一种长距离输水明渠事故段上游应急响应闸门群控制方法技术领域
本发明涉及一种长距离输水明渠事故段上游应急响应闸门群控制方法，是一种用
于水工设施的自动控制方法，是一种适用于长距离明渠输水工程的水流自动控制方法。
背景技术
长距离明渠输水工程是由一系列节制闸串接明渠组成的串联系统，其中任一建筑
物(或设施)的失效都将导致系统的失效。由于输水距离长，工程沿线地质条件复杂，地理环
境和气象条件差异较大，因自然灾害、交通事故或其它突发事件导致的渠道应急响应事件
不可避免，事故上游段需紧急截断水流或在短期内大幅度改变流量，由正常输水状态切换
至应急输水状态。为避免漫溢、衬砌扬压破坏等次生灾害，保障过渡过程的安全、平稳进行，
需采用科学的闸门群应急调度方法。
目前针对长距离输水工程应急调控方法的研究还很薄弱，多数研究仅限于应急预
案制定的原则和方向，部分涉及退水闸等控制结构的应急水力响应特性，但对于具体调度
方法的研究很少，能够提出闸门群调控方法的成果更少，没有一套可具体操作实施的应急
调控方法。
当前长距离渠道应急调控通常采用闸前常水位运行方式。如《南水北调中线干线
工程突发事件应急调度预案》（Q/NSBDZX G014-2014）中规定：对于事故段上游，均按照闸前
常水位控制原则，根据实际水位，实时调整闸门开度。然而，虽然闸前常水位运行方式有利
于渠道维持大流量输水，却严重影响其应急调度时的水力响应特性。美国ASCE组织编写的
渠系自动化手册（Canal System Automation Manual）中指出，闸前常水位运行方式下渠道
水面线绕闸前支枢点旋转，导致渠道流量变化与其自然趋势相反，大大降低了渠道的水力
响应与恢复特性。
发明内容
为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种长距离输水明渠事故段上游应急响
应闸门群控制方法。所述的方法克服闸前常水位运行方式的缺陷，合理调控渠道应急响应
时的蓄量变化过程，是解决渠道应急调控难题的重要途径。
本发明的目的是这样实现的：一种长距离输水明渠事故段上游应急响应闸门群控
制方法，所述的方法使用的系统包括：一条带有水位反馈控制系统的自流型输水明渠，所述
的自流型输水明渠被多个节制闸分隔成多个串联的渠池，所述的渠池内设有分水口；其特
征在于：所述方法包括两个过程：准备过程和应急过程；
所述方法的步骤如下：
准备过程包括：
评定等体积运行可行性的步骤：用于评定各渠池应急调控时采用等体积运行的可行
性，计算各渠池下游端节制闸的闸前目标水位，并设定闸前水位阈值；
确定等体积运行渠段范围的步骤：用于确定应急调控时切换至等体积运行方式的渠段
范围；
应急过程：
同步关闭节制闸的步骤：用于应急事件发生后，第一时刻将事故段上游所有渠池的节
制闸同步快速关闭；
计算入流闸门流量调控目标值的步骤：用于计算各渠池在应急输水态下的入流闸门流
量调控目标值；
计算蓄量调控目标值的步骤：首先计算各渠池在应急输水态下独自的蓄量调整目标
值，然后基于其是否属于切换至等体积运行方式的渠段范围，相应计算上下游渠池间的蓄
量传输量，确定各渠池综合的蓄量调控目标值；
计算回调时刻的步骤：用于计算各渠池在应急输水态下入流闸门的回调时刻；
回调入流闸门流量的步骤：用于根据入流闸门流量调控目标值和回调时刻调整各渠池
入流闸门的流量；
监控并修正闸前水位的步骤：用于监控各渠池的闸前水位，如果其值偏离闸前水位阈
值，则启动水位反馈控制，调整闸门开度至闸前水位偏离值小于阈值为止。
本发明产生的有益效果是：本发明通过评定事故段上游各渠池应急调控时采用等
体积运行的可行性，在部分渠池引入等体积运行方式，实施同一渠道等体积与闸前常水位
运行方式串接运行的闸门群调控方法，实现渠道由正常输水态向应急输水态安全、高效切
换。本发明可快速降低渠道流量并消减蓄积的水量，快速达到新的水量平衡和蓄量平衡，实
现正常输水态到应急输水态的过渡；不影响事故段上游沿线各分水口的正常供水，维持了
原分水流量计划不变；还可以避免应急过渡过程中蓄量的反复充泄，提高了调控效率，降低
了运行成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的实施例所述方法的硬件系统原理示意图；
图2是本发明的实施例的举例说明中的事故段上游的三个渠池的符号说明图；
图3是本发明的实施例的举例说明中的事故段上游的三个渠池的流量过程曲线。
具体实施方式
实施例：
本实施例是一种长距离输水明渠事故段上游应急响应闸门群控制方法，所述的方法使
用的系统包括：一条带有水位反馈控制系统的自流型输水明渠，所述的自流型输水明渠被
多个节制闸1分隔成多个串联的渠池2，所述的渠池内设有分水口3，如图1所示，其中Yu为闸
前水位，Yd为闸后水位。
所述的水位反馈控制系统是由电脑和通讯网络，以及传感器和软件组成的系统，
用于渠道在正常输水时，对渠道输水过程进行自动化控制的系统。
水位反馈控制系统所使用的电子控制装置和传感器包括：各个节制闸的闸门启闭
机构4与各自的闸门控制单元5连接，各个闸门的控制单元通过通讯网络6相互连接并传递
传感器信息，各个闸门控制单元与各自的闸前水位传感器7、闸后水位传感器8、闸门开度传
感器，分水口流量传感器9连接。
在渠道正常输水的过程中，水位反馈控制系统也正常的运行。在渠道中出现险情
或发生故障时，水位反馈控制系统将被关闭，而根据本实施例所述方法所构成的软件系统，
在应急过程中将启动，接管水位反馈控制系统的硬件部分，替代水位反馈控制系统的软件
部分对渠道进行控制，排除险情。
本实施例包括两个过程：准备过程和应急过程。所述的准备过程是在出现险情之
前，预先做好对整个渠道状况的调查和准备工作，避免一旦遇到险情而出现情况不明和数
据不清的混乱局面。
所述方法的步骤如下：
一、准备过程包括：
（1）评定等体积运行可行性的步骤：用于评定各渠池应急调控时采用等体积运行的可
行性，计算各渠池下游端节制闸的闸前目标水位，并设定闸前水位阈值。以各渠池的设计输
水流量和下游端节制闸的闸前目标水位为计算条件，采用明渠恒定非均匀流水面线计算程
序计算各渠池蓄量。以零流量为应急调控等体积运行可行性评定的最不利工况，以设计输
水流量下各渠池蓄量为计算条件，采用反算法，计算各渠池下游端节制闸的闸前目标水位。
如果该水位低于设定的安全水位（如预警水位），则判定该渠池为应急调控时可采用等体积
运行的渠池。
（2）确定等体积运行渠段范围的步骤：用于确定应急调控时切换至等体积运行方
式的渠段范围。从渠首向下游方向逐渠池判定，从第一个不具备应急调控时等体积运行可
行性的渠池开始，其上游（不包含该渠池）定为应急调控时切换至等体积运行方式的渠段，
其下游（含该渠池）定为应急调控时仍采用闸前常水位运行方式的渠段。
二、应急过程：
（3）同步关闭节制闸的步骤：用于应急事件发生后，第一时刻将事故段上游所有渠池的
节制闸同步快速关闭。如渠道内水位上涨超过预警水位，开启退水闸，直至水位回落至设计
水位。
（4）计算入流闸门流量调控目标值的步骤：用于计算各渠池在应急输水态下的入
流闸门流量调控目标值。根据渠池入流出流平衡关系，自事故段上游相邻渠池开始，向上游
方向逐渠池累加沿线各分水口分水流量，作为该渠池入流闸门应急输水态的目标调控流
量。
（5）计算蓄量调控目标值的步骤：先计算各渠池在应急输水态下独自的蓄量调整
目标值，再考虑上下游渠池间的蓄量传输量，计算各渠池综合的蓄量调控目标值。
1）计算各渠池在应急输水态下独自的蓄量调控目标值。对于切换至等体积运行的
渠池，其蓄量调控目标值直接赋为零；对于仍采用闸前常水位运行的渠池，根据步骤（4）中
确定的各渠池在应急输水态下的入流闸门流量调控目标值，采用明渠恒定非均匀流水面线
计算程序，分别计算应急调控后与应急调控前的渠池蓄量，并将二者相减，得到各渠池独自
的蓄量调控目标值。
2）考虑上下游渠池间的蓄量传输量，计算各渠池在应急输水态下综合的蓄量调控
目标值。从事故段上游相邻渠池开始（含该渠池），向渠首方向，自第一个分水口流量大于0
的渠池开始，逐渠池累加步骤（5）的1）中确定的各渠池蓄量调整目标值，得到各渠池在应急
输水态下的蓄量调控目标值。
（6）计算回调时刻的步骤：用于计算各渠池在应急输水态下入流闸门的回调时刻。
1）首先计算各渠池应急输水态下入流闸门的流量调整目标值。考虑上下游渠池间
流量的累加，从事故段上游相邻渠池开始（含该渠池），向渠首方向，逐渠池叠加其分水口流
量，得到各渠池应急输水态下入流闸门的流量调整目标值。
2）用步骤（5）中确定的各渠池在应急输水态下的蓄量调控目标值除以入流闸门的
流量调控目标值，得到各渠池应急调控蓄量变化历时。如果某渠池的累积应急调控流量为
0，则直接赋各渠池应急调控变化过渡时间为0。
3）将应急调控第一时刻与应急调控蓄量变化历时叠加，得到各渠池在应急输水态
下入流闸门的回调时刻。
（7）回调入流闸门流量的步骤：用于根据入流闸门流量调控目标值和回调时刻调
整各渠池入流闸门的流量。根据步骤（4）步确定的各渠池在应急输水态下的入流闸门流量
调控目标值，以及第（6）步确定的各渠池在应急输水态下入流闸门的回调时刻，调整各渠池
入流闸门的流量。
（8）监控并修正闸前水位的步骤：用于监控各渠池的闸前水位，如果其值偏离闸前
水位阈值，则启动水位反馈控制，调整闸门开度至闸前水位偏离值小于阈值为止。
结合图2~图3，举例说明本实施例所述的方法的实施过程。图2为事故段渠池上游
的三个串联渠池的符号说明图。渠池的顺序为：从事故段上游第三个渠池定为渠池1，下面
顺序为渠池2、渠池3。QG表示各渠池入流闸门过闸流量，各渠池的过闸流量分别为：QG1、
QG2、QG3、QG4。q表示分水口流量， 各渠池的分水口流量分别为：q1、q2、q3。DV为正常输水态
切换至应急输水态各渠池的蓄量变化值，各渠池的蓄量变化值分别为：DV1、DV2、DV3。
图3为应急调控过程中，QG1~QG4的流量过程曲线，T为流量调整时刻，图3中的T1~
T4是四个调整时刻。DT为时段长，图3中的DT1~DT3为三个调整时长。
步骤（1），评定各渠池应急调控时采用等体积运行的可行性。经分析，渠池1和渠池
2均具备应急调控时采用等体积运行的可行性。
步骤（2），确定应急调控时切换至等体积运行方式的渠段范围。经分析，渠池1和渠
池2为应急调控时切换至等体积运行方式的渠段，渠池3仍采用闸前常水位运行方式。相应
地，随着流量变化，渠池1和渠池2的水面线以渠池中央为支枢点旋转，渠池3的水面线以渠
池下游端为支枢点旋转，如图2所示。
步骤（3），应急事件发生后，于第一时刻T1将事故段上游所有渠池的节制闸同步快
速关闭。
步骤（4），计算各渠池在应急输水态下的入流闸门流量调控目标值。本例中渠池1~
渠池3的对应值分别等于q1+q2+q3、q2+q3和q3。
步骤（5），计算各渠池在应急输水态下的蓄量调控目标值。本例中渠池1~渠池3的
对应值均相等，即DV1=DV2=DV3。
步骤（6）,计算各渠池在应急输水态下入流闸门的回调时刻。本例中渠池1~渠池3
的对应值分别为T4=T1+DT1，T3=T1+DT2，T2=T1+DT3。
步骤（7），根据步骤（4）步确定的各渠池在应急输水态下的入流闸门流量调控目标
值，以及第（6）步确定的各渠池在应急输水态下入流闸门的回调时刻，调整各渠池入流闸门
的流量。
步骤（8）监控各渠池的闸前水位，如果其值偏离步骤（1）中采用的各渠池下游端节
制闸的闸前水位值超过一定阈值（根据工程规模和控制精度要求确定，如常规取20cm），则
启动该工程的水位反馈控制系统，调整闸门开度至闸前水位偏离值小于阈值为止。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布
置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术
方案（比如步骤的先后顺序、硬件系统的形式等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明
技术方案的精神和范围。