本文是一篇工程论文发表，本文以实现明渠调水工程高效、实用、安全调控为目的，开展了对工程实时水情精确感知、泵站流量切换状态下水位控制以及保障突发水污染事故段下游正常供水的分析。
第1章绪论
1.1 研究背景及意义
水是生命之源、生产之要、生态之基，事关人类生活、经济发展和社会进步[1]。作为最重要的自然资源之一，水被认为是大自然对人类的恩赐，是人类文明发展的摇篮，与人类文明的发展息息相关[2]，恒河、尼罗河、底格里斯河、长江和黄河分别孕育了古印度、古埃及、古巴比伦、中国四大文明古国，河流为沿线的人民提供了丰富水源，浇灌了肥沃的土壤，保障了便利的交通[3]。新世纪以来，随着经济的不断发展、科技水平的不断提高，水资源正在演变为稀缺的自然资源，在人类社会中扮演的角色无可替代。联合国在《世界水发展报告》里多次提出：水资源促进了社会经济的发展、创造了行业的就业机会、保障了人类社会的健康、改善了贫困人民的饥饿、保护生态系统和生物的多样性，是世界经济、社会发展框架的粘合剂[4]。
地球上的水资源总量十分丰富，总储水量约为13.86亿km3，其中淡水的储量仅有0.35亿km3，只占总量的2.53%。其中多数的淡水储存在南北极和高山高原地区，开采难度极大，不利于被人利用，可被人类利用的只有循环在生的河川、湖泊，但是这些可利用的水资源平均水量只有47万亿m3[5]，不足地球总储水量的万分之一。这些可利用的淡水资源在空间上的分布极不均匀，其中65%的水量集中在10个国家却严重缺水[6]。近年来，受人口激增、工农业发展、城市化加速以及气候变化[7]等因素影响，水资源短缺逐渐成为跨越国界的全球性问题。
我国是世界上严重缺水国家之一，水资源短缺问题尤其严重，我国人均水资源占有量仅有2100m3，仅为世界平均水平的1/4[8]。与此同时，我国由于幅员辽阔，横跨热带气候、热带季风气候、亚热带季风气候以及温带大陆性气候等多个气候区，所以导致我国不同地区的降水量有着较大的区别，总体的分布特点为南多北少、东多西少。众所周知，水资源制约一个地区的人口密度，而经济发展又离不开人的辛勤劳作，在全国600 多座城市中，存在供水不足问题的已达到400多个[9]，其中有110座严重缺水[10]。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 明渠调水工程数值模拟研究现状
明渠的一维恒定流的基础是能量方程，在明渠的调度中，由于天然渠道断面的不规则以及外界扰动众多，明渠一般都不存在恒定流，所以对明渠进行仿真模拟的时候多采用非恒定流模型。非恒定流的基础是圣维南方程组。它是一阶双曲线型拟线性微偏分方程组，计算机还未问世之前，数学上无法求得其精确的解析解，只能将其简化在求解。由于简化的过程中忽略了方程组的某些项，因而常常造成求解精确性不高，通用性较差。然而随着计算机技术的发展，计算机成为用数值方法求解圣维南方程组的重要手段。20世纪80-90年代美国的Canal[14]模型和USM[15]模型、法国的CARIMA[16]模型都是采用数值模拟的方法求解圣维南方程组，并成功的运用在国外的灌排系统中。
国内对恒定流的研究起步较晚，但是国内的学者对非恒定的模拟做出了一系列贡献。钱木金[17]采用混合网格法求解圣维南方程组，混合网格法采用显示差分方式进行计算，求解过程较为稳定。邓家泉[18]采用BGK方法逆向推导明渠水流运动控制方程，解决了明渠非恒定流方程方法不足的问题。林秉南[19]提出特征线等时段法，大大简化了圣维南方程组的求解过程，提高了方程组求解的速率。杨开林[20]针对东深供水工程提出线性变换的方法求解圣维南方程组，并对供水工程的非恒定进行了模拟，模拟效果较好。孔令仲[21]以南水北调中线京石段为研究对象，概化了节制闸、分水口、倒虹吸等元件，构建南水北调中线的渠池闸门控制模型，实现南水北调中线工程的水动力仿真与自动化控制。张召[22]以密云水库输水线路为研究背景，构建密云水库的一维水动力仿真模型，并在仿真模型中耦合了同化算法，实现了对输水渠道水力控制参数的自动更新。
第2章 明渠调水工程一维水动力模型
2.2 一维水动力模型
2.2.1 基本控制方程
河渠一维水流运用的基本控制方程是圣维南方程组，圣维南方程组由连续方程和动量方程两部分组成，其中连续方程反应渠道中的水量平衡，能量方程反应了重力与压力的联合作用使水流克服惯性力和摩阻引起的能量损失从而获得加速度。
圣维南方程是一阶拟线性双曲型偏微分方程，含有水位和流量两个独立变量，在现阶段的无法对其进行精确求解得到解析解，一般采用数值差分的方式对其进行近似求解。常用的有限差分格式有蛙跳格式、Lax-Wendroff格式、Abbott隐式格式和Preissmann隐式格式。其中Preissmann以结构简单、稳定性好且收敛速度快等有点被广泛实用，本文采用Preissmann四点偏心隐格式来求解圣维南方程组。
2.2.2 方程的离散与求解
上文提到圣维南方程组是一阶拟线性双曲型偏微分方程，就目前的计算水平无法求得其解析解，只能借用数值方法进行差值进而求得其近似解。差值方法众多，但是多数方法都不具备收敛速度快以及稳定性高的特点，为此引入收敛速度快、稳定性高的Preissmann四点带权隐式差分格式对圣维南方程组进行离散，离散网格形式如图2-1所示。
3.2 水力控制参数反演模型
3.2.1 节制闸过流曲线反演
节制闸是明渠调水工程的一种重要控制建筑物，其横跨渠断面，通过调节闸门开启度来控制渠道的水位和流量。下图为弧形闸门示意图，图中H为堰上水头，H0为包含行近流速水头的堰上总水头（20 0H=H+αv2g），e为闸孔开度，hc为收缩断面水深，r为弧形闸门半径，hs为闸后水深，Zb为堰顶高程，Zi为闸前控制断面水位，Zi+1为闸后控制断面水位，各变量单位均为m。
第3章 明渠水力控制参数反演模型 ...................... 21
3.1 引言 ........................ 21
3.2 水力控制参数反演模型.............................. 21
第4章 明渠调水工程常规调控模型 ............... 34
4.1 引言 .................. 34
4.2 耦合水力响应的单站预测控制模型 ................ 35
第5章 明渠调水工程事故段下游应急调控模型 ....................... 48
5.1 引言 ..................... 48
5.2 事故段下游应急调控模型 ......................... 48
第5章 明渠调水工程事故段下游应急调控模型
5.1 引言
突发水污染事件的定义为突然发生的、由人为或者自然因素等引起大量污染物进入水体事件[65]，可导致水体恶化、危及供水安全、造成环境破坏等恶劣的社会影响[66]。南水北调中线总干渠作为重要的输水渠道，沿线拥有众多控制建筑物和交叉建筑物。一旦发生突发水污染事件且处理不当，则会引发渠池的水位陡升或者陡降，破坏河渠的衬砌，危及下游供水安全。所以，必须提出切实、可行的应急调控策略应对突发水污染事件[67]。
对此问题，部分学者已开展了一系列研究[68]。Cheng等[68]基于模糊综合评价方法建立评价模型，来分析面向突发水污染事故的应急措施可行性。Lian[69]等在三峡水库基于CE-QUAL-W2建立二维水力学水质模型，根据模拟结果，提出了三峡水库的调度规则来抑制藻类爆发。丁洪亮等[70]在汉江丹襄段建立二维水力学水质模型，针对该河段的突发水污染事件设置了4种应急调度方案进行模型，结果表明应急调度对江段的水质有着很好的效果。目前虽然已有一些学者[71]利用节制闸应急调控和分析污染物扩散规律，面向突发水污染事件时取得一定的成果，但已有的成果针对事故段及事故段上游的应急调控研究较多，对事故段下游研究较少[72]。故本章针对明渠调水工程突发水污染事件事故段的快速响应及事故段下游供水方式进行研究，提出了污染物扩散量化方法和优化分区两种方法，实现对突发水污染事件的应急处置。
结论与展望
本文以实现明渠调水工程高效、实用、安全调控为目的，开展了对工程实时水情精确感知、泵站流量切换状态下水位控制以及保障突发水污染事故段下游正常供水的分析。以南水北调中线工程和引江济淮工程为例，分别建立水动力仿真参数反演模型、水位变化快速预测模型以及应急调控模型，并进行了验证和分析，主要研究成果及结论如下：
（1） 基于对输水河道水动力过程的仿真模拟，开展节制闸闸门过流系数与渠池糙率的反演，为实现明渠调水工程的水情精细刻画奠定基础.基于一维非恒定流的圣维南方程组，构建一维水动力仿真模型，并采用选用稳定性好、计算精度高、收敛速度快的Preissmann 四点带权隐式差分格式对圣维南方程组进行离散，利用追赶法求解，耦合节制闸内边界，将模拟值与实测值进行对比。采用无量纲分析法的原理，实现不同节制闸过流系数的高效拟合，以南水北调中线工程洨河节制闸-岗头隧洞节制闸为例，对每个节制闸过流系数进行反演，通过反演前后渠池的蓄量与渠池的理论蓄量对比，发现反演后渠池计算的蓄量与渠池的理论蓄量，最小的差值仅0.02万m3，但是反演前两者蓄量最小的差值则有0.24万m3。对于同一个渠池，通过节制闸过流系数的反演，可以将模拟的蓄量差值缩减2.67万m3;基于水动力非恒定流模型，本章提出了一种耦合粒子群优化算法（PSO）对糙率进行实时反演的算法，通过不同粒子的迭代，从而实现渠池糙率的寻优。以引江济淮西兆河输水线路为例，对渠道的糙率进行反演，将糙率最优值代入水动力模型，通过对比模型计算结果与实测
