一種長距離引調(diào)水工程多功能模擬系統(tǒng)及模擬方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于水利工程實驗技術(shù)領域，具體涉及一種長距離引調(diào)水工程多功能模擬 系統(tǒng)及模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國水資源時空分布不均勻，水質(zhì)型缺水問題也較為嚴重，水資源短缺已成為經(jīng) 濟社會可持續(xù)發(fā)展的主要制約因素?？缌饔蛞{(diào)水是是合理配置水資源、解決用水需求與 供水能力矛盾的常見措施，為緩解我國北方地區(qū)的資源型缺水問題，我國正在實施"南水北 調(diào)"這一世界級的跨流域調(diào)水工程?？缌饔蛘{(diào)水也是解決水質(zhì)型缺水問題的有效手段，例 如，為改善太湖河網(wǎng)與湖區(qū)水體的水環(huán)境狀況，太湖流域?qū)嵤┝?引江濟太"調(diào)水工程，取得 良好效果?？缌饔蛞{(diào)水工程一般具有大尺度、長距離、多載體、多形態(tài)等特點，對工程自身 安全性要求較高；同時，為保證受水地區(qū)人民群眾的飲水安全，輸水水質(zhì)安全保障也是跨流 域引調(diào)水工程中需要重點關注的問題。
[0003] 長距離引調(diào)水工程的規(guī)劃、設計與運行往往面臨著高效控制、優(yōu)化運行、應急處置 等現(xiàn)實難題，例如，如何準確預測變化流量情形時引調(diào)水工程結(jié)構(gòu)安全、如何預測分析突發(fā) 污染水體輸移傳輸過程中的環(huán)境風險、如何預判冰封期引調(diào)水傳輸效率等。由于引調(diào)水工 程一般長度遠遠大于其渠道寬度，同時有壓式和無壓式輸水的原理具有較大區(qū)別，難以采 用常規(guī)的水利工程物理縮放建模的方法對工程全程進行室內(nèi)試驗分析，往往僅能依據(jù)經(jīng)驗 分析和數(shù)學模型的方法進行計算分析。
[0004] 目前尚無成熟可靠的長距離引調(diào)水全程物理模型裝置與方法，現(xiàn)有技術(shù)多見于長 距離輸水數(shù)值模擬方面，如《復雜長距離輸水系統(tǒng)仿真優(yōu)化研宄》一文，將數(shù)字仿真模型應 用于長距離輸水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度研宄中。有專利《長距離輸水水質(zhì)模擬裝置》提出了一種長 距離輸水水質(zhì)模擬裝置，但該裝置僅能模擬較單一的輸水形式的水質(zhì)迀移轉(zhuǎn)化，不能適應 超長距離、多種輸水形態(tài)、多種指標監(jiān)測、區(qū)間出入流等復雜條件的實際需求。為科學設計 與管理跨流域引調(diào)水工程，對工程中的水量控制、管渠安全、水量損耗、突發(fā)水污染、輸水效 率分析、優(yōu)化運行等議題進行直觀的試驗分析，需要研制一種適宜于室內(nèi)的長距離引調(diào)水 工程多功能模擬系統(tǒng)，能直觀、準確、便捷地實時掌握水流、水質(zhì)等指標的變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種長距離引調(diào)水工程 多功能模擬系統(tǒng)及模擬方法，為長距離引調(diào)水工程的水量控制、管渠安全、水量損耗、突發(fā) 水污染、輸水效率分析、優(yōu)化運行等議題提供多功能試驗分析平臺。
[0006] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種長距離引調(diào)水工程多功能模擬系 統(tǒng)，包括若干個無壓輸水模擬單元、若干個有壓輸水模擬單元，所述相鄰的無壓輸水模擬單 元之間或者相鄰的有壓輸水模擬單元之間或者無壓輸水模擬單元與有壓輸水模擬單元之 間都通過多功能連接件連接；
[0007] 所述無壓輸水模擬單元包括無壓主流模擬裝置、無壓進水控制裝置、無壓出水控 制裝置、無壓支流模擬裝置、明渠流量監(jiān)控裝置、明渠水質(zhì)監(jiān)測裝置；所述無壓主流模擬裝 置包含用于模擬無壓式引調(diào)水的輸水主渠道流動的輸水渠道，輸水渠道上設有若干個采集 水質(zhì)的第一傳感器，輸水渠道為螺旋布置成圓盤狀的明渠，輸水渠道的上游位于圓盤狀的 明渠的中心位置，輸水渠道中心底部安裝有用于調(diào)節(jié)蓄水池高度進而改變輸水渠道的沿程 坡降的液壓桿，蓄水池位于液壓桿正上方，輸水渠道的下墊面裝有由多根溫控管組成的渠 道溫度調(diào)節(jié)器，通過控制溫控管內(nèi)液體的溫度實現(xiàn)對輸水渠道內(nèi)的水溫控制；無壓進水控 制裝置用于接受區(qū)間段上游來流及控制下泄流量，包括蓄水池和進水閘，其中蓄水池安置 在上游，即輸水渠道的中心位置，用于承接上游來流，蓄水池安裝有進水閘控制蓄水池出水 流量以便為本區(qū)間段輸水；所述無壓出水控制裝置用于控制無壓式引調(diào)水的區(qū)間出流，包 括出水閘、緩沖池、無壓管道閥、無壓出水管、渠道出水口，其中出水閘安置在輸水渠道下游 末端處，與緩沖池相連，無壓出水管水平安置在輸水渠道的下部，一端通過無壓管道閥與緩 沖池相連，另一端設有渠道出水口；所述無壓支流模擬裝置用于模擬無壓式引調(diào)水區(qū)間出 入支流，包括清水支流進水口、污水支流進水口、支流出水口，均安裝在緩沖池的側(cè)邊；所述 明渠流量監(jiān)控裝置包含明渠流量監(jiān)控臺和安裝于進水閘、出水閘、清水支流進水口、污水支 流進水口、支流出水口、無壓管道閥處的流量傳感器，明渠流量監(jiān)控臺通過信號線與各個流 量傳感器連接；所述明渠水質(zhì)監(jiān)測裝置包括明渠指標顯示臺和可拆卸式的明渠多功能監(jiān)測 終端，明渠多功能監(jiān)測終端通過信號線與無壓主流模擬裝置中的第一傳感器連接，明渠指 標顯示臺通過信號線接受存儲多功能監(jiān)測終端的監(jiān)測數(shù)據(jù)并實時顯示；
[0008] 所述有壓輸水模擬單元包括有壓主流模擬裝置、有壓進出水控制裝置、有壓支流 模擬裝置、管道流量監(jiān)控裝置、管道水質(zhì)監(jiān)測裝置；所述有壓主流模擬裝置包括上層輸水管 道和下層輸水管道，所述上層輸水管道和下層輸水管道平行安置且螺旋布置成圓盤狀，上 層輸水管道和下層輸水管道通過多口連接器進行連接，上層輸水管道和下層輸水管道上設 有若干個采集水質(zhì)的第二傳感器，上層輸水管道與下層輸水管道之間裝有多根溫控管組成 的管道溫度調(diào)節(jié)器；所述有壓進出水控制裝置包括上管道控制閘、下管道控制閘、上管道泄 壓閥、下管道泄壓閥，上層輸水管道和下層輸水管道中心位置安置有兼具進水和出水的雙 重作用的上管道控制閘和下管道控制閘，上管道泄壓閥和下管道泄壓閥分別安裝于上層輸 水管道和下層輸水管道上，均靠近多口連接器；所述有壓支流模擬裝置包括支路進水口和 支路出水口，安裝在多口連接器的側(cè)邊；所述管道流量監(jiān)控裝置包含管道流量監(jiān)控臺和安 裝于管道控制閘、下管道控制閘、支路進水口、支路出水口上的流量傳感器，管道流量監(jiān)控 臺通過信號線與流量傳感器連接；所述管道水質(zhì)監(jiān)控裝置包括管道指標顯示臺和管道多功 能監(jiān)測終端，其中管道多功能監(jiān)測終端通過信號線與第二傳感器連接，指標顯示臺可通過 信號線接受存儲管道多功能監(jiān)測終端的監(jiān)測數(shù)據(jù)并實時顯示；
[0009] 所述多功能連接件包含多功能水流轉(zhuǎn)換裝置，包括錐形消能閥、變頻水泵、進水口 調(diào)節(jié)裝置、出水口調(diào)節(jié)裝置、狀態(tài)控制開關、連接腔、連接管；所述錐形消能閥有"開"和"關" 兩種工作狀態(tài)，由支撐桿固定于連接腔內(nèi)壁，錐形消能閥上端與進水口調(diào)節(jié)裝置密閉連接， 錐形消能閥下端連接連接管，進水口調(diào)節(jié)裝置與渠道出水口或下管道控制閘連接；所述變 頻水泵有"低壓"和"高壓"兩種工作狀態(tài)，變頻水泵一端與出水口調(diào)節(jié)裝置連接，另一端與 連接管密閉連接，出水口調(diào)節(jié)裝置與進水閘或上管道控制閘連接；所述進水口調(diào)節(jié)裝置、出 水口調(diào)節(jié)裝置通過可鎖定的螺栓分別安裝在連接腔上端與下端，連接腔外壁安裝有控制錐 形消能閥的狀態(tài)控制開關。
[0010] 作為優(yōu)選，所述無壓支流模擬裝置的清水支流進水口和支流出水口分別與可逆水 泵連接，通過一臺可逆水泵控制進出流量，污水支流進水口與污水泵連接，通過一臺污水泵 控制進流量。
[0011] 作為優(yōu)選，所述圓盤狀的無壓主流模擬裝置的內(nèi)外圈的明渠之間由圓形隔板隔 開，隔板的頂端有矩形凸起，矩形凸起外安裝明渠水質(zhì)監(jiān)測裝置中的明渠多功能監(jiān)測終 端；
[0012] 作為優(yōu)選，所述明渠多功能監(jiān)測終端包括拱形支架、上游測量臂、下游測量臂，其 中拱形支架斷面形狀類似門形，可卡在圓形隔板頂端的矩形凸起上，所述上游測量臂和下 游測量臂的一端均為渠道傳感器安裝口，另一端均通過可旋轉(zhuǎn)吊環(huán)螺絲安置在拱形支架 上，使其可根據(jù)需要調(diào)節(jié)渠道傳感器安裝口的高度；所述渠道傳感器安裝口上加裝第一傳 感器，第一傳感器為流量傳感器、水溫傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器、BOD傳感器、COD傳 感器、營養(yǎng)鹽傳感器、溶解氧傳感器或流速傳感器中的一種。
[0013] 作為優(yōu)選，所述有壓主流模擬裝置的上層輸水管道和下層輸水管道沿程均勻分布 有若干個多功能管道監(jiān)測終端，所述的管道多功能監(jiān)測終端包括加固管、堵塞螺栓、測量螺 栓；所述的加固管為一段高強度管件，位于安裝有多功能管道監(jiān)測終端處的上層輸水管道 或下層輸水管道的外壁，且上層輸水管道或下層輸水管道在該處有螺栓孔；所述的堵塞螺 栓可旋進螺栓孔將多功能管道監(jiān)測終端關閉；所述的測量螺栓可旋進螺栓孔將多功能管 道監(jiān)測終端開啟，當需要打開多功能管道監(jiān)測終端，將測量螺栓旋進螺栓孔，當需要關閉多 功能管道監(jiān)測終端，堵塞螺栓旋進螺栓孔，并通過管道傳感器對上層輸水管道和下層輸水 管道內(nèi)的各項指標進行監(jiān)測，測量螺栓由管道傳感器安裝口和管道傳感器組合而成，管道 傳感器安裝口中心留有小孔，用于導出管道傳感器的信號線，且小孔下端留有螺栓孔用于 連接管道傳感器；所述的管道傳感器安裝有第二傳感器，第二傳感器為流量傳感器、水溫傳 感器、壓