南水北调中线工程数字电子渠道建设研究（王春辉,陈志祥,王开）

时间：2022-02-21 15:13:28 浏览量：次

摘要: 采用自主研发的地理信息系统TGIS 平台建立了南水北调中线工程电子渠道, 管理维护、查询渠道相关信息. 采用多线程和W indow s 信号同步技术, 为水面线校核模型、渠道运行调度研究模型提供前后处理功能.

关键词: 南水北调; 中线工程; 电子渠道; 模型

中图分类号: 　P343; TP39 　　　文献标识码: A

南水北调中线工程是一项特大型长距离跨流域调水工程, 总干渠从丹江口水库陶岔枢纽引水, 跨江、淮、黄、海四大流域, 途径53 个县市, 沿京广铁路西侧北上, 自流到北京、天津, 干渠自陶岔渠首至北京团成湖全长1 277 km , 天津干渠段自西黑山分水闸到天津外环河出口长155 km , 多年平均调水量95×108m 3 [ 1 ]. 南水北调中线工程庞大而且复杂, 涉及的资料非常多, 需要进行规范高效管理, 同时拟用水动力学模型对长距离输水的关键问题进行论证研究, 为此建立了南水北调中线电子渠道, 管理相关基础资料, 同时为专业模型应用提供平台支持.

1　系统框架设计

系统设计分三层: 基础数据层、平台层、应用层, 如图1 所示. 基础数据层为平台层和专业应用层提供数据服务, 负责数据更新与维护; 平台层实现中线工程相关信息管理与查询, 与专业模型无缝集成;应用层通过数学模型提供针对性的专业服务.

基础数据包括: 中线工程相关地理信息专题图(工程线路、交通、水系、行政区划、渠道建筑物分布等) , 这类数据一般更新周期长, 对数据的管理性能要求较低, 所以直接采用文件系统方式存储; 渠道断面信息与水力计算参数信息由于数据访问、检索速度要求较高, 考虑数据量不大, 采用小型A ccess 数据库存储管理较合适.

平台层采用自主设计开发的TG IS 平台, TG IS 已经具有地理信息系统(Geography Info rm at ion System , G IS) 的基本功能, 包括地图基本操作(缩放、漫游、查询)、地图导航、图层控制、统计分析、空间插值、支持矢量栅格数据. TG IS 平台实现南水北调中线工程相关信息的管理、维护和查询, 为水动力学模型提供数据前处理和结果表现后处理功能.

应用层是针对南水北调中线输水最为关键的几个问题设计的数学模型应用, 包括一维恒定水面线校核模型和一维非恒定水动力学模型.

2　系统功能设计

与一般商业G IS 软件或组件式技术开发的G IS 平台相比, 自主开发的TG IS 平台对于实现专业应用模型数据的便捷交换和模型后处理的复杂功能有不可比拟的优势. TG IS 的地图功能与一般的G IS 软件基本相同, 此处就不详细说明了. 文中着重介绍专业应用模块功能的设计.

2. 1　信息查询

该模块主要是便于用户查询工程相关信息. TG IS 提供了点击查询、关键字查询、编辑器查询三种方式, 可以对工程相关的各种地理信息进行检索. 同时根据系统设计要求, 平台独立设计了断面信息查询功能, 用于检索渠道断面信息: 长度、高程、坡度、断面水位等信息. 用户鼠标点击渠道某处断面时, 弹出窗口中采用图形、尺寸标注方式给出查询信息. 为了方便用户查看, 设计了位图输出、打印与打印预览、放大、缩小、漫游、全图显示、高程标注开关、坡度标注开关系列辅助功能, 根据系统水面线校核模块的需求, 可以查看各种校核方案中该断面处的水位.

2. 2　一维恒定水面线校核模型

南水北调中线工程总干渠渠线长, 南北跨度大, 供水区范围广. 由于受地形高程条件的限制, 总干渠总水头差不足100 m; 因纵坡太小, 为了满足设计输水能力, 总干渠设计为断面大、流速小[ 2 ]. 另外,沿程渡槽、倒虹吸、隧洞都需要较大的水头, 众多的控制建筑物也存在局部水头损失, 这些都是影响渠道输水能力的关键因素, 因此有必要对渠道水流、水力学特性及水头设计成果进行研究论证. 校核模型的主要功能是对明渠衬砌渠道糙率系数取值和不同类型控制性建筑物引起的局部水头损失进行论证, 对总干渠全线输水能力进行模拟与校核, 检验分段设计成果是否与总体设计的要求一致, 进行长距离输水宽浅明渠水头损失对糙率的敏感性分析[ 2 ].

2. 2. 1　校核模型前处理模块

该模块为水面线校核模型提供计算所需的数据, 按模型计算方式分为全程和分段校核两种. 根据用户设置的计算方式和计算范围, 平台自动从数据库中提取计算范围内的相关数据, 同时提供数据修改接口, 用户可以针对具体的某个方案, 修改计算参数(一般是水位、流量或局部损失系数) , 以数据文件方式单独存储计算方案输入数据.

为了避免系统忙于模型计算而出现响应迟钝的现象, 设计采用了多线程与信号同步技术, 保证模型运行期间系统对用户的其它操作的正常响应. 当数据准备完毕后, 平台启动校核模型子线程进行水面线校核计算.

2. 2. 2　校核模型后处理模块

模型计算完毕后, 利用W indow s 系统的消息机制, 通知模型后处理模块, 读取模型计算结果, 采用图表方式对结果进行分析. 该模块提供了曲线对比、放大、缩小、漫游, 查询等辅助功能.

电子渠道平台采用方案管理机制管理模型的计算结果, 每次成功计算结果作为一个方案独立存储,数据库方案管理表给该方案分配一个唯一的代码(该代码由年、月、日加上方案序号组成) 和方案名称.

方案管理器采用树形结构方式显示各方案, 可以查看系统内置的12 种校核方案(加大流量和设计流量各6 种) , 同时提供新建方案、删除功能.

2. 3　一维非恒定水力学模型

长距离输水明渠如果没有控制建筑物和控制措施, 在重力作用下, 水的输送会呈完全的自流状态,水流从水源到用户取水口将需要花费很长时间; 另一方面, 用户的需水发生改变时, 水流难以很快适应需水变化, 可能造成供水不足或水流漫溢. 在沿线众多分水口的共同影响下, 自然状态的水流无法满足输水的要求. 现代渠道控制的基本方式是将传统的顺序控制改为同时控制, 可以大大缩短供水的响应时间, 改善水流不稳定过程的跃变幅度[ 1 ]. 节制闸是实现渠道系统控制的重要建筑物, 通过设置一定数量的节制闸实现渠道水位和流量的控制, 整个渠道由节制闸分为一个个短的渠段, 每个渠段类似一个小水库, 长距离的输水渠道由这些小水库串联而成, 通过控制节制闸而控制整个渠道水流.

中线工程一共设置60 多座节制闸, 近40 座退水口, 如何让这些控制性建筑物联合运行保证正常的输水要求是一个需要深入研究的课题[ 3 ]. 平台提供一维非恒定流模型来研究渠道控制建筑物在不同运行工况下的水流波动情况. 当给定上下游断面边界条件(水位或流量过程) 和渠道段内某些分水口的引水过程时, 模型可以在保证渠道水位波动正常范围内给出渠道段内各节制闸的开启过程以及退水过程, 为渠道正常输水提供指导性建议. 与一维恒定水面线校核模块相同, 该模块也分为数据前处理和结果后处理两部分.

2. 3. 1　非恒定模型前处理模块

根据研究情况的不同, 模型计算也分全程和分段两种方式, 分段计算主要是处理应急情况的. 用户确定了计算类型后, 需要设置模型计算时长(默认为3 h) , 设定分水口引水过程, 上下游边界条件. 计算参数设置完成后, 系统会自动启动一维非恒定模型计算线程.

2. 3. 2　非恒定模型后处理模块

模块以二维图形方式给出了渠道段内各节制闸、分水口、退水口的运行情况, 并且每隔一段时间,数据获取线程会通知后处理窗口进行数据更新, 建筑物的运行信息会自动更新. 提供了图形放大、缩小、漫游和定位功能. 定位功能可以快速定位到指定的建筑物(节制闸、退水口、分水口) , 查看其运行状况.

为了避免画面拥挤现象, 模块提供可见性控制功能, 可以控制某类建筑物在图上是否可见. 当计算结束后, 用户可以选择模块提供的播放功能重新查看整个过程, 也可以选择采用图表方式查看具体某个渠道建筑物的运行信息.

3　系统运行实例

图2 为电子渠道平台总界面, 左边为图层控制窗口, 左下角为图层导航窗口, 右边为工程地理信息图层.

图3 为水面线校核模型后处理窗口. 图中将模型计算结果与长江水利委员会设计结果进行对比, 最上面的黑线为渠道顶部高程.

图4 为一维非恒定模型后处理窗口, 后台采用多线程技术: 模型计算线程和数据获取线程. 数据获取线程一旦获取模型部分计算结果, 就会立即通知窗口更新数据. 图中矩形代表节制闸, 闸门相关信息会动态更新. 分水口和退水口的可见性设为关闭值, 故图中没有显示.

5　结束语

南水北调中线电子渠道为中线长距离输水的关键问题研究提供了服务平台, 为水力复核、水力响应

分析及调度运行方案论证提供了模拟分析、信息管理和决策分析环境.

参考文献:

[1]　长江水利委员会长江勘测规划设计研究院. 南水北调中线工程可行性研究调度及水力学专题研究报告[R ]. 长江水利委员会长江勘测规划设计研究院, 2005.

[2]　清华大学水利水电工程系, 水利水电规划设计总院. 南水北调中线一期工程水面线复核计算成果报告[R ]. 清华大学, 2006.

[3]　方神光. 南水北调中线工程非恒定流模型计算分析报告[R ]. 清华大学, 2006.

作者简介: 王春辉(1961-) , 男, 高级工程师. 主要从事水利水电工程规划设计研究.

来源：《中北大学学报(自然科学版)》2006年第4期

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