基于无量纲性能指标的渠系控制器参数优化

为研究性能指标对渠系控制器参数优化的效果,该文基于无量纲性能指标,利用MATLAB程序"渠系控制仿真系统"整定了PI控制器参数,同时进行了仿真对比分析。在梳理渠系控制指标领域现有研究成果的基础上,文章首先以渠池固有参数对现有渠系性能指标进行无量纲化处理及追加,并进一步衡量各水位、流量、时间指标的相关性和代表性建立了含权重的综合指标。在程序"渠系控制仿真系统"平台上,采用实例验证法结合2个设计流量约为170 m3/s、8 m3/s的不同规模渠系进行了分析验证。结果表明:无量纲性能指标能够比较不同渠系的控制优劣,并可确定其优化目标数量级;以综合指标在E-3数量级为控制器优化目标,可同时满足各单一无量纲性能指标的优化要求,较好地均衡系统逐项动态性能;流量指标和闸门开度指标存在高耦合关系,在2个实例中其相关度分别为0.995、0.993;控制器比例系数—流量指标变化曲线存在敏感与否的分区,时间积分常数对水位指标敏感,作用曲线呈"U"型。研究提出的无量纲性能指标及综合指标可比较不同规模渠系控制系统性能,也适用于渠系的控制器参数优化设计,对中国大量的调水工程渠道运行调度及灌区渠网调控具有一定的参考价值。     

南水北调中线工程封冻期闸门群开度控制器改进设计

大型串联渠系封冻期容易产生较大的水力波动,增大了冰塞形成风险,如何通过闸门群联合调度减小水力波动,能够在一定程度上抑制封冻期冰塞发生。该研究通过设计PI(Proportional Integral)控制器和OF(Optimization Feedback)控制器2个控制环节,以最小水位偏差为目标函数,考虑渠池间流量约束、闸门开度约束和闸门调整速率约束,结合遗传算法,建立封冻期渠系闸门群优化调度模拟模型,并以南水北调中线古运河节制闸至北拒马河节制闸之间的渠系为背景,进行模型效果分析与参数敏感性分析。模拟结果表明,在模拟工况下,控制器中加入OF控制器较仅用PI控制器显著降低最大水位偏差,其中下游最大水位偏差减小约36%,且系统恢复稳定时刻提前近2.9 h,所建模型对抑制封冻期水力响应过大有一定的效果;减小了各闸门的最大开度,其中渠池11闸门最大开度减小近20%,但对于部分渠池增大了单次闸门开度调整幅度;遗传算法求解过程对扰动流量取值范围设定不宜过大。     

多级灌溉渠系配水优化编组模型与算法研究

合理安排各级渠道的配水时间和流量,实现灌溉渠系大流量短历时输配水,减小整个渠系的渗水损失,是目前灌区管理中亟需解决的技术问题.该文基于大系统分解协调的思想,以陕西省冯家山灌区为例,建立了一种解决多级渠系配水优化编组问题的分解协调模型.针对模型中存在多约束条件和大搜索空间问题,设计了基于自适应遗传算法模型求解方法,并比较分析了用该文方法与传统方法确定的配水编组方案性能,结果表明该文确定的算法能实现多约束条件下模型的稳定快速求解,确定的优化配水方案下级渠道配水过程搭配合理,上级渠道配水流量较为均匀且总输水损失小等优点,能解决多级渠系配水优化编组问题,可满足灌区管理需要.     

渠系前馈蓄量补偿控制时滞参数算法比较与改进

输水明渠系统控制算法主要由前馈及反馈模块组成,其中前馈模块较大程度上影响了系统控制性能。基于蓄量主动补偿的前馈控制算法受时滞参数影响较大,为比较现有多种算法实际控制性能优劣,并寻求不依赖复杂数值计算的简化时滞参数算法,该文进行了横向的算法比较与优化开发。文章基于蓄量阶跃补偿及蓄量二次补偿2类算法,结合改进比例-积分(proportional-integral,PI)反馈控制器,对典型测试渠系及实际工程渠系建模仿真,选取稳定时间、最大超调流量、绝对值误差积分(integral of absolute magnitude of error,IAE)和绝对流量变化积分(integrated absolute discharge change,IAQ)指标分析了蓄量阶跃补偿、动力波原理、水量平衡模型3种时滞参数算法的控制效果。结果显示,在实际工程渠系中,小流量工况下,蓄量阶跃补偿算法的稳定时间比水量平衡模型算法的稳定时间减小40.42%;大流量工况下,蓄量阶跃补偿算法的最大超调流量最小,仅比目标流量高3%,该算法的稳定时间比水量平衡模型算法的稳定时间减少25.45%。结果表明蓄量阶跃补偿算法控制效果较好,但该算法在推求渠池所需蓄量补偿值时需进行水面线推求,文章依据渠道蓄量变化与流量变化间的线性关系,提出简化的时滞参数显式算法。较传统数值算法,时滞参数显式算法与蓄量阶跃补偿算法的时滞参数差值百分比小于8%,在满足实际工程需求的同时,可明显减少推求所需蓄量补偿值的计算量。文章的比较结论及所提出的简化算法对输配水渠道系统,尤其是大型渠道系统调度具有一定的理论价值和应用前景。     

区分工程状况与管理水平影响的渠系水利用效率指标体系的构建

为分析评价灌区工程状况、管理水平等不同因素对渠系水利用效率的影响,该文对传统渠系水利用效率指标体系作了修正,提出由渠道输水效率、渠系输水效率、渠系配水效率、渠系水利用效率组成的灌区渠系水利用效率指标体系,并分别给出了这些指标的定义、内涵及其确定方法,结合实例分析了该指标体系的合理性。渠道输水效率(E_ca)及渠系输水效率（E_c）主要反映灌区渠系工程状况对水利用效率的影响,可由静水法或动水法直接测定某级渠道的渠道输水效率,然后采用各级渠道输水效率连乘的方法确定渠系输水效率;渠系水利用效率(E_cs)综合反映了渠系工程状况和用水管理水平对水利用效率的影响,采用首尾测算法直接得到,也可由灌溉水利用效率除以田间水利用效率间接分析得到;渠系配水效率（E_d）主要反映灌区管理水平对水利用效率的影响,在求得渠系水利用效率和渠系输水效率后,由渠系水利用效率除以渠系输水效率得到。该文所构建的指标体系能满足灌区不同阶段、不同目的开展的渠系水利用效率评价需求,为灌区工程投资分配决策、工程运行状况及用水管理水平评价提供依据。     

长距离控制渠系结冰期的水力响应分析

为了确保长距离控制输水渠系冬季安全输水,需要对其进行冬季输水模拟及实时运行操作控制研究。该文考虑了控制渠系与天然河道输冰的不同,以平封冰盖形成为前提,初步建立了长距离控制渠系在结冰期的渠系响应模型,包括水位、流量、闸门操作、水温过程和冰盖变化过程的模拟仿真。利用南水北调中线工程京石段资料在较简单工况下,对控制渠系在下游常水位的反馈比例积分（PID）控制器作用下进行模拟并分析模拟效果,指出冰盖糙率、控制器参数和控制策略对渠系水力响应的影响很大。研究表明该模型可用于长距离控制渠系结冰期的运行模拟及分析冬季结冰期运行规律,在此基础上可以研究得到更精确更贴近实际的模型。     

基于改进粒子群算法的农产品召回优化

农产品加工是食品供应链质量控制的关键环节。该文针对农产品加工环节的产品召回优化问题,给出了批次分散优化模型并分析了其算法复杂度。针对优化模型为NP难度(non-deterministic polynomial hard),难以求解的问题,指出了采用粒子群优化进行求解的途径。针对粒子群优化算法在进化的初期收敛速度快,易引起早熟;在进化后期收敛速度慢,易引起振荡的问题,提出了一种基于分段门限粒子替换策略的改进粒子群优化算法。采用相关算例对该文提出的改进粒子群优化算法进行优化性能验证,并与类似智能优化算法进行性能对比。算例仿真和性能对比的结果表明,该算法运算开销约为同类算法的10%,且可以降低潜在的召回规模约30%,适用于农产品加工环节的产品召回优化。     

灌区高含沙输水渠道淤积成因分析

渠道淤积是影响灌区高含沙输水渠道正常运行的一个关键问题,以新疆巴音沟河安集海一库引水副渠的淤积计算为例,根据泥沙起动速度与水流速度,推移质输沙率与水流挟沙力等理论计算结果,从不同角度分析了灌区高含沙输水渠道的淤积成因。理论计算结果表明：为了防止高含沙输水渠道的淤积,在渠道设计中不能只考虑水流速度大于起动速度;对于底坡沿程分段变化的高含沙输水渠道,设计应按最小坡度渠段校核其输沙能力,以保证渠道全程不发生淤积。为验证上述理论计算的准确性,开展了原型观测试验,结果表明：理论计算结果和实测结果符合较好,渠道淤积理论计算过程是合理和可靠的,可以为工程设计和管理单位提供重要参考。     

北方灌区混凝土衬砌渠道断面优化及参数分析

人工明渠是中国北方灌区采用的主要输水方式。合理的渠道断面参数计算是水利计算中的重要环节。因此,合理的模型与较高精度的计算方法是求解渠道断面的关键。然而传统灌区混凝土衬砌渠道断面优化设计仅从最优水力断面角度出发,考虑单一水力要素,而忽视了渠道冻胀安全以及工程造价的问题。该文建立了以最优水力断面、工程造价最小为目标,满足混凝土衬砌渠道冻胀要求的数学模型。根据模型非线性的特点,利用自适应粒子群优化算法,对混凝土衬砌渠道梯形断面结构进行优化,选用自适应粒子群算法可以很好地克服算法陷入局部最优解的问题。建立的模型将混凝土衬砌量与工程占地最小作为目标函数优化。优化结果在最佳水力断面基础上,满足边坡稳定与工程量最小。最后将模型应用于黑龙江依兰县倭肯河灌区学兴干渠,分析了渠道边坡系数、渠底宽和渠道水深对目标函数的影响规律。优化结果表明,模型计算所得渠道工程占地减小1.5%,混凝土衬砌量减小1.8%。各个参数中,边坡系数对目标函数影响较大。混凝土衬砌厚度由土壤性质、冻结力大小所决定。该研究成果为提高寒区混凝土防渗渠道优化设计水平及灌区运行效益提供了理论依据。     

灌溉渠道轮灌配水优化模型与遗传算法求解

灌溉过程中的渠系配水实质上是配水渠道流量的时空分配问题。传统的人工调度难以做到统筹优化，且易导致大量的渠道弃水。因此，渠道优化配水技术是灌区现代化管理的重要内容之一，对于提高灌区灌溉管理技术水平和实施农业高效节水有着重要的意义。该文改进了“定流量，变历时”渠道运行方式的轮灌配水优化模型，应用遗传算法进行了配水渠道流量优化的0—1整数规划模型求解。遗传算法采用了锦标赛选择，算术交叉和交换变异算子，应用Matlab6.0编制了相应的求解程序，求解结果表明，该结果优于常规方法求解结果，说明该算法设计是可行的。     

U形渠道抛物线形移动式量水堰板研究

该文提出了U形渠道抛物线形移动式量水堰板，研究量水堰板的壅水高度、临界淹没度、喉口水深-流量关系与渠道断面、比降和喉口收缩比的关系，给出了喉口收缩比范围和流量系数计算公式，分析了其测流误差。研究表明：U形渠道抛物线形移动式量水堰板，量水精度较高，结构简单, 造价低，使用方便，可用于各种小U形灌排渠道的移动式测流。     

弧底梯形渠道无喉道量水槽水位流量关系数值模拟

目前为适应我国多数渠道断面方式和灌区管理方式,开发研制新型量水配套设施对灌区节水起着至关重要的作用。利用Fluent 6.3大型流体力学数值仿真软件,结合有限体积法、RNG k-ε湍流模型和VOF模型,在不同渠道底坡上对不同量水槽水位流量进行数值模拟试验研究。结果表明:（1）量水槽流态上游水面平稳属于缓流,量水槽槽内水流为急流,可知由缓流过度到急流必然会发生临界流,量水槽沿程弗劳德数可知量水槽喉口附近扩散段内产生临界流;（2）弧底梯形渠道无喉道量水槽具有较好的水位流量关系,渠道收缩比ε与渠道比降i对形成单值稳定的水位流量关系有较大的影响,随着渠道尺寸增大同时收缩比ε减小,量水槽水位流量逐渐在较大的底坡范围内形成统一的水位流量关系。（3）流量系数与量水槽宽和收缩比具有较好的线性关系,同时流量系数随R,H、ε的增大而变大,回归分析建立的量水槽流量公式,测流公式平均误差值小于5%,说明弧底梯形渠道无喉道量水槽测流是可行的,满足明渠测流要求。研究成果对灌区渠道量水槽的设计优化提供了一定的参考和建议。     

兼顾排涝标准与水质净化要求的农业圩区最优水面率确定

针对农业圩区的排涝以及水环境问题,该研究以江苏里下河地区为研究对象,以满足里下河圩区设计排涝标准与水质净化要求为目标,构建农业圩区坑塘-排水沟道湿地系统最优水面率数学模型.模型以工程系统总费用现值最小为目标函数,以泵站涝水外排能力与圩内水面率、水面率上下限、水环境容量与圩内坑塘与排水沟道系统的关系(主要包括圩内坑塘沟道...     

侧渠底高对分水口水力特性影响数值模拟研究

目前对灌区分水口水力性能的研究多集中在主渠和侧渠底部高程相等的情况下,对于普遍存在的侧渠底部高程高于主渠时的分流特性缺乏系统研究。该文在试验基础上,利用FLOW-3D软件对侧渠不同底高、主渠来流量的矩形渠道分水口进行了数值模拟研究,将主渠各断面水深、流速的模拟值与实测值进行对比,发现流速变化与实测值变化规律基本一致,相对误差均小于10%,利用FLOW-3D对分水口进行数值计算具有合理可信性。结果表明：分水口处的水面波动受主渠来流的影响,流量越大,波动越大;高于侧渠底高的水流会对低于侧渠底高的下层水流产生影响,使下层水流具有向上的流速分量,参与分水口分流;同一主渠来流量下,随侧渠底高的增加,侧渠进口断面最大流速和水深逐渐减小;侧渠进口断面靠近上游端的区域湍动较大,而在下游端靠近底部湍动能值较小。研究为灌区配水及水量控制提供了参考依据。     

U 形渠道量水平板水力性能试验研究

根据北方灌区渠道底坡缓且灌溉水流多泥沙的现状,该文针对U型渠道设计了平板量水装置。为了探索不同尺寸悬垂薄平板在明渠水流冲击作用下的水力学特性,确定流量与平板偏转角度之间的关系。分析水流流态,将渠道运动水流分为3部分,对平板部分水流应用闸孔淹没出流公式,建立流量计算模型,得出流量与角度的半经验关系式。对流量系数计算模型中的待定系数进行估计,得到了统一形式的流量公式。U型平板测流范围为9～44L/s,经验证,计算流量与实测流量之间最大相对误差为6.9%,平均相对误差为3.2%,其中收缩比0.547、0.439平板测流相对误差均小于5%,满足灌区量水要求。同一收缩比板型,相对水头损失随着流量增大而减小,不同收缩比板型,相对水头损失随着板型收缩比增大而增大,除收缩比0.715平板在小流量(本试验大约为10L/s)测流时,相对水头损失比在10%以上,其余平板测流时相对水头损失均小于10%,其中收缩比为0.439和0.337平板最大水头损失不超过上游总水头6%。经过综合分析,选择0.547到0.439为平板最佳收缩比测流范围。研究可为灌区量水设施的改进提供依据。     

小型渠道梯形薄壁侧堰水力特性试验

为研究适用于小型渠道以及田间进水口的量水设施,该文拟结合小型渠道分水闸设计体型简单的梯形薄壁侧堰,探讨其水力特性影响因素。设计7种堰顶与水平方向夹角（?9°、?6°、?3°、0°、3°、6°、9°）的梯形侧堰,在6种流量工况下进行42组试验,研究侧堰附近水面线、流量系数与其影响因素之间的关系、水头损失等水力特性。结果表明：建立的水面线函数最大相对误差仅为1.85%,满足测流精度要求;建立梯形薄壁侧堰流量与水头、堰高、堰顶角度的关系式,其相对误差绝对值最大为8.97%,满足测流精度要求;分析不同流量下水头损失及壅水高度,侧堰堰顶角度越大,水头损失及壅水高度越大;得到的上游水深与流量以及侧堰堰顶角度的关系式的决定系数可达0.9以上,便于在量水时根据渠道规格以及灌溉流量确定适宜的梯形侧堰堰型。该研究对梯形薄壁侧堰水力特性进行初步探索,为侧堰在灌区末级渠道或田间进水口的推广提供参考。     

Effects of Low pH on Upstream Migratory Behavior in Land-Locked Sockeye Salmon Oncorhynchus nerka

The effects of low pH on upstream migratory behavior in land-locked sockeye salmon Oncorhynchus nerka were examined using 2-way flow-through channels. Homing mature salmon captured at the mouth of their native stream were used. When neutral (pH 6.7) hatchery water of the same origin as native stream water was allowed to flow through both channels, fish showed active swimming into both channels during a 48 hrs period. When water pH in one channel was lowered by the addition of sulfuric acid, salmon completely ceased upstream swimming behavior into areas of pH lower than 6.0, and swam up into only neutral areas. In the lower pond of the 2-way channels, fish also avoided acidic areas even when average pH was 6.2. Since it has been reported that extremely slight changes in pH such as in the pH 6 range inhibits spawning behavior in this species, it is suggested that land-locked sockeye salmon have a sensitive ability to perceive even slight acidity, and avoid environments which may be deleterious to their offspring.     

气力式无人机水稻撒播装置的设计与参数优化

当前用于无人机挂载的撒播装置通常为离心圆盘式,该方式的落种区为圆弧形,撒播均匀性不稳定,且在作业幅宽方向上的调控比较困难。为了改善撒播作业的效果,探究适合无人机挂载的水稻撒播装置,该文设计了一种气力式无人机水稻撒播装置,利用气流将种子沿不同的方向吹送出去。该文就种子颗粒在所用无人机平台风场中运动情况进行分析和归纳,对撒播装置的关键部件进行了仿真和测试试验,研究了分流箱气流出口尺寸与出口风速的关系,以及导流通道的锥角对导流通道内的气流与气压分布的影响及对撒播幅宽和撒播均匀性的影响。试验结果表明:分流箱气流出口尺寸与出口风速之间存在极强的负相关关系,根据设计需求选择φ32 mm作为较佳的气流出口直径。导流通道的锥角与撒播幅宽之间存在极强的线性相关关系,相关系数R2=0.999。综合考虑通道内的气压和流速分布,以及锥角对幅宽和均匀性的影响,优选130?为导流通道的锥角。该文进一步研究了无人机作业高度对撒播幅宽和撒播均匀性的影响,结果表明:在1~2.8 m的范围内,作业高度与撒播幅宽的相关性显著系数为0.3590.05,作业高度与撒播均匀性的相关性显著系数为0.1970.05,在给定的高度范围内无人机作业高度对撒播幅宽和撒播均匀性的影响不显著,在实际作业中,综合考虑撒播幅宽和均匀性变异系数以及田间作业环境等因素,优选2 m作为该无人机平台的适宜作业高度。该研究为进一步样机的优化改进提供了参考。     

内镶式滴灌带绕流流道水力性能研究

该文运用水力学公式、数值模拟和快速原型试验研究了绕流流道滴灌带的水力性能，并建立了设计流量与流道结构参数之间的计算模型。数值模拟得到的流场水力结构显示水流的水头损失主要集中在流道的拐角，分支和交汇处。在数值模拟的基础上，利用快速成形技术制造出16种结构形式的绕流流道，并进行压力与流量特性试验。试验结果表明：绕流流道的流态指数为0.5左右，且受流道的截面积和单元数的影响较小；而流量系数则随截面积的增加而增加，随单元数的增加而减小。144组试验数据的回归结果显示：流量随流道的截面积和工作压力的增加而增大，随单元数的增加而减小；其中，截面积影响最大，单元数次之，最后是工作压力。