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刁口河河道及局部海域物理模型測控系統(tǒng)研究

2024-05-21 22:22:38陳俊徐奕蒙倪藝萍王天奕
科技資訊 2024年5期
關(guān)鍵詞:物理模型

陳俊 徐奕蒙 倪藝萍 王天奕

摘??要:淤積、延伸、擺動、改道是黃河口主要演變規(guī)律,黃河治理必須給黃河入海留有出路。刁口河作為備用流路、分洪通道、生態(tài)補水通道,其戰(zhàn)略地位十分突出。因此,借助于物理模型試驗手段開展刁口河相關(guān)重大問題研究至關(guān)重要。針對刁口河河道及局部海域?qū)嶓w物理模型,設(shè)計了一套潮汐模擬測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)運行可靠、試驗精度高,可實現(xiàn)上游流量、下游水位及流向等多邊界耦合控制,為黃河治理提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞:刁口河??局部海域??物理模型??測控系統(tǒng)??邊界控制??專家PID

中圖分類號:TH166

Research?on?the?Measurement?and?Control?System?for?the?Physical?Model?of?the?Diaokou?River?Channel?and?Local?Sea?Areas

CHEN?Jun???XU?Yimeng???NI?Yiping???WANG?Tianyi

(Pearl?River?Water?Resources?Research?Institute,?Pearl?River?Water?Resources?Commission?of?the?Ministry?of?Water?Resources,?Guangzhou,?Guangdong?Province,?510611?China)

Abstract:?Siltation,?extension,?oscillation?and?diversion?are?the?main?evolution?laws?of?the?Yellow?River?Estuary,?and?the?governance?of?the?Yellow?River?must?leave?a?way?for?the?Yellow?River?to?enter?the?sea.?The?Diaokou?River,?as?a?backup?flow?path,?flood?diversion?channel?and?ecological?water?supplement?channel,?has?a?very?prominent?strategic?position.?Therefore,?it?is?crucial?to?conduct?research?on?major?issues?related?to?the?Diaokou?River?with?the?help?of?physical?model?experiments.?This?article?designs?a?tidal?simulation?and?measurement?system?for?the?physical?model?of?the?Diaokou?River?channel?and?local?sea?areas.??With?reliable?operation?and?high?experimental?accuracy,?the?system?can?achieve?the?multi-boundary?coupling?control?of?upstream?flow,?and?the?downstream?water?level?and?flow?direction,?which?provides?technical?support?for?the?governance?of?the?Yellow?River.

Key?Words:?Diaokou?River;?Local?sea?area;?Physical?model;?Measurement?and?control?system;?Boundary?control;?Expert?PID

刁口河流路是現(xiàn)行清水溝流路達到改道標準時,優(yōu)先啟用的備用入海流路?!饵S河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》《中華人民共和國黃河保護法》等明確提出加強刁口河流路保護、實施生態(tài)補水等要求[1]。鑒于刁口河作為優(yōu)先啟用的備用流路特殊地位,目前保護治理存在的突出問題,以及重大國家戰(zhàn)略關(guān)于刁口河保護治理的新要求,刁口河綜合治理研究迫在眉睫[2]。

刁口河物理模型是開展綜合治理方案措施論證必不可少的技術(shù)手段。黃河河口屬于典型的多沙弱潮河口,沖淤演變劇烈。由于問題的復雜性,加之觀測資料少且不系統(tǒng),難以深入開展流路和海岸沖淤演變分析。數(shù)學模型受制于黃河河口復雜的動力環(huán)境和基礎(chǔ)理論的不完善,難以準確模擬流路出漢擺動和海岸淤進蝕退等演變特征。因此,開展刁口河相關(guān)重大問題研究,必須借助于物理模型試驗手段,并結(jié)合實測資料分析和數(shù)學模型計算才可望得到有效解決[3]。

生潮測控系統(tǒng)是刁口河河道及局部海域物理模型建設(shè)的重要組成部分,考慮到黃河口潮流的沿岸流較強,且潮差較小,需要對現(xiàn)有的生潮測控技術(shù)進行重構(gòu),以適應黃河口局部海域?qū)Τ辈睢⒊毙魏脱匕读鞯莫毺匾?[4]。

1?模型設(shè)計

根據(jù)當前國內(nèi)外河道動床模型、河口潮汐模型建設(shè)經(jīng)驗,要使潮位、流速、流態(tài)和河床沖淤規(guī)律與原型盡可能相似,模型的幾何變率不能過小,模型設(shè)計為水平比尺λL=600、垂直比尺λH=60的變態(tài)模型。模型模擬范圍包括羅家屋子以下河道、口門潮間帶濕地、部分自然保護區(qū)、10?m以內(nèi)淺海域。其他比尺見表1。

2?測控系統(tǒng)組成

刁口河河道及局部海域物理模型測控系統(tǒng)主要由生潮裝置、導流裝置、加沙裝置、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集儀器等部分構(gòu)成,各組成部分之間相互聯(lián)系,形成統(tǒng)一整體。測控系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議的分布式工業(yè)以太網(wǎng)控制技術(shù),由中心控制計算機、變頻器、潛水泵、導流裝置、水位儀、流速儀、流量計和工業(yè)以太網(wǎng)等組成[5]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖1。

3??邊界控制

測控系統(tǒng)從功能上分為邊界控制和數(shù)據(jù)采集兩部分,邊界控制完成模型上游徑流、下游開放邊界的潮位和潮流控制任務,數(shù)據(jù)采集完成模型試驗范圍內(nèi)布設(shè)儀器的潮位、流速、流量等試驗數(shù)據(jù)的自動讀取和存儲任務。模型上游通過變頻器頻率變化調(diào)節(jié)水泵功率,實現(xiàn)流量連續(xù)變化,從渾水池和地下水庫抽水進上游河道,控制徑流過程;下游采用雙向潛水泵控制水流從地下水庫進出模型調(diào)控水位變化,通過導流裝置控制口外潮流方向,實現(xiàn)外海潮流過程模擬。

刁口河河道及局部海域物理模型邊界控制共分為4個,如圖2所示。

(1)模型上游邊界,安裝2臺潛水泵模擬黃河上游流量的變化,采用流量計+變頻器+水泵閉環(huán)控制方式。2臺潛水泵分別往河道模型輸入清水和渾水。

(2)模型下游西側(cè)潮位邊界,安裝12臺潛水泵模擬黃河口西側(cè)海區(qū)的潮位變化,采用水位儀+變頻器+水泵閉環(huán)控制方式,通過與模型下游東側(cè)潮位邊界配合,產(chǎn)生潮位差,實現(xiàn)口外沿岸流的模擬。該邊界布置1臺水位儀作為控制點。

(3)模型下游東側(cè)潮位邊界,安裝12臺潛水泵模擬黃河口東側(cè)海區(qū)的潮位變化,采用水位儀+變頻器+水泵閉環(huán)控制方式,通過與模型下游西側(cè)潮位邊界配合,產(chǎn)生潮位差,實現(xiàn)口外沿岸流的模擬。該邊界布置1臺水位儀作為控制點。

(4)模型下游南側(cè)潮位邊界,安裝13臺潛水泵模擬黃河口南側(cè)海區(qū)的潮位變化,采用水位儀+變頻器+水泵閉環(huán)控制方式,根據(jù)數(shù)模計算出潮位曲線,控制南側(cè)邊界的潮位。該邊界布置1臺水位儀作為控制點。

另外,在海區(qū)5?m等深線位置布置1臺水位儀,作為水位驗證點,在海區(qū)2?m等深線位置和5?m等深線位置各布置1個流速測桿,作為流速驗證點。沿河道依次布置8臺水位儀作為上游水位觀測站。

3.1???控制算法

目前潮汐模型模擬系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)的PID控制方法??刂扑惴ǜ鶕?jù)現(xiàn)場傳感器的測量反饋,與給定值比較計算參數(shù)誤差,通過一定的算法計算相應的輸出值,對具體執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)節(jié),構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),自動跟蹤給定參數(shù)曲線[6]。潮汐測控系統(tǒng)需要及時響應水位變化,并且容易受到各種干擾因素的影響。研究實現(xiàn)的專家預估PID算法(原理如圖3所示)可以滿足潮汐測控系統(tǒng)的工況復雜多變過程的控制需要,通過推理機制能夠快速響應水位變化且有效地抑制干擾因素的影響,自動調(diào)整參數(shù),實現(xiàn)對于水位數(shù)據(jù)的精準控制。經(jīng)過組合處理,漲潮模擬效果良好,尤其是在落急轉(zhuǎn)為漲急的轉(zhuǎn)換段沒有出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象,可達到試驗要求[7]。

3.2??上游流量控制

上游水流邊界用于模擬黃河上游流量的變化。上游水流邊界控制的實現(xiàn)路徑為:用變頻器直接控制水泵,通過調(diào)節(jié)加在電機上的交流電壓頻率來改變電機的運行速度,從而調(diào)節(jié)水泵的進出口流量,根據(jù)流量計的測量反饋,構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)[8]。

3.3???下游潮位控制

下游生潮邊界用于模擬黃河下游潮位的變化。下游生潮邊界控制的實現(xiàn)路徑為:用變頻器直接控制水泵,通過調(diào)節(jié)加在電機上的交流電壓頻率來改變電機的運行速度,從而調(diào)節(jié)水泵的進出口流量,根據(jù)水位儀的測量反饋,構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

4??走潮試驗及存在問題

本次走潮測試,在刁口河局部海域設(shè)置2個水位控制站,分別位于東西側(cè)邊界。模型試驗水位目標曲線(潮位過程線)是由1968年水文站觀測的原型數(shù)據(jù)經(jīng)過比尺換算得到。通過閉環(huán)控制方式并多次調(diào)整系統(tǒng)PID參數(shù),且在漲潮波峰時間段和落潮波谷時間段加入適當?shù)目刂撇呗?,最終驗證點可產(chǎn)生如圖4所示潮位變化過程,均方差小于1?mm,海區(qū)潮位變化基本滿足要求。

在水位變化過程中,驗證點附近流速是在一個很小的范圍波動,不隨給定的過程而變化,通過對控制方法和系統(tǒng)參數(shù)多次調(diào)整,流速仍然沒有達到預想的效果,即按照東西邊界原始潮位曲線模擬無法實現(xiàn)黃河口沿岸流。分析原因,發(fā)現(xiàn)東西側(cè)潮位曲線最大潮差只有5?mm,該潮差不足以產(chǎn)生明顯的東西向流速,再加上本次流速采集設(shè)備的起動流速為2?cm/s,無法采集低流速,因此流速從數(shù)據(jù)上體現(xiàn)得不明顯。后續(xù)試驗在原來的2個水位控制點潮位曲線基礎(chǔ)上進行相位和幅值適當調(diào)整,形成更明顯的潮差,并更換小量程高精度流速采集設(shè)備,從而實現(xiàn)明顯的沿岸流。

5??結(jié)語

刁口河作為清水溝流路行河完成后優(yōu)先啟用的備用入海流路,是確保黃河下游及河口地區(qū)防洪安全、生態(tài)安全、維持黃河長治久安的重要保障。利用水工物理模型試驗研究刁口河流路和海岸沖淤演變分析至關(guān)重要,而模型測控系統(tǒng)又是控制刁口河及局部海域?qū)嶓w模型的重中之重。本文針對刁口河河道及局部海域?qū)嶓w物理模型,設(shè)計了一套潮汐模擬測控系統(tǒng),該系統(tǒng)運行可靠、試驗精度高,可實現(xiàn)上游流量、下游水位及流向等多邊界耦合控制,該研究成果對刁口河治理具有重要意義。

參考文獻

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[2]?韓沙沙,鄭珊,談廣鳴,等.黃河口清水溝與刁口河流路演變過程對比分析[J].泥沙研究,2019,44(6):27-32.

[3]?于守兵,王萬戰(zhàn).黃河河口人工出汊時機和北汊河啟用分析[J].人民黃河,2020,42(10):37-41.

[4]?錢裕,徐東坡,王倩雯,等.黃河口雙流路同時行河運用年限研究[J].人民黃河,2023,45(5):46-50.

[5]?郭慧敏,任艷粉.淺談黃河河口局部實體模型生潮控制系統(tǒng)[C]//第十四屆中國海洋(岸)工程學術(shù)討論會論文集.北京:海洋出版社,2009:1085-1087.

[6]?陳俊,王天奕,徐奕蒙,等.智慧感知技術(shù)在黃河口實體模型中的應用[J].科技資訊,2021,19(15):69-73.

[7]?陳俊,邢方亮,董年虎,等.黃河口實體模型測控技術(shù)與應用[C]//中國水利學會2020學術(shù)年會論文集.北京:中國水利水電出版社,2020:359-368.

[8]?吳國英,劉剛森.黃河口實體模型生潮設(shè)備和控制技術(shù)研究與討論[J].中國水運,2014,4(11):190-191.

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