水联网全渠道算法模型在宁夏秦汉渠灌域应用示范研究

灌区高效管理、精准灌溉是水利高质量发展的内在需求,也是灌区信息化发展的必然趋势。水联网全渠道算法模型通过渠道上所有水闸、直开口自动调节水位、流量,实现相应渠道输配水的数字化、智能化。算法模型以积分时滞模型为基础,建立水力学方程组,对多输入多输出的渠系控制系统进行二次型优化,输出全部控制部件的调控动作。2021年算法模型在宁夏秦汉灌域第一农场渠试验成功,此后扩展推广应用到秦渠上游,然后至秦汉渠全灌域,至2023年冬灌,已接入379个测控一体化闸门和18座水闸,覆盖3条干渠、94万亩灌域,实现了灌域多渠系串联、并联和混联的树状全渠道智能控制。水联网全渠道算法模型具有“节水、节劳、精准、高效”特征,根据近3年的运行情况初步估算,可提升管理效率50%以上,节水率达8%,输配水精准度达到96%以上。

灌区输配水分段积分时滞模型及自适应预测控制方法

大型灌区渠道长、流量大、取水口多且分散,积分时滞模型(ID)适用性不强、参数不易率定;以水联网灌区的实时观测体系为基础,研究各取水口流量变化传播的时滞差异、非回水区蓄水量变化对回水区水位的影响,提出分段积分时滞模型(SID),建立在线自适应预测控制(APC)算法,在宁夏西干渠百万亩灌区调试验证。结果显示,基于ID的线性二次型控制(LQ)和模型预测控制(MPC)在水位目标不变时,可稳定水位,但超调量大,在水位目标显著增加时,控制失效;基于SID的模型预测控制(MPC)和自适应预测控制(APC)可将超调量控制在较小范围以内,且APC误差更小、控制效果更优。

渠道运行管理自动化的多渠段模型预测控制

采用模型预测控制算法研究多渠段中央集中控制。以渠道过渡过程的状态空间离散方程为基础,运用模型预测控制算法,构造目标方程,采用二次规划法求最优解。建立三渠池串联实验渠道及预测控制模型。分析其运行特性和时域特性,采用Matlab编程对5种初始条件下渠道运行状况进行仿真。结果表明:水流在各种复杂工况下均能快速、平顺地达到稳定,较好地解决了渠道运行中存在的耦合、大滞后问题,系统动态性能和鲁棒性优良。

渠道运行控制数学模型及系统特性分析

通过对渠道运行动态水流的分析 ,提出平衡条件的计算方法 ,对渠道过渡过程的控制方程进行离散化、线性化 ,建立起渠道运行的状态空间方程 .并运用线性控制理论对渠道运行控制系统特性进行分析 ,确定渠道运行控制所需要的最少观测变量和观测位置 ,为用现代控制理论研究渠道运行自动控制提供一种理论和方法上的探讨依据 .

渠道运行控制数学模型及系统特性分析

渠道运行控制数学模型是渠道系统自动控制分析和设计的基础。通过对渠道运行动态水流的分析 ,提出平衡条件的计算方法 ,对渠道过渡过程的控制方程进行离散化 ,线性化 ,建立起渠道运行的状态空间方程。并运用线性控制理论对渠道运行控制系统特性进行分析 。

渠道运行离散模型及最优控制

当采用计算机在线控制时,控制器由微处理机软件来实现,必须将渠道连续时间系统模型离散化。在渠道连续时间系统模型的基础上,综合考虑水力学和控制学的要求,采用适当的采样器和保持器,推导出渠道离散时间系统模型。将最优控制理论应用到渠道离散系统运行管理中设计出最优控制器,通过模拟仿真,验证所建立的渠道运行控制理论和设计方法是可行的。

基于实测水位和流量数据的渠道控制模型参数辨识与验证

针对传统渠道控制模型推导求解复杂,难以在实际工程中应用的问题,该研究以渠道积分延迟(Integrator Delay,ID)模型和积分延迟零(Integrator Delay Zero,IDZ)模型为研究对象,利用递推最小二乘法对2种渠道控制模型进行了参数辨识和分析。结果表明,参数辨识方法可以简单、有效地获取渠道系统的控制模型;在模型试验中,辨识误差基本分布在(−1,1)cm之间,在南水北调原型工程中,辨识误差基本分布在(−2,2)cm之间;2种辨识模型的均方误差均小于7.675×10^(-5) m^(2),且针对水流变化复杂的大型渠道工程,IDZ模型的辨识精度和稳定性整体高于ID模型。该研究结论对于渠道控制建模理论及控制器设计方法具有一定的参考价值,可应用于灌区或调水工程的输配水渠道系统建模。

河套灌区井渠联合运用优化灌溉模型

针对河套灌区的地面水与地下水联合运用问题,提出了井渠结合优化灌溉模型,以最佳种植模式和最优工程运行策略,达到控制地下水位、防治土壤盐碱化、获得农作物稳产高产的目的。模型有调蓄地面水源、土壤贮水层、地下含水层的能力。优化计算成果与266.7hm^2试验示范区的实际运行结果相吻合,节水、节能、增产及控制地下水位、改良盐碱地等效果十分显著,这对发展节水型灌溉农业具有重要的现实意义。

混凝土渠道防渗效益模型研究

依据经济学原理,对混凝土渠道在经济静态和动态条件下,防渗性能随运行时间呈等差衰减、等比衰减及不随运行时间衰减时的防渗效益进行了研究。给出了三种状态下防渗、维修或改建的判定原则及经济模型。结合算例,对渠道防渗效益进行了经济分析。通过渠道测验后的必要性判定,避免渠道防渗的盲目性。

关中平原渠井双灌区地下水循环对环境变化的响应

为促进陕西关中平原渠井双灌区地下水良性循环,保障灌区水资源高效安全利用,以泾惠渠灌区为例,分析了灌区多年来地下水系统外部环境因素及地下水循环要素的变化特征,基于多变量时间序列CAR(controlled auto-regressive)模型建立了地下水位动态对环境变化的响应模型,利用验证后的模型对灌区不同环境变化情景下的地下水位埋深进行了模拟。研究结果表明:降水、蒸发、渠首引水、渠井用水比例是影响灌区地下水循环的主要外部环境因素;降水量减少、蒸发量增加,地下水各项补给量减少、排泄量增加,使得地下水位逐年下降,近34 a累计下降11.8 m;在多年平均降水量情景Ⅰ下(近56 a均值:513 mm),维持灌区地下水良性循环的适宜渠井用水比例为1.53,在多年平均降水量减少5%,即降水情景Ⅱ下(487 mm),适宜渠井用水比例为1.61。环境变化下不同渠井用水方案的研究,有利于灌区地下水的良性循环,可为灌区制定高效安全用水对策提供依据。

基于线性二次型的多级联输水渠道最优控制

灌溉输配水是水联网链路的重要环节,其自动控制水平直接影响着水联网效率和风险控制能力,对实现水资源高效管理与利用有重要意义。通过变化输水渠道线性积分时滞控制模型,建立了多级联渠道离散时间状态空间方程,基于线性二次型理论设计最优状态反馈控制器,利用MATLAB求解和SOBEK模拟进行了验证。在甘肃省昌马南灌区多级联渠道运行过程优化控制的模拟结果显示,线性二次型算法能够使控制点水位较快恢复并稳定在设定值,控制过程动作与水位波动次数少、幅度小,效果远优于常规分布式PI反馈控制。线性二次型算法能够应对多级联渠道时滞、耦合特性和一般未知取水扰动,实现可靠供水服务和有效运行控制。目前算法仅采用反馈控制,尚无法应对过大未知取水扰动,还有进一步改进空间。

测控一体化闸门及其调控技术研究分析

渠道输配水过程的精准计量与调控是实现灌区用水总量和定额管理的基础。测控一体化闸门是集流量测量和控制功能于一体的装置,与其相配套的调控技术是实现渠道安全输水、合理配水和精准用水的关键。从闸门水力性能、过闸流量估算、闸群联合调控技术等方面对测控一体化闸门及其调控技术的研究现状进行了总结分析,基于已有研究中存在的技术难点,结合灌区现代化管理需求和信息技术发展趋势,对测控一体化闸门及其调控技术未来的研究重点进行了展望,以期为灌区用水管理相关研究提供参考。

疫情常态化背景下红旗渠景区管控机制

为进一步优化红旗渠景区管效用水平,提升红旗渠景区经济效益和社会效益,基于布朗芬布伦纳提出的生态系统模型构建了红旗渠景区旅游生态圈,对疫情常态化背景下红旗渠景区的管控机制展开探讨并提出以下建议措施:构建三元主体协调的组织架构,完善旅游生态圈运行保障体系,以及优化旅游生态圈宏观环境系统。

外洪溃堤一、二维耦合模型与内涝模型叠加在防洪保护区内的应用探讨

针对防洪保护区河道洪水的漫滩、溃堤及其与内涝叠加耦合预测的难题,以模拟溃堤洪水遭遇区域内涝情况下洪水演进过程为目标,采用基于非结构网格的Roe格式离散控制方程,利用Mike-flood提供的标准连接、侧向连接实现一维与二维模型间的耦联,将溃口口门概化为宽顶堰并添加控制策略实现堤防溃决模拟。采用二维水动力模型耦合降雨径流关系计算净雨过程,建立与区域内涝模型叠加联用的一、二维水动力耦合模型。以中运河南片防洪保护区内洪水演进为例进行分析,结果表明:中运河右堤胡家险工溃决后,洪水向下游演进至房亭河与中运河交汇处的运西洼地内,最大淹没水深位于房亭河与中运河交汇处。模型能够较合理的反映区域内涝分布、地形及主要道路和涵洞对洪水演进的影响,可为区域内防洪抢险工作提供可靠依据。

渠首水位实时调控模型——以船行灌区一支渠为例

很多大中型灌区在输配水过程中存在水位衔接不当的问题,加之田面高程存在起伏,使得灌溉时往往存在部分田面不能上水或受淹等问题。本文提出了空间灌溉率的概念,并利用GIS的三维分析功能研究了其与渠道渠首水位之间的关系。分析表明,空间灌溉率与渠首水位之间的关系符合Logistic曲线;针对船行灌区一支渠,得到该Logistic曲线的参数,并确定了一支渠渠首和干渠渠首不同空间灌溉率所需的水位,为灌区水位实时调控提供基础数据。

基于线性预测控制算法的明渠实时控制研究

针对纵坡较缓、渠池槽蓄量大且完全处于回水区的大型串联渠池中的水位控制问题,本文以南水北调中线工程最后6级渠池为研究对象,通过建立多级串联渠道的离散线性状态空间方程,设计用于多级串联渠池的线性预测控制算法,并采用低通滤波器对控制算法中需要用到的实时水位观测信息进行处理。研究结果表明采用低通滤波处理后的水位信息进行实时控制时能够消除没有明显回水区渠池中发生的水位波动,达到稳定控制的效果。在分水不可预知情况,预测控制算法起到集中反馈控制的效果,控制效果与线性二次型最优控制的控制效果类似;而在分水可预知情况,预测控制算法能提前于分水变化进行闸门控制,起到前馈控制的作用,进一步优化控制效果。

渠道防渗与维修改建设计经济问题研究及应用

本文用静水测验法分析了各种灌溉渠道及已运行多年的防渗渠道维修前后的观测结果，根据经济学原理，提出了判断灌溉渠道防渗、维修及重建的数理经济模型，供渠道防渗和维修或改建设计时参考使用．

新型预制U型渠结构的数值模拟分析

本文以水利部"948"计划项目为背景,在满足抗冻性能不低于F300,并在给定的混凝土强度等级、受力钢筋强度等级不变的前提下,借助大型有限元分析软件ABAQUS对矩型渠Z500、Z1000进行优化设计及数值模拟分析,结合模拟计算结果分析了结构在给定工况下的受力状态,数值模拟的计算结果表明:在承载力、结构的正常使用及破坏状态、配筋配置以及经济等方面优化结构所具有的优势。同时也证明了本工程优化后的方案具有应用的价值。

基于ID预测模型的明渠系统控制参数在线优化研究

渠系控制算法在输水工程中的成功应用,大大提高了渠系的运行调度水平,但现有控制算法依然存在渠池间耦合和时间滞后、传统PID控制算法应对突变敏感性较高等问题。为进一步提高渠系的响应速度,减少水位波动,现将模型预测控制引入渠道自动化控制中,采用线性化的ID模型作为预测模型,通过在线滚动优化目标函数,以设计可实时调节反馈控制参数的PID控制器。以湖北省漳河灌区三干渠三分干为工程背景,建立单渠段控制模型并进行仿真。仿真结果表明,MPC控制方法具有实时在线滚动优化的特点,针对渠道中不断变化的需求情况,可以较好地预测未来系统状态并以此选择合适的控制器参数。

模拟退火粒子群优化投影寻踪的渠道防渗模式评价

为了对渠道防渗工程的方案进行优选,采用模拟退火粒子群优化投影寻踪方法对渠道防渗模式进行优化评价.优化粒子群算法,使其在退火过程中接受优解,且还以一定的概率接受差解.同时利用模拟退火粒子群算法在搜索过程中具有概率突跳的能力,有效地避免搜索过程陷入局部极小解,提高了算法的收敛速度和精度.将该模拟退火粒子群算法与投影寻踪结合,建立了模拟退火粒子群优化投影寻踪模型,将该模型应用到灌区渠道防渗模式优化评价中,选取10个指标作为评判因子,提出适合该地区的干渠渠道防渗工程优化模式,其优劣排序依次为方案Ⅳ、方案Ⅱ、方案Ⅲ、方案Ⅴ、方案Ⅰ.研究表明模拟退火粒子群优化投影寻踪的评价模型对灌区渠道防渗模式进行综合评价是切实可行的,模拟退火粒子群优化投影寻踪的评价方法在解决实际问题中展示了其优越性,并取得了良好的应用效果.