Page 16 - 水利学报2025年第56卷第3期

对入冬过渡期进行高效的水力控制调度，就离不开渠道运行方式的选择。中线工程设计之初采用
下游常水位运行方式，主要原因在于渠道尺寸和超高小，节省工程量 ［１１］ ，但在实际运行场景下，大流
量变化工况常表现出时滞性，容易产生弃水、余水。为了提高渠道冰期控制的响应速度，需要及时调
整运行方式以适应不同工况。其中控制蓄量法是对一个或多个渠段的蓄水量进行控制，目标水位可以
发生变化，渠道响应速度快，但控制算法复杂，在国外的中亚利桑那调水工程 ［１２］ 已有应用，国内对其
在实际工程的应用也有所探讨。文献［ １３］采用流量前馈控制器和水位反馈控制器对渠道蓄水体积进行
调节，可以从时间上实现优化控制。文献［ １４］考虑到渠道安全、缩减渠道水力过渡时间等，推荐南水
北调中线干渠闸前水位变幅控制在±０．１５ｍ。文献［１５］提出基于渠池蓄量平衡的闸前变目标水位算法，
在蓄量变动小时采用下游常水位控制，蓄量变化超过阈值采用考虑约束条件的控制蓄量法，可减小闸
门回调和供水压力，但趋稳时间有所延长。文献［ １６］提出了等下游水深的多渠池蓄量平衡运行方式，
对蓄量差乘以一定权重系数以降低流量超调，缩短了趋稳时间。多位学者的研究表明控制蓄量法可以
加快渠系的反应速度，但难以应用于多级串联渠道，同时对于大流量变化控制的适用性仍需进一步
探究。
随着技术发展，部分学者并不直接计算目标水位，陆续开展了针对多输入、多输出系统的控制策
略研究。文献［ １７ － １８］根据相邻渠池水位差对闸门进行控制，允许目标水位升高或降低同一大小，充
分利用渠池蓄量解决供需不匹配问题，但其更关注整体控制稳定性，并未对响应速度做过多研究。在
此基础上，文献［ １９］考虑到不同渠池的水位偏差限值可能不同，引入权重系数并对算法进行改进，使
相对偏差保持在一定的比例，分别采用模型预测控制（ＭｏｄｅｌＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ，ＭＰＣ） ［２０］ 和线性二次
型控制（ＬｉｎｅａｒＱｕａｄｒａｔｉｃＲｅｇｕｌａｔｏｒ，ＬＱＲ） ［２１］ 实现控制策略，结果表明 ＭＰＣ控制效果优于 ＬＱＲ控制。
文献［ ２２ － ２３］对水位目标施加软约束，通过在线储水策略补偿传统操作系统的延迟时间，与无法充分
控制极端条件的经典反馈和前馈控制方法相比，ＭＰＣ可以优化渠道蓄水量和蓄泄时间，对变化做出快
速的水力响应。文献［２４］为了应对时间滞后和流量突变问题，设计了由集中式 ＭＰＣ控制器和 ＰＩ控制
器组成的双层控制器，在几乎不增加通信成本的基础上，实现了输水渠系的快速变化。文献［２５］提出
一种动态目标轨迹方法来计算 ＭＰＣ控制目标的变化，结果表明动态轨迹可以加速找到最优序列，有
助于控制器的调整，但最终的控制目标并未发生变化。文献［２６］在控制目标中引入流量调整惩罚量，
构造了多目标渠池水位预测控制模型，能在保证水位控制效果的前提下降低闸门控制次数，为处理调
水工程的多目标调控问题提供了思路。综上，针对大型输水渠系设计模型预测控制算法，可以充分考虑
未来一定时域内发生的扰动，在此基础上改变各渠池目标水位，可以有效降低水位变幅并缩短趋稳时间。
基于此，本文以南水北调中线京石段为例，以减小流量切换时间为目标开展了渠道控制算法研
究。根据渠首流量实时计算下游目标水位，将其作为状态量加入状态空间方程，通过改变目标轨迹使
水位尽快达到稳定。考虑渠首流量大幅减小工况，对应工程由常规输水切换至冰期输水可能发生的情
况，分别采用本文提出的基于 ＭＰＣ算法的动态目标水位方法和基于比例－ 积分－ 微分（ＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌＩｎｔｅ
ｇｒａｌＤｅｒｉｖａｔｉｖｅ，ＰＩＤ）算法的下游常水位运行方法，以对比验证本方法的有效性，并分别从过渡时间、
水位超调、流量变化等方面说明各算法的优缺点。同时为了验证本方法的可靠性，还考虑了流量小幅
增加工况，对应于文献［１９］采用的水位软约束方法的研究工况，对本文所提方法和基于 ＭＰＣ算法的
水位软约束方法控制效果进行对比，从仿真结果分析不同方法的差异，并验证本方法是否适用于多种
工况，为大型调水工程冬季输水调控提供理论参考。

２ 算法原理

２．１ 明渠运行方式 当前中线采用的下游常水位运行方式如图 １所示，以下游端水深不变为控制目
标，水面线绕支枢点转动。稳定状态下的水面线低于设计流量水面线，可以减小渠道衬砌超高，进而
减少工程土方量。但在取水口流量增加时，渠池蓄量减少导致下游水位降低，为使水位恢复到目标水
位，需要增大入流流量以补充蓄量，反之亦然 ［２７］ 。这种运行方式下蓄量的变化与自然趋势相反，导致

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