跨流域调水工程污染应急控制关键技术与应用

图6.7　污染渠池下游任一渠池上下游流量变化过程

对于应急工况,事故渠段的控制策略是将闸门快速关闭,因此这一阶段前馈操作只需要自动控制系统执行关闸操作即可。对于事故段下游,因为事故段最上游的闸门(即事故段下闸门)是最先关闭的,而且下游段的分水口分水量都是可以认为可以控制或者知道的,因此,这一过程的前馈算法可以采用蓄量补偿算法。而对于事故段上游,为了减小下游供水量,也应该采用同步关闸,直到达到目标流量,因此对于事故段上游,关闸时间和闸门开度都是给定的,前馈过程也只需要执行操作即可。

蓄量补偿算法思路:

在应急调控过程中,认为污染渠池下游各渠池上下游节制闸对应过闸流量均按线性规律减小,由工程正常运行情况下对应过闸流量减小至0,则污染渠池下游任一渠池上下游流量变化过程如图6.7所示。

图6.7中:Q1为当前渠池正常运行情况下上游节制闸对应过闸流量;Q2为当前渠池正常运行情况下下游节制闸对应过闸流量;t1为上游节制闸启调时间;t2为下游节制闸启调时间;t3为上游节制闸调控结束时间;t4为下游节制闸调控结束时间。

在发生突发污染事件后,污染渠池首先确定应急调控策略并开展应急调控工作。而污染渠池下游渠池各节制闸则是以污染渠池下游节制闸作为边界条件,并开展应急调控工作。因此,在这个过程中,可以认为上述t1、t3为已知参数,t2、t4为未知参数,则应急调控策略的确定转变为下游节制闸启调时间t2与调控结束时间t4的确定。

在渠池水体蓄量变化ΔV已知的情况下,可根据水量平衡列出一个方程,因此仍需增加一个条件,方可联立求得t2与t4。本文中,提出以下3种策略,以供参考。

1.过闸流量等比例减小

该调控策略,是指污染渠池下游各节制闸过闸流量等比例减小,单位时间内流量减小量相同,如图6.8所示。

图6.8　过闸流量等比例减小调控策略示意图

(a)渠池上下游流量变化过程;(b)该渠池分水口流量变化过程

该策略下,有

在应急调控过程中,通过上游节制闸流入该渠池的水体体积为

此过程中,流出该渠池的水体体积为

则渠池内水体体积变化ΔV为

将式(6.3)、式(6.4)代入式(6.5)式有

由水量平衡可知

将式(6.7)代入式(6.6),有

联立式(6.2)与式(6.8),即可解得

由于Q1≥Q2,则由式(6.9)可以推得

即下游闸门启调时间晚于上游闸门启调时间。

2.各闸门同时启调

该调控策略,是指突发污染事件发生后,污染渠池下游各渠池节制闸与污染渠池下游节制闸同时启调,但结束调控时间不同,如图6.9所示。

图6.9　过闸流量等比例减小调控策略示意图

(a)渠池上下游流量变化过程;(b)该渠池分水口流量变化过程

该策略下,各闸门启调时间t2相同,均为污染渠池下游节制闸启调时间。则该情况下仅存t4一个未知量。

在应急调控过程中,通过上游节制闸流入渠池的水体体积为

此过程中,流出该渠池的水体体积为

则渠池内水体体积变化ΔV为

将式(6.12)、式(6.13)代入式(6.14)有

由水量平衡可知

将式(6.16)代入式(6.15)有

由上式也可看出,下游节制闸结束调控时间总晚于上游节制闸结束调控时间。

3.按渠池内水体蓄量变化控制

该调控策略,是指突发污染事件发生后,通过当前渠池内水体蓄量的变化,来控制该渠池下游节制闸启调时间。本文中,假定当渠池内水体蓄量减小(n为整数)时,下游节制闸启调。该策略调控过程如图6.10所示。

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图6.10　过闸流量等比例减小调控策略示意图

(a)渠池上下游流量变化过程;(b)该渠池分水口流量变化过程

图6.10中,t2时刻对应渠池上游节制闸过闸流量为,分水口分水流量为,则有

到t2时刻时,流入渠池内水体体积为

流出渠池的水体体积为

由前述可知,到t2时刻,渠池内水体蓄量变化为

由水量平衡可知

将式(6.18)、式(6.19)、式(6.20)、式(6.21)、式(6.23)代　入式(6.22),有

解得

t2时刻后,流入渠池内的水体体积为

流出渠池的水体体积为

由前述可知,t2时刻后至应急调控完成,渠池内水体蓄量变化为

将式(6.18)、式(6.19)、式(6.23)、式(6.26)、式(6.27)代　入式(6.28),有

由式(6.25)可知,下游节制闸启调时间t2必然晚于上游节制闸启调时间t1。而上述推导过程均是在t2≤t3的情况下推导得出的,则结合式(6.25)可推出

可求得

而在t2≥t3时,该调控策略如图6.11所示。

则到t2时刻,流入渠池的水体体积为

流出渠池的水体体积为

则到t2时刻,渠池内水体蓄量变化为

图6.11　过闸流量等比例减小调控策略示意图

(a)渠池上下游流量变化过程;(b)该渠池分水口流量变化过程

由水量平衡可知

将式(6.32)、式(6.33)、式(6.35)代入式(6.34),有

t2时刻后,没有水体流入渠道,则流出渠道的水体体积为

则有

将式(6.36)、式(6.37)代入式(6.38),有

由于该策略下,下游节制闸的启调时间t2晚于上游节制闸调控结束时间t3,即t2≥t3,则结合式(6.36),有

可解得

由式(6.40)和式(6.41)可以看出,在该调控策略下,需通过比较与的大小关系,从而确定以蓄量作为控制条件的调控策略的具体形式。