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水 利 学 报

２０２５年 ３月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５６卷 第 ３期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２５）０３ － ０２９７ － １２

南水北调中线工程冬季输水动态目标水位控制算法研究

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管光华 ，李若然 ，罗秋实 ，郭新蕾 ３
（１．武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 ４３００７２；
２．黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 ４５０００３；
３．流域水循环模拟与调控国家重点实验室，中国水利水电科学研究院，北京 １０００３８）

摘要：南水北调中线工程小流量、低流速的冬季冰期输水模式有利于形成平封冰盖，但却大大降低了输水能力，
影响了工程效益。本文研究旨在保证工程安全运行的前提下尽可能维持冬季常规输水工况，必要时再紧急切换至
冰期输水模式，尽可能缩短形成冰盖下输水条件的入冬过渡期时间。为此，基于 ＩＤ模型和水位偏差目标值计算
式建立输水渠系状态空间方程，修改目标函数，实现目标水位的实时更新，并对模型预测控制算法进行了初步改
进。将其应用于京石段的 １３个渠池，结果表明：在大流量变化工况下，相较于下游常水位运行的 ＰＩＤ控制结果，
水位提前 ３５ｈ达到稳定状态，过渡期缩减 ３４％；渠道流量从设计流量的 ７９％线性减小到 ４０％时，各渠池目标水
位变化范围在 ０～０．０７８ｍ之间，满足工程运行要求的水位变幅，高水位的运行状态有利于实现冰期安全输水。本
研究能在动态性能不显著下降的前提下更快完成冰期应急过渡，在一定程度上提高冬季输水效益。
关键词：控制蓄量；模型预测控制；南水北调中线；动态目标水位；下游常水位
中图分类号：ＴＶ１３３ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４０２５０
文献标识码：Ａ
１ 研究背景

南水北调中线工程跨越北纬 ３３°—４０°，自丹江口水库陶岔渠首闸引水，沿途分别向河南、河北、
天津、北京供水，目前已成为受水区的主力水源 ［１］ 。由于中线工程距离长、跨度广，大多采用混凝土
衬砌明渠 ［２］ ，冬季输水渠沿程气温降低，结冰范围增加，严重降低输水能力；部分建筑物由于冻胀破
坏无法正常工作；渠道断面变化处可能出现冰塞、冰坝等 ［３］ 。为保障冰期输水高效安全运行，中线工
程在现有调度规则下制定了冬季输水模式，即采用小流量、大水深，形成冰盖下输水模式。冬季渠系
调度也分为 ５个阶段：入冬过渡期、初封期、稳封期、融冰期、出冬过渡期。其中入冬过渡期是根据
天气预报减少渠道输水流量至平封流量的阶段，该过程要求在初冰时间之前达到平封条件，其运行控
制十分关键，决定了冰花聚集是形成冰盖还是冰塞。
根据前期调研，安阳以北渠池冬季输水流量仅为设计流量的 ３０％～４７％ ［４］ ，在此模式下，下游段
渠道过流能力大幅降低 ［５］ 。在确保中线工程安全平稳运行的前提下，如何挖掘提升冬季输水能力成为
研究热点 ［６ － ９］ 。现有可靠的冰情预报数据为 ３～５ｄ，为了形成稳定的平封冰盖，需提前足够时间调整
至冰期运行模式。考虑到工程效益和安全两方面因素，需要对常规输水和冰期输水的过渡过程进行重
点把控，如果切换过程快速且稳定，可以增加常规运行时间以提高输水量，同时控制渠道水流指标，
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保障冰期输水条件。以安阳倒虹吸节制闸为例，仅缩短冰期输水 ５天时间，就能增加 ５７８８．８万 ｍ 的
水量 ［１０］ ，表明从时间上挖掘冬季输水潜力是可行的。这就要求冬季尽可能维持常规输水模式，以大流
量持续调水，应急工况下再切换至冰期输水模式，对过渡期的切换效率提出了很大挑战。

收稿日期：２０２４ － ０４ － ２９；网络首发日期：２０２５ － ０１ － １４
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２５０１１４．０９５７．００１
基金项目：国家重点研发计划项目（２０２２ＹＦＣ３２０２５００）
作者简介：管光华（ １９７９ － ），教授，主要从事灌排自动化及量水理论研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ＧＧＨ＠ｗｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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