1.2　技术体系总体框架

梯级泵站输水系统一般为解决区域水资源短缺问题而建立，工程线路长、涉及范围广、耗资巨大、建设周期长、投入使用后的运行时间长、能耗大，工程运行及管理水平将直接影响其工程安全问题，并制约其经济效益的发挥。因此，梯级泵站输水工程的需求主要有安全稳定运行和高效经济运行。

本书研究对象——密云水库调蓄工程还涉及明渠反向输水过程，其安全稳定和高效经济运行具有以下难点。

(1)可利用调蓄能力小。从团城湖到怀柔水库的前6级泵站提水，没有任何调蓄工程可以调节，完全依靠渠道自身调蓄能力。

(2)输水通道特征对工程安全运行影响大。密云水库调蓄工程于2015年7月试运行，由于最初设计方案对夏季水草滋生影响考虑的欠缺，给实际工程安全运行带来了较大的难度;输水通道特征对水力学响应的机理研究相对较少，已有研究对密云水库调蓄工程这样的复杂调水工程并不适用。

(3)环境条件变化。工程试运行过程在利用原有京密引水渠反向输水过程中，遇冬季冰水两相输水模式，其调度模式在国内外尚无实例可以借鉴，各项水力学参数(糙率和局部损失系数)难以确定。

(4)算法设计技巧复杂。复杂调水工程涉及渠道、PCCP管道、泵站、水闸、倒虹吸等各类建筑物，计算中，通常将这些建筑物作为水动力学模型的内边界条件，这些建筑物水力特性各异，导致渠道内边界条件极其复杂，使得识别季节变化对复杂调水工程水力响应机理研究变得更加困难。

(5)水力学参数(糙率和局部损失系数)识别方法不易，由于调水工程的复杂性、明渠反向输水的特殊性，需要一套新的技术来进行水力学参数(糙率和局部损失系数)识别。

综上，密云水库调蓄工程中出现的调蓄能力低、多流态、多约束、多起伏、多内边界等复杂水力学和水力控制问题，给复杂调水工程对明渠反向输水响应机制研究带来了更多的困难和挑战。因此，为实现系统的安全、经济运行，必须针对梯级泵站输水系统优化运行调度控制问题开展研究，运用状态空间分析、数学优化、自动控制等技术对系统各部分进行科学的协调，建立一种安全、经济的调度策略，使系统可以应对各种工况需求，在确保安全运行的条件下，有效降低运行成本，实现其经济效益和社会效益。

如图1.2-1所示，梯级泵站输水系统运行技术体系包括模拟、调度、控制三大部分。模拟主要是明渠、倒虹吸、管道、泵站等组成的复杂输水系统的水力模拟;调度主要是单级泵站站内流量优化分配以及基于分时电价的梯级泵站的扬程优化分配和时段内流量分配等;控制主要是单、多渠池的蓄量补偿自动控制。

1.2.1　模拟技术体系

模拟技术体系包括水力学模型实时校正技术、梯级泵站明渠水力学模拟技术、冰期水力学模拟技术以及梯级泵站有压管道水力过渡过程模拟技术等，模拟技术体系如图1.2-2所示。

(1)水力学模型实时校正技术。运用水力学模拟模型计算不同影响因素下明渠反向输水各渠段的水力学参数(糙率和局部损失系数)，结合数据同化技术建立以水位、流量、糙率和局部损失系数为状态量的实时校正模型，实现状态量的校正和模型参数的自动调整，提高水力学模型的计算精度;运用数据同化技术反演出一套无限接近实际运行工况的泵站特性曲线。

(2)梯级泵站明渠水力学模拟技术。构建一维非恒定流水力学仿真模拟模型。基于仿真模型，对泵站、倒虹吸、渐变段等复杂的内部建筑物进行概化处理，将概化后的内部建筑物方程与圣维南方程组进行耦合。同时，采用稳定性好、计算精度高的Preissmann四点时空偏心格式(以下简称“Preissmann格式”)对方程组进行离散，用高效率的计算方法——双扫描法进行求解。

水力学仿真模型采用模块化结构设计，建立适当的拓扑关系，开发渠段、渐变段、倒虹吸、泵站等模块。为了建立方便模块间信息传递的数据结构，将涉及的渠系建筑物分为两类，即集中参数建筑物和分布参数建筑物，集中参数建筑物和分布参数建筑物之间通过端口断面连接，模型里用到的断面形状有梯形和矩形。在此水力学模型中，渠道模块通过梯形断面与其他建筑物联系进行计算，通过划分断面，利用Preissmann格式进行离散求解;渐变段模块在断面形状变化时起连接作用，在模型中按计算进出口损失进行处理;倒虹吸模块主要功能是模拟倒虹吸的过水过程，通过矩形断面与其他模块连接;泵站模块的功能一是模拟水泵过流过程，二是分析不同的水泵特性曲线对渠道水位变化的影响。通过综合分析概化，设置不同要素沿明渠反向输水的边界条件和初始条件，即可通过建立水力学模型计算相应水力要素，进而根据计算结果率定水力学参数(糙率和局部损失系数)。

(3)冰期水力学模拟技术。梯级泵站输水线路可能是明渠和有压管道并存，冬季运行时明渠将处于无冰输水、流冰输水和冰盖输水多种状况，建立明满流及冰水耦合多过程模拟模型，准确模拟空间上的明满流交替现象和时间上的冰水耦合多过程，可为安全输水提供技术支撑。冰期水力学模拟模型主要包括水流模型、热力模型和冰冻模型。水流模型用于计算渠道中的流场和其他水力要素;热力模型用于计算水体热交换、水温分布和降温过程;冰冻模型用于模拟冰冻的产生、输运发展和消融过程。这3个过程是相互联系、相互制约的:水力条件影响热力交换和冰冻过程，热力条件决定冰冻过程，冰冻条件又反过来影响水力条件和热力条件。

(4)梯级泵站有压管道水力过渡过程模拟技术。输水系统的水力过渡过程就是指由于输水系统流量的调节或事故的发生等原因而引发的非恒定流现象，此时系统沿线的压力、水位、流量、流速等水力要素随时间发生急剧的变化，往往会超出恒定流的设计范围，对输水过程造成不利影响。在对有压管道水锤过渡过程的产生机理详细分析的基础上，针对梯级泵站有压管道输水系统，采用特征线法结合泵站、阀门等对应的边界条件方程，构建水力过渡过程计算数学模型，分别对正常启泵、正常停泵和事故停泵等工况水力过渡过程进行数值模拟，综合比较分析输水系统沿线的压力、水位、流量、流速等水力要素变化规律，进而给出较为合理的泵后缓闭阀阀门开启、关闭规律，确保管道输水系统安全稳定地运行。

1.2.2　调度技术体系

为实现整个调水系统的经济优化运行，从空间尺度(单级、梯级)和时间尺度进行全面综合考虑，构建梯级泵站系统经济优化调度模型。主要技术体系包括单级泵站流量优化分配模型、梯级泵站扬程优化分配模型、分时调水流量优化分配模型以及甩站节能运行技术等，优化调度技术框架如图1.2-3所示。

(1)单级泵站流量优化分配模型。单级泵站流量优化分配研究，是考虑当上游来水流量确定、泵站扬程已知时，泵站在此调水工况下，研究泵站内部机组对此流量的分配结果，使泵站运行效率达到最高，耗能最小。各泵站在所有可以运行的流量、扬程组合下的流量优化分配结果，可为工程运行初期实际调水过程中上游流量发生变化时的运行调度提供参考。

(2)梯级泵站扬程优化分配模型。梯级泵站扬程优化分配研究，是研究当首级泵站进水侧水位和末级泵站出水侧水位(即梯级净扬程)一定、输水流量已知时，各级泵站间的扬程分配要在满足各渠段水力联系和各级泵站进、出水侧水位约束等多个条件的前提下，得出各级泵站间扬程分配的最优解，使整个梯级输水系统运行效率最高。不同的梯级净扬程和输水流量组合下的扬程优化分配结果，可为不同工况下梯级泵站调水系统的经济运行提供依据。

(3)分时调水流量优化分配模型。分时调水流量优化分配研究，是将一定时段内的调水量和时段电价纳入优化调度的考量范围，在单级流量优化分配和梯级扬程分配结果的基础上，确定系统在高峰、平段、低谷电价时段的最优输水流量组合。不同调水需求下的分时调水流量优化分配结果，可为梯级泵站调水工程持续经济节能运行提供支撑。

(4)甩站节能运行技术。梯级泵站输水系统甩站运行指的是某级泵站不运行，通过调整该级泵站前、后渠池的水位关系，使水流由上级泵站出水侧自流到下级泵站进水侧的运行方式。甩站运行减少了参与调度运行的泵站级数，从一定程度上降低了运行成本;同时当某级泵站甩站时，其上、下级泵站提水扬程均会增大，泵站进入高效率区运行，进一步降低了输水系统的能源消耗。在梯级泵站调水工程中，建立水力学模型，计算渠段的水力损失，采用试算法分析各级泵站甩站运行的可行性。利用控制蓄量法获取甩站调控方案，在保证安全运行的前提下，使水位在短时间内达到泵站甩站运行的条件。

1.2.3　控制技术体系

控制是指通过一系列的控制型操作，实现所需的梯级间水力运行状态，即一定的水位、流量目标，并将水源传送到目的地的过程，是实现梯级泵站输水任务的核心环节，是实现工程安全与经济运行的手段。梯级泵站输水系统自动控制技术在传统控制理论的基础上，新建实用的自动控制方法，可应用于常规工况、应急工况、冰期输水等条件下的控制，实现调度方案的顺利实施，其常态输水自动控制技术框架如图1.2-4所示。

基于传统的蓄量补偿控制技术理论，建立简易实用的梯级泵站输水系统常态输水自动控制模型。在建立各渠段水位-流量-蓄量关系的基础上，模型分为三步:第一步，基于工程实时运行信息，运用已建的算法预测各泵站站前(站后)水位的变化趋势;第二步，在调控周期内，判断是否需要进行控制;第三步，确定控制方法，包括各泵站控制时间和控制策略两部分内容。

(1)应急工况自动控制。当出现泵站站前(站后)水位超出极限范围等应急工况时，需立即采取措施，保证工程安全运行。应急工况自动控制技术以最快降低应急工况影响和泵站调控数量尽可能少为目标，可以给出各泵站的调控过程，包括流量调整幅度和调整时间两部分内容。

(2)冰期输水自动控制。冰期输水对渠道运行调度的要求极高，冰期输水控制的合理实施可保证冰期安全输水。首先分析冰期输水各时段的渠道冰期发展特点，确定冰期输水控制指标，在冰期输水约束条件下保证渠道的过流能力，并保证冰盖的稳定性;然后研究渠道的控制方案，在冰期输水各种已知和未知扰动下实现渠道内的冰情控制，保证冰期输水目标的实现。