第1章 概述 1
1.1工程概况 1
1.2气候特征 2
1.2.1中线工程沿线气候特征 2
1.2.2中线工程沿线典型台站冬季气温变化特征 3
1.3工程特点及需要研究的水力学问题 4
1.3.1中线工程的主要特点 4
1.3.2需要研究的水力学问题 5
1.4本书的主要内容 8
参考文献 9
第2章 明渠水流数值模拟 11
2.1控制方程 11
2.2有限差分格式 12
2.2.1控制方程的离散 12
2.2.2离散方程的线性化 12
2.2.3定解条件 13
2.2.4方程的解法 15
2.3有限体积格式 17
2.3.1格式的推导 17
2.3.2格式的验证 20
2.4弧形闸门流量计算方法分析 21
2.4.1基于能量方程的弧形闸门堰流流量计算 22
2.4.2基于能量方程的弧形闸门闸孔出流流量计算 22
2.4.3基于量纲分析的弧形闸门流量计算公式 23
2.4.4孔堰流分界点的数值处理 24
2.5复杂输水渠道数值仿真平台开发 25
2.5.1系统组成 25
2.5.2仿真模拟平台验证 27
2.6小结 29
参考文献 29
第3章 输水渠道建筑物水力敏感性分析 31
3.1敏感性分析 31
3.2分水口分水对渠道水位的影响 32
3.2.1分水口流量变化速度对渠道水位的影响 33
3.2.2分水流量增量占渠道流量比例对渠道水位的影响 34
3.2.3分水流量增量对渠道水位的影响 34
3.2.4分水口敏感性指标分析 35
3.3节制闸运用对渠道水位的影响 37
3.3.1渠池的敏感性指标分析 37
3.3.2渠池的敏感性与渠池特征参数间的关系 38
3.4小结 41
参考文献 41
第4章 基于伴随方程的输水渠道非线性预测控制 42
4.1基于伴随方程的明渠水流敏感性分析 42
4.1.1渠道伴随方程及其边界条件 42
4.1.2分水口和节制闸的控制方程和伴随方程 43
4.1.3滚动优化算法 45
4.2滚动优化算法验证及分析 46
4.3滚动优化算法在南水北调中线工程的应用 50
4.4小结 52
参考文献 52
第5章 中线干渠自动化运行控制模式研究 53
5.1概述 53
5.1.1中线干渠自动化运行的必要性 53
5.1.2渠系自动化技术发展历史及现状 53
5.1.3中线干渠存在的运行控制问题 55
5.2中线干渠运行控制概念分析 56
5.2.1中线干渠配水方式 56
5.2.2中线干渠的运行概念 56
5.2.3中线干渠的控制概念 58
5.2.4中线干渠的控制方法 59
5.3中线干渠的渠池运行方式 60
5.3.1闸前常水位（下游常水位）运行 60
5.3.2闸后常水位（上游常水位）运行 61
5.3.3等容积运行 61
5.3.4控制蓄量法 62
5.4中线干渠控制建模分析 62
5.4.1渠道控制模型研究概况 63
5.4.2渠道控制模型发展趋势 64
5.4.3中线干渠控制模型 65
5.5中线干渠控制算法分析 65
5.5.1变量选取 66
5.5.2控制逻辑 67
5.5.3控制算法 68
5.5.4南水北调中线干渠的控制算法 72
5.6中线干渠的节制闸运行技术 72
5.6.1顺序操作技术 72
5.6.2同步操作技术 74
5.6.3选择性操作技术 74
5.7小结 75
参考文献 75
第6章 中线干渠闸前常水位运行实现方式研究 80
6.1闸前常水位运行方式分析 80
6.1.1闸前常水位运行响应与恢复特性 80
6.1.2闸前常水位运行流量蓄量关系 80
6.1.3闸前常水位运行蓄量补偿时间 82
6.1.4闸前常水位运行水位变幅约束条件 84
6.1.5闸前常水位运行控制系统结构 85
6.2渠道前馈控制算法——改进蓄量补偿法 86
6.2.1蓄量补偿法原理 87
6.2.2改进蓄量补偿法 88
6.2.3前馈控制时间计算 88
6.2.4多渠池多需求蓄量补偿算法 90
6.3渠道反馈控制算法——水位流量串级控制算法 91
6.3.1传统水位反馈控制系统 91
6.3.2水位—流量串级反馈控制系统 92
6.3.3特性分析及控制器设计 93
6.3.4 PI反馈控制算法 95
6.4 PI反馈控制算法参数整定 96
6.4.1渠道极限增益ku和极限周期Tu 97
6.4.2 Auto Tune Variation法 97
6.4.3 ATV法与渠道ID控制模型 98
6.4.4基于ID模型的PI控制裕量△G和△φ 99
6.4.5鲁棒PI控制参数整定 99
6.4.6中线总干渠PI控制参数整定 100
6.5渠道解耦控制算法 102
6.5.1闸前常水位运行控制耦合作用分析 103
6.5.2解耦设计及原理分析 104
6.5.3两种解耦控制算法比选 105
6.5.4结论 108
6.6中线干渠闸前常水位运行典型工况仿真 108
6.6.1工况1 113
6.6.2工况2 114
6.6.3工况3 116
6.6.4工况4 117
6.6.5分析与结论 118
6.7小结 119
参考文献 119
第7章 输水明渠频率响应特性及PI控制器参数整定方法研究 122
7.1概述 122
7.2线性化圣维南方程组的频域模型计算 122
7.3基于ID模型的控制参数整定算法 125
7.3.1基于ID模型的传递函数 126
7.3.2无量纲PI控制器设计 126
7.3.3延迟裕度对控制器稳定性的影响分析 128
7.3.4增益裕度对最大扰动误差的影响分析 129
7.3.5增益裕度和相位裕度对最小稳定时间的影响分析 130
7.3.6鲁棒控制器设计 130
7.4控制参数变化对增益裕度和相位裕度的影响规律 133
7.4.1 kp变化对幅频曲线和相位曲线的影响 133
7.4.2Ti变化对幅频曲线和相位曲线的影响 134
7.4.3 ki不变kp和Ti变化对幅频曲线和相位曲线影响 134
7.4.4讨论 134
7.5南水北调中线渠道控制参数整定及分析 135
7.6小结 139
参考文献 140
第8章 中线干渠变闸前水位运行控制方式研究 141
8.1穿黄工程渠池运行控制方式 141
8.1.1穿黄工程运行控制问题分析 142
8.1.2控制蓄量运行实现方式研究 143
8.1.3闸前常水位—控制蓄量联合运行控制算法研究 145
8.1.4穿黄工程控制蓄量运行仿真 145
8.2安阳以北渠池冰期输水过渡期运行控制方式 147
8.2.1闸前变水位运行实现方式 147
8.2.2闸前变水位运行闸门控制算法 148
8.2.3总干渠冰期输水过渡期运行控制仿真 149
8.3小结 151
参考文献 152
第9章 闸前常水位运行控制模型试验研究 153
9.1渠道模型及控制系统 153
9.1.1国内外模型渠道调研与分析 153
9.1.2模型渠道的设计 154
9.1.3测量仪器和闸门驱动系统 158
9.1.4监测控制系统 158
9.1.5采样步长与控制步长 162
9.1.6平板闸门流量系数的率定 162
9.2控制参数整定方法验证 163
9.2.1控制参数频域整定方法验证 163
9.2.2 PI控制器ATV在线整定方法验证 166
9.3控制器参数敏感性分析 169
9.3.1渠道控制指标 169
9.3.2控制器参数敏感性试验比较 171
9.4前馈控制研究 177
9.5解耦系数比较研究 181
9.6小结 182
参考文献 182
第10章 明渠冬季输水研究现状分析 184
10.1河冰理论研究进展 184
10.1.1水内冰、浮冰和锚冰的生成及演变理论研究 184
10.1.2冰盖形成理论研究 185
10.1.3冰盖下水内冰输运和堆积理论研究 186
10.1.4封冻河道的阻力研究 186
10.1.5冰厚的热力增长和消融理论研究 187
10.1.6开河及冰坝理论研究 188
10.2长距离调水工程冰期运行现状 188
10.2.1国外冰期调水工程 188
10.2.2国内冰期调水工程 189
10.2.3冰期调水工程安全运行措施 193
10.3小结 193
参考文献 193
第11章 南水北调中线干渠冰期输水能力研究 197
11.1概述 197
11.2渠道冰期输水能力的控制指标 198
11.2.1结冰期的输水能力控制指标 198
11.2.2稳封期的输水能力控制指标 199
11.3渠道冰期输水能力的确定 201
11.3.1冰盖形成期的输水能力 201
11.3.2稳封期的输水能力 202
11.3.3中线干渠黄河以北渠段冰期输水能力 203
11.4冰期运行调度方式 204
11.5小结 207
参考文献 208
第12章 南水北调中线工程冰期输水特性研究 209
12.1数学模型 209
12.1.1有浮动冰盖的渠道非恒定流控制方程 209
12.1.2渠道的气、水、冰的热传导方程 209
12.1.3水温、水内冰、浮冰控制方程 210
12.1.4动态冰盖发展模型 211
12.1.5冰期输水数学模型的验证 211
12.2南水北调中线工程黄河以北冬季气温分析 212
12.3中线干渠冰情特性分析 214
12.3.1冰情模拟的计算条件 214
12.3.2中线干渠的冰情演变特性 214
12.3.3中线干渠的冰情特点 216
12.4中线工程的冰水作用特性 217
12.4.1冰情发展对渠道水情的影响 217
12.4.2水流条件对渠道冰情的影响 219
12.5小结 220
参考文献 220
第13章 长距离输水渠道冰期运行控制方式研究 222
13.1概述 222
13.2渠道冰期运行问题分析 223
13.3渠道冰期运行控制研究 227
13.3.1渠道冰期输水控制指标 227
13.3.2节制闸的控制方式 227
13.3.3控制参数的整定 228
13.3.4渠道冰期运行控制效果验证 228
13.3.5冰期控制运行的输水效益分析 232
13.4小结 233
参考文献 233
第14章 南水北调中线工程输水模拟平台 235
14.1平台研制需求 235
14.2平台的特点 235
14.3采用的技术方法 236
14.4系统框架设计 236
14.5数据库与平台选型 237
14.6三维GIS仿真平台 238
14.6.1系统架构设计 238
14.6.2数据库设计 239
14.6.3功能设计 239
14.6.4三维GIS仿真平台功能 240
14.7二维GIS模拟平台 242
14.7.1系统架构设计 242
14.7.2数据库建设 243
14.7.3功能设计 244
14.7.4数学模型集成 244
14.7.5二维GIS模拟平台功能 245
14.8 WebGIS信息发布平台 253
14.8.1 WebGIS相关技术 253
14.8.2系统架构设计 255
14.8.3数据库设计 256
14.8.4关键技术 257
14.8.5 WebGIS信息发布平台功能 258
14.9小结 260
参考文献 260
第15章 结论与展望 262
15.1结论 262
15.2展望 264