南水北调中线工程非恒定输水响应及运行控制研究

论文摘要

南水北调中线工程是一项特大型跨流域调水工程,其渠线长、南北跨度大,供水区域范围广,全程自流输水且无合适的在线调节水库,由此造成的长距离输水水动力学问题,以及水流传播与响应过程十分复杂。总干渠的非恒定流特性与输水过程稳定性及运行控制优化是保证渠道安全稳定输水所要研究的关键问题。本文通过对闸门、倒虹吸等复杂内边界条件进行概化处理,将概化后的内边界条件与明渠圣·维南方程耦合,采用稳定性好、精度高的Preissmann格式进行求解,建立了具有复杂内边界的长距离输水明渠一维非恒定流数学模型,实现了对闸门开度变化引起的不同过流过程的连续模拟。为了实现渠系水流运动和传输过程的模拟和实时表现,利用组件技术构建电子渠道平台的水力学专业模型库,采用多线程的方法将非恒定流数学模型与电子渠道平台相耦合,使电子渠道的基础数据层、平台层和应用层的有机结合起来,形成了输水能力分析、输水过程响应分析的综合平台。利用所建立的南水北调中线工程电子渠道平台的计算模拟模型,对南水北调中线工程的输水安全及稳定性和运行控制优化等关键问题进行了研究。通过模拟计算,分析了正常运行和非正常运行条件下的南水北调中线工程总干渠的非恒定流输水响应现象和特征,得到了正常工况下渠道水深、断面几何尺寸、节制闸的开度变化幅度以及变化速率对渠道稳定时间和水流波动特征的影响关系,拟合出相应的公式;同时也获得了事故工况下,总干渠水位壅高高度和水位降落幅度的特征;在此基础上,计算分析了总干渠按照闸前常水位方式运行情况时,不同允许水位变幅下的水力响应特性,得到了闸前常水位运行方式下中线总干渠的最优水位允许变幅区间,接着提出了区间调度的概念,对区间调度的可行性进行了初步的模拟研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 南水北调中线工程概况
• 1.2 中线工程需要研究的问题
• 1.3 国内外调水工程研究现状
• 1.3.1 国内外调水工程简介
• 1.3.2 明渠非恒定流国内外研究现状
• 1.3.3 输水渠道运行控制国内外研究现状
• 1.4 研究问题与目标
• 第2章 中线工程电子渠道平台与水力学模型及其耦合研究
• 2.1 基于TGIS 的中线工程电子渠道平台
• 2.2 长距离复杂内边界的非恒定流数学模型
• 2.2.1 总干渠的复杂内边界特征
• 2.2.2 模型的选择
• 2.2.3 明渠非恒定流基本控制方程
• 2.2.4 基本方程的数值求解方法
• 2.2.5 复杂内边界的处理
• 2.2.6 模型求解程序的框架
• 2.2.7 一维非恒定流模型的验证
• 2.2.8 沿程糙率及局部水头损失系数确定
• 2.3 中线工程电子渠道与水力学模型的耦合
• 2.4 电子渠道平台应用展示
• 2.5 本章小结
• 第3章 中线工程输水安全及水力响应过程特征研究
• 3.1 总干渠水力响应参数的影响因素分析
• 3.2 总干渠水力响应过程特征研究方案
• 3.2.1 研究渠段
• 3.2.2 研究方案及模拟条件
• 3.3 水位波动变化幅度及波动影响距离
• 3.3.1 单个节制闸运用水力响应过程特征分析
• 3.3.2 多个节制闸联合运用的水力响应特征分析
• 3.3.3 波动影响范围与流量、开度变化和断面尺寸的关系
• 3.4 水力响应时间
• 3.4.1 波动传播时间
• 3.4.2 渠道重新平衡稳定时间
• 3.5 本章小结
• 第4章 中线干渠输水稳定性及安全性问题研究
• 4.1 研究内容及方案
• 4.1.1 研究对象.
• 4.1.2 情景设计
• 4.2 闸门应急关闭时事故渠段内的水位波动特征
• 4.2.1 水位壅高特征
• 4.2.2 水位降落特征
• 4.3 与事故渠段相邻的渠段的水力响应特征
• 4.3.1 上游节制闸前水力响应过程
• 4.3.2 下游节制闸后水位骤降特征
• 4.4 退水闸不同位置对渠段安全的影响
• 4.4.1 澎河退水闸启用对渠道内水力响应过程特性的影响
• 4.4.2 水北沟退水闸启用对渠道内水力响应过程特性的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 中线干渠运行调度模式研究
• 5.1 闸前常水位运行最优水位变幅研究
• 5.1.1 研究技术方案
• 5.1.2 不同允许水位变幅下各节制闸的开度变化及起调时间
• 5.1.3 不同允许水位变幅下渠系达到稳定的时间
• 5.1.4 最优水位变幅的初步选择
• 5.2 闸前常水位运行的区间调度模式研究
• 5.2.1 研究方案
• 5.2.2 典型渠段区间的选择和区间运行工况的设定
• 5.2.3 区间调度模式下沿程节制闸的起调时间
• 5.2.4 区间调控模式下渠系达到稳定状态所需时间
• 5.2.5 区间调控模式下闸门开启过程特征
• 5.2.6 区间调度模式的初步评价
• 5.3 本章小节
• 第6章 总结与展望
• 6.1 主要工作及结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果