南水北调中线工程水利控制实时数字三维视景仿真(1)(精).pdf

南水北调中线工程水利控制实时数字三维视景仿真

(1)

摘要：描述了开展南水北调中线工

程水力控制计算机实时数字三维视景仿真的意义和目的，提出了调水工程水力

控制仿真系统的体系结构及其内涵，介绍了研究采用的计算机数字三维仿真平

台，以及仿真系统的功能。

关键词：南水北调水力控制实时数字三维仿真

1意义和目的

南水北调中线工程规模宏大，调水量流量大，输水距离长达1200多km。全系

统的明渠、隧洞和倒虹吸断面尺寸是按照稳态运行工况设计的，是否能够满足

动态运行调节水力控制的要求是必须弄清楚的重大关键技术问题。另一方面，

合理的选择总干渠的运行控制模式，调蓄水库、闸门、分水闸及北京段泵站变

速泵的协联调节规律及其性能指标，对于全系统的明渠、隧洞、倒虹吸断面尺

寸以及全系统水力监测监控系统的设计有很大影响。上述问题不仅影响工程的

总体规划设计和投资,而且关系到工程建成后能否保证水量分配到位，因此研

究解决这些问题具有重大的实际工程意义。

调水工程的水力控制是一门新的边缘性科学，主要研究在调水工程中的水力控

制问题。该学科涉及到明渠和管道水力瞬变理论，冬季冰期输水理论，水力机

械理论，自动控制理论，变速电机调节理论，大系统的运行最优化理论，水力

检测信号处理理论，以及现代计算机数字三维视景仿真等高新科技。

修建调水工程的实质是通过对水力的控制改变水流的自然流动方向，实现对水

资源的重新分配。修建水库、渠道、管涵、泵站，建立计算机网络系统、自动

监测监控系统、通信系统的目的，都是为了更好地实施对水流的水力控制，所

以建设、管理调水工程的工作主线是水力控制。对工程的水力控制，可以采用

水工结构措施，如增高水库大坝，加大水库、渠道尺寸；采用不同的输水方

式，如采用水泵加压输水；也可以采用先进的运行自动控制措施。问题是采用

不同的措施，工程的投资、运行效益、可靠性差别很大。

调水工程的水力控制主要研究两类命题：

·正命题，在已知水工、机电、自动监测监控系统配置的条件下，研究水力控

制系统的动、静态特性及其最优控制策略和方法；

·反命题，在已知调水工程水力控制要求的条件下，研究水工、机电、自动监

测监控系统的最优配置。

调水工程的设计思路有两种。一是根据规范，按照常规的设计思路：先水工，

然后机电，最后自动监测监控系统的常规程序。现有的一些调水工程实践已经

证明，按照这一方法经常发生水工、机电、自动监测监控系统不配套的问题，

最后不得不对原工程设计，甚至已建工程进行改造。另一是将设计过程转换为

水力控制研究的反命题，即根据目前或者近期可以达到的理想调水工程水力控

制系统要求，有目的地对调水工程的水工设施、机电设备、自动监测监控系统

进行最优配置，以达到预期目的。

应用水力控制理论规划设计调水工程的关键：首先是科研必须贯穿全过程，包

括前期的总体规划，中期的技术设计，以及后期的实时运行调度研究；其次是

建立工程的整体水力控制模型，全面的、系统的建立水坝、水库、泵站机组、

渠道、管涵、调压设施、自动监测监控系统的有机联系，进行多方案的综合效

益比较，以达到安全、可靠、经济的综合目的。由于水工、机电、自动监测监

控系统是按照水力控制最优运行的要求配置的，所以工程投资效益可以得到最

大程度的发挥。

从目前国内情况看，国内长距离输水工程设计思想正处于一个转折点。以前只

重视输水工程的建设，而对工程完成后的运行调节考虑不足，致使工程投入运

行后存在控制困难，功能严重欠缺的现象。此外，在以前的输水工程自动化监

测监控系统的设计过程中，由于缺乏对全系统水力控制的研究，对监测监控项

目、监测位置、数量及仪表仪器性能指标的设计常常是科学依据不足，不能有

效的发挥安装设备的作用。目前这一现象已经引起人们的注意，如在万家寨引

黄入晋输水工程设计中，为了避免工程建成后系统无法正常运行，采取了在设

计阶段就对全系统的联合运行进行计算机仿真模拟，研究对系统的水力控制，

达到验证和指导系统设计、运行的目的。

调水工程运行的水力控制计算机仿真可分为两个阶段：工程设计阶段的离线计

算机仿真和建成后的在线计算机实时仿真。前者主要为设计服务，后者主要为

实时水力控制及运行管理人员的培训服务。一般说来，后者软件比前者复杂得

多，需要考虑的因素更多、更细致，它可以完成前者的任务。我国在引黄入晋

的设计阶段首次开展了为工程设计、机电设备和自动化监测监控系统设备的国

际招标服务的水力控制计算机仿真系统研究，但尚未开展系统建成后的在线计

算机实时计算机仿真系统的研究。

目前国外对于调水工程的运行在线计算机仿真非常关注，正在开发与控制管理