都江堰東風渠灌區流量監測點敏感性分析及優化研究

陳 丹,姜泓吉,吳靜宇

(1.四川省都江堰水利發展中心東風渠管理處,成都 610051;2.成都原水投資有限公司,成都 610213)

0 引言

隨著灌區現代化建設與改造工作的推進,智能監測系統、智能預備系統、遠程操控系統等已成為灌區管理的利器,灌區管理工作也在科技的賦能下展現出更智能的基礎,同時,釋放出更充足的管理效能。作為灌區信息化建設的輸入端口,智能化監測系統主要承擔灌區渠道流量、水位的監測。目前,對于智能化監測系統的監測設備、監測系統等都有較多的研究成果。胡陽光、牟意紅、劉凌艷等進行了監測系統及設備開發設計研究[1-5];馬騰遠、張慶、夏倩倩等根據灌區特點進行了監測系統與設備的運用設計研究[6-8];周書葵、肖笛等對管網流量監測點優化的相關方法開展灌區流量監測點位布置的研究[9-11]。而當前對于流量監測點位的布置的研究較少,流量監測點建設與改造仍按照工程經驗設置,這在一定程度上造成了建設的浪費與監測的盲目?；诖?本文以都江堰東風渠灌區為依托,提出了有效合理的監測點位布置方案,以提升灌區流量監測的科學性與高效性。

1 研究路線

本文以東風渠灌區的部分主干線為例進行計算,灌區流量監測點一般布置在進水閘下游,通過調節閘門的開度控制渠段的流量,流量監測點位的敏感性與流量發生變化的渠段所在位置有顯著關系。若渠系某渠段耗水量變化或遇降雨匯流導致流量增加,則下游渠段流量會產生不同程度的變化。

若要獲得高敏感度的流量監測點位,根據灌區管理的需求特點提出優化的流量監測點位布置方案。研究路線流程如圖1所示。

圖1 研究路線流程

2 監測點位敏感系數及矩陣構建

本研究節選渠系結構中共有11段渠段,11個監測點位,如圖2所示。假設第k段渠段用水量產生△qk的變化,則第i個監測點位流量受到影響產生△Qi的變化,則可用△Qi/△qk表示k渠段用水量發生變化時引起i監測點位流量的變化率。本文則以該變化率作為i監測點位對k渠段的流量監測敏感度系數,計算公式為:

圖2 灌區渠系結構示意

(1)

式中,0≤Xik≤1,值越大則說明i監測點位對于k渠段敏感性越高,監測效果越好,值越小則相反。計算所有渠段與監測點之間的的敏感系數Xik用矩陣|X|=(Xik)表示,即為敏感系數矩陣。矩陣的第k列各元素值表示第k個渠段的用水量變化對所有監測點流量的影響程度;矩陣的第i行各元素值表示第i個監測點流量受各渠段用水量變化的影響程度。

計算工況選擇東風渠灌區常用運行工況,各渠段的流量及閘門開度與該工況保證一致。在此基礎上分別在各渠段增加微小用水量△qk,保持其它渠段用水量不變,再通過進行水力計算得出各監測點流量變化值△Qi,根據式(1)得出敏感度矩陣。

3 有效監測矩陣計算

為實現對所得敏感度矩陣進行標準化處理,可對矩陣|X|的元素進行如下處理[12]:

式中,Xkmax、Xkmin分別為第k列元素中最大、最小元素。

式中,監測標準值C取0.6。

通過計算得到有效監測矩陣|Y|。

有效監測矩陣Y中,非0元素表示在流量監測中k渠段用水量產生變化時會造成i監測點流量明顯的影響;對于0元素則表示k渠段用水量產生變化時不會造成i監測點流量變化或影響較小。

4 有效監測范圍及監測點位優化

通過上文計算分析可以看出,各監測點對于渠段的有效監測數量是不相同的。i監測點位可以監測到的渠段數量則稱為該監測點位的有效監測范圍,有效監測范圍如下式[9]:

MS(i)={k|(DM)ik=1(i=1,2,…,m;k=1,2…,n)

則監測點2的有效監測范圍MS(2)=3,監測點2對1、4、5渠段起到有效監測作用,以此類推;

MS(3)=4,監測點3對1、2、4、5渠段起到有效監測作用;

MS(5)=1,監測點5對5渠段起到有效監測作用;

MS(8)=1,監測點8對6渠段起到有效監測作用;

MS(9)=2,監測點9對3、7渠段起到有效監測作用;

MS(10)=5,監測點10對3、6、7、8、10渠段起到有效監測作用;

MS(11)=7,監測點11對3、6、7、8、9、10、11渠段起到有效監測作用;

此外,MS(1)=0、MS(4)=0、MS(6)=0、MS(7)=0,監測點未起有效監測作用。

由此可以看出,在監測標準值C的條件下監測點的有效監測范圍存在不同也存在重疊,例如監測點2與監測點3,對于1、4、5渠段均為有效監測,但監測點3也能對2渠段進行有效監測。因此,這里可根據這一特點進行監測點的優化工作,提升監測效率。

監測集合點集合選擇原則:

(1)監測點集合覆蓋整個渠系網絡;

(2)優化監測點位,盡量明確變化渠段。

根據有效監測矩陣可選擇諸多覆蓋整個渠系的集合,但部分監測點集合,例如{3、11}雖能覆蓋所有渠段但對于變化的渠段所在位置判斷過于籠統。因此,按灌區管理需求在上文計算結果中選擇推薦的監測點位集合為{2、3、5、8、9、10、11}。在該監測點位集合的控制下,能夠覆蓋整個計算渠系同時有效確定用水量發生變化的渠段,但也存在渠段定位重合的問題包括1和4渠段、3和7渠段、8和10渠段、9和11渠段因處于同一有效監測點上游造成無法準確定位變化渠段,該問題則可借助上游渠段末端位置設置的監測設施定位到具體渠道。

5 結語

本文基于東風渠灌區渠系結構開展對流量監測點的敏感度、有效監測矩陣及有效監測范圍的研究與計算,結合灌區需求特點推薦更為合理的監測點位集合。計算結論的推薦方案可在工程建設中指導優先升級改造的監測點位,在流量監測和防洪預警中可明確監測重點,提升監測效率。同時,也為信息化灌區建設的科學性、合理性提供支撐。