(shù)值均為正值，因此dv 值和閘門水位差數(shù)值屬于正相關的關系。

2.5 水庫的庫容變化曲線

水庫系統(tǒng)的庫容變化曲線，因為測量裝置存在的誤差及水體表面存在的自然波動，如果間隔的時間過短將會引起較大的誤差，因此設定1 h 作為時間間隔的數(shù)值，選取全年關閘期間的數(shù)據(jù)信息進行擬合操作。水庫的庫容變化曲線比對圖如圖3 所示，由于擬合操作的結果均源于水位的檢測數(shù)據(jù)，水位的有效值可以選取1.9～3.2 m。擬合的庫容曲線和水庫方提供的庫容曲線大體是重合狀態(tài)，驗證了擬合曲線的準確性。

圖3 水庫的庫容變化曲線比對圖

2.6 水位差的流速變化曲線

水位差的流速變化曲線可由水庫的庫容變化曲線及全部時刻的水位差Δf 來求得。以1 h 為時間間隔來進行取樣操作，擬合得到如圖4 所示的結果，調換橫、縱坐標后進行二次項擬合后可以獲得相應的擬合曲線[4]。

圖4 水位差的流速變化曲線

3 水庫取水閘門相關調度技術方案及運行程序研究

3.1 水庫取水閘門相關調度開閘技術方案

現(xiàn)階段水庫取水閘門相關工程技術人員基于現(xiàn)有的人工閘門相關調度基礎理論為前提條件，確定水庫閘門自動調節(jié)控制的解決方案，先假設相關技術調度間隔要求為上午8 點15 分準時開閘，水庫開閘的液位最大安全高度是2.155 m。假如在8 點15 分以前水庫下液位降至2.175 m，那么水庫取水閘門相關工程技術人員提前開閘確保在8 點15 分液位正好達到2.175 m；假如8 點15 分水庫閘門的液位仍然超出2.875 m，那么推遲一定周期進行開閘進而確保達到8 點15 分開閘相同的結果?；诖?，水庫取水閘門開閘相關調度一共有三種解決方案。

3.1.1 水庫取水閘門開閘相關技術方案一

a 時刻水庫液位已經達到了2.175 m，此時和8 點15 分間隔了將近8.5 h，則為了確保8 點15 分的液位仍然保持在2.175 m 范圍內，水庫取水閘門相關工程技術人員必須從a 時刻到8 點15 分的總進水量與總出水量一致，并且進水流速v 符合相關技術要求。時間較長液位差可以近似于沒有發(fā)生任何變化，那么此時刻就是水庫開閘的時間。

3.1.2 水庫取水閘門開閘相關技術方案二

8 點15 分的液位超出了2.155 m，與此同時水庫取水閘門相關工程技術人員一旦把水庫閘門開閘的時間推遲a 小時，使得這a 小時的最大安全預測進水量能夠符合相關技術標準。可以近似當作是8 點15 分時水庫閘門液位是2.175 m，并且在8 點15 分準時開啟水庫閘門。與此同時，水庫取水閘門相關工程技術人員基于預設最大安全進水量除以水庫閘門進水橫截面積S 以及平均最大安全進水速度v，能夠交匯處推遲的周期a，基于此，水庫閘門的開閘時間是（8.5+a）這個時刻。

3.1.3 水庫取水閘門關閘相關技術方案三

水庫取水閘門相關工程技術人員將水庫閘門關閘時間的確定由第2 天開閘的時間差進行相關設定，設定水庫閘門關閘時間是a，實時最大安全水位是b m，那么水庫閘門關閘時間是（24.5+7.85-a）小時，因此根據(jù)相關試驗結果得出出水量完全滿足相關技術法規(guī)及標準。

3.2 水庫取水閘門運行程序結果研究

水庫取水閘門相關工程技術人員針對2019 年12月3 日至7 日的重要數(shù)據(jù)信息進行詳細研究與探索，取其平均開閘液位與開閘周期作為科學合理開閘周期及相關開閘液位高度，基于平均水庫開閘閘門的橫截面積作為最大安全橫截面積，去除檢查地點一些偏高或者偏低的液位真實平均數(shù)值作為該周期的合理液位數(shù)值，基于某個太高或者太低的液位數(shù)值偏離最大安全數(shù)值的大小作為合理波動區(qū)間。水庫閘門打開角度的具體數(shù)值是水庫取水閘門相關工程技術人員經過近似取整以后詳細處理得到的數(shù)值，該數(shù)值只能反映出近似值的大小，并沒有具體的意義。新技術解決方案具體操作過程中的極短周期內急劇變化只代表在這個水位水庫取水閘門相關工程技術人員建議增加或者減少閘門的打開角度，并不能代表水庫閘門的真實變化狀況。

4 結束語

綜上所述，水庫取水閘門相關工程技術人員選取水閘門在線優(yōu)化系統(tǒng)的達成，為完成全部水庫閘門自動控制系統(tǒng)的半閉環(huán)模式自動化目的打下了堅實的基礎。此解決方案對于國內絕大多數(shù)水庫閘門的調節(jié)與控制具有非常精準的把控，進而最大限度地挖掘出水庫供水的全部潛能，確保水庫最大安全液位可以更加安全、穩(wěn)定地運行，也就確保相關水庫供水能力非常安全與平穩(wěn)。水庫取水閘門相關工程技術人員針對水庫換水時間的具體把控也能夠確保水庫內水質長期保持在非常良好的供水狀態(tài)下，這就最大限度地保證了整個水庫供水周圍區(qū)域廣大人民群眾的用水需求與用水安全。