南水北调中线电子渠道平台研究及应用[1]
1张成，1傅旭东 王光谦 魏加华，2王开
（1清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084；2中国水利水电科学研究院，北京 100038）
作者简介：张成 （1982-），湖北鄂州人，博士，主要从事水力学及河流动力学研究。
摘要：以南水北调中线工程水力学分析和工程信息管理为背景，将基于GIS的电子渠道与长距离复杂内边界的非恒定流数学模型相耦合，建立了一个集工程参数管理和水力学模拟分析为一体的电子渠道平台。基础数据层、平台层和应用层的三层结构化设计方法和Windows多线程与信号同步技术，保障了GIS平台上的水力学模拟和计算结果的实时动态展示，为大型调水工程的数字化管理和运用研究提供了一个有效方法。
关键词：南水北调 数值模拟 电子渠道 系统集成
南水北调中线工程（以下简称中线工程）是一项大型跨流域调水工程，横跨长江、淮河、黄河、海河四大流域，沿途经过河南、河北、北京和天津四个省（直辖市），全长1277km，包含各类交叉、控制建筑物共1753座。从中线工程的规模、复杂性以及运行调度来看，需要一个科学的工程管理与优化决策软件平台，一方面通过水力调度控制模型对各种需水要求做出合理的运行控制反应，另一方面应用有效的技术手段管理维护诸如地理信息、设计参数和各类建筑物等工程信息。
目前，在有闸输水渠道的非恒定流数值模型上已有许多研究，国外有美国垦务局开发的USM模型［1］、法国的CARIMA模型［2］、美国犹他州立大学开发的Canal模型［3］、荷兰代尔夫特大学开发的Duflow模型［4］和Modis模型［5］；国内也有许多学者开展了相关研究［6-8］。但这些模型在建筑物处理和计算结果的处理等方面还存在不足［9］，如在内边界处需要分段进行计算，闸门处水位流量的计算没有考虑随开度变化的影响等。此外，一些学者开展了工程管理的信息化研究，探讨了工程信息的可视化管理与查询［10-14］，但还处于初步的设计研究阶段；同时将水力学数学模型与工程信息管理相耦合，构建模拟分析和信息支持为一体的综合性系统平台的研究较少。
本文根据结构化思想，采用windows的多线程和信号同步技术，将基于地理信息系统（Geography Information System，简称GIS）的电子渠道与长距离复杂内边界的非恒定流数学模型相耦合，实现了在电子渠道上实时模拟和表现渠道水流传输和动态响应过程，为大型调水工程的数字化设计、管理、运用和研究提供了有效的技术方法。
1 电子渠道平台基本结构
中线工程规模庞大，工程资料繁多，为保证这样一个复杂的系统安全可靠地运行，做到供水及时、调蓄有序、无弃水或少弃水，并使整个系统运行稳定，需要开发建立一个集工程参数、空间分析和数学模型于一体的综合系统平台——电子渠道，实现对中线工程的规范高效管理和对关键输水响应问题的论证研究。
在基于GIS的中线工程信息管理系统（具有下文数据层的功能）的研究基础上［15］，我们将电子渠道平台分为基础数据层、平台层、应用层三层，分别提供基础信息管理、信息查询和工程计算、用户使用界面等相应功能，并通过平台构建的信息交互机制进行层与层之间的数据传递，从而构成一个集信息管理、数值计算及结果分析处理为一体的有机整体。系统平台框架如图1所示。
图1 电子渠道平台系统框架
基础数据层包括中线工程相关地理数据信息及专题图，渠道断面数据信息库、水力建筑物数据信息库和水力计算参数信息库四个部分。分别存储了中线工程的线路，交通、水系、行政区划、渠道断面和建筑物的布置、具体几何参数以及糙率系数等水力计算参数。基础数据层为整个系统的信息查询、管理和计算模拟提供数据支持。
平台层担负工程信息管理与查询以及输水渠道计算控制的主要任务。平台层以清华大学自主设计开发的TGIS为依托［16］，除实现了GIS的地图缩放、漫游、查询、导航、图层控制、统计分析等基本功能外，还添加了专门的渠道断面信息查询功能；同时集成了水力学专业模型，在平台上实现模型所需的数据预处理和计算结果的输出。
应用层面向用户，提供专门的应用服务，包括工程信息显示操作模块、恒定流模型计算结果显示操作模块和非恒定流模型计算结果显示操作模块。用户通过应用层可以直观得到所查询和操作的工程信息情况，进行模型数据准备的前处理和结果表现的后处理，从而达到用户与专业数值模型交互的目的。
基于上述系统框架，通过将基础数据层、平台层和应用层有机结合起来，形成了GIS与数值计算模型相耦合的电子渠道平台。图2给出了电子渠道平台主界面的示意图，从图中可以看到，电子渠道平台包含了信息管理查询、数值计算和地理信息显示三大部分功能：信息管理查询模块可以在数据库中查询、修改和添加中线工程的有关地理信息数据；数值计算模块能够按照设计的水面线复核和渠道输水响应控制方案进行计算并显示计算结果；地理信息显示模块则将中线工程相关的地理信息以图表的方式表达给用户使用。该平台实现了中线工程信息的高效有序管理，达到了输水渠道水力响应的快捷模拟与合理分析的目的。
图2 电子渠道平台主界面
2 电子渠道平台的实现
在电子渠道的平台层，长距离复杂内边界的非恒定流数学模型及其与基础数据层和用户层的耦合是核心内容。其中，层间数据传递与信息交互是耦合的关键。
2.1 长距离复杂内边界的非恒定流数学模型
对于中线工程的长距离输水渠道，节制闸、渡槽、涵洞、暗渠、隧洞和倒虹吸等过水建筑物构成了复杂的内边界条件。要研究中线工程的输水响应及控制问题，必须将过水建筑物当成内边界条件或者特殊结点类型进行概化处理，才能对整个渠道的水力响应过程实现准确模拟。虽然已有一些模型采用了将节制闸分离或作为边界条件而分段计算的方法，但该方法还不能完全达到对具有复杂内边界的长距离输水明渠进行整体计算和连续模拟的要求。本文根据内边界对水流的作用特点将其概化为节制闸、倒虹吸和多孔并联渡槽等三种类型并分别定义和模化，建立复杂内边界长距离输水明渠的一维非恒定流数学模型，实现对输水明渠水力过渡过程中水位、流量大幅度变化的无间断模拟。
2.1.1 基本方程
明渠一维非恒定流的控制方程为圣·维南方程组，如下所示：
式中：Z为水位；Q为流量；B为水面宽度；A为过流面积；ql为单位长度上的旁侧入流或出流；g为重力加速度；t为时间；s为沿程距离；R为水力半径；C为谢才系数。
采用Preissmann四点偏心隐格式离散上述方程组，利用双扫描法进行求解。
2.1.2 复杂内边界的处理
对节制闸、渡槽等内边界条件，上述基本方程已不能适用，需采用相应的出流公式。
（1）在节制闸处，根据水流连续性条件有式（3）：
式中：变量上标为计算时刻，如j+1表示j+1时刻；变量下标为断面号，如i表示第i个断面，以下同。
为了模拟这些节制闸处可能的流态，采用一般形式的闸下过流公式如下［19］：
式中：σs为闸孔淹没出流系数；σc为侧向收缩系数；m为自由溢流的流量系数；n为闸孔孔数；μ为宽顶堰型闸孔自由出流流量系数；b为闸孔宽度；e为闸孔开度；εj+1为计算时刻闸门侧向收缩系数；φ为流速系数；
为计算时刻包括流速水头在内的断面总水头。
为能利用上述闸下过流公式数值求解，一般可以将其进行泰勒展开，忽略高阶项，在实际工程应用和研究中是能够满足工程研究和应用精度要求的［17］，可以得到：
利用式（3）和式（6），结合离散后的圣·维南方程组，采用Preissmann隐格式保证数值模型计算的收敛性和稳定性，可以导出闸门处的通用离散形式如下：
式中：Li+1、Mi+1、Ri+1、Pi+1为求解后多项式对应的系数。
式（7）和式（8）建立起了非恒定流求解过程中各种闸门开度和不同流态下上下游水位和流量之间的关系，使模型实现了水流的连续模拟：即只要知道初始时刻的水位流量和中间闸门开度的变化过程，就能根据闸孔出流和堰流判别公式及淹没和自由出流判别条件自动选取相应流量公式的离散形式进行计算，而无需给出节制闸的流量过程。将按上述处理方法建立的非恒定流模型计算结果与已有恒定流模型对比验证，并将其应用于中线工程实际渠道的模拟分析，计算结果表明［20-21］，该非恒定流模型能够满足工程应用研究的需要，实现了闸孔出流和堰流的自动转换，从而模拟包括闸门完全关闭和开启等任意开度下的渠道非恒定流过程。
（2）对于倒虹吸，其过水能力可以有压管道公式进行计算［22］，并认为倒虹吸进出口流量相等，即
其中
式中：μ为管道流量系数；λ为沿程阻力系数；∑ζj为局部阻力系数之和，由闸墩、门槽、管身进口、管身弯道和管道出口等局部阻力系数组成；Q为管道过水流量；A为管道过水断面面积；Z0为包含行进流速水头的上下游水位差，即总水头损失；L为管道全长；d为圆管内直径。由于工程设计时是按照加大流量进行倒虹吸设计，所以系数K根据加大流量下的水头损失求得，即
在对其进行模拟时，根据倒虹吸的流量计算出起点和终点间相应的水头损失Z0，再将式（9）和式（10）与离散后的圣·维南方程组联立求解，得到倒虹吸处进出口的水位。
（3）渡槽、涵洞、暗渠和隧洞。渡槽、隧洞等与总干渠明渠相结合的地方可以看作是汊点。根据质量守恒，汊点处应满足流量相容，得汊点处的水流连续条件：
根据动量守恒，并忽略流速水头，阻力损失，可以近似认为汊点处端点水位相同有：
式中：
为计算时刻与汊点i相接的河段干渠的总流量；
为计算时刻汊点i处第k个分支渠段的流量；N为分支渠段总数；Zi为汊点i处的水位；Zi，k为第k个分支渠段在汊点i处的水位。同样可以将式（11）和式（12）联立求解，可以得到相应的水位和流量。
有关数学模型及内边界处理更详细的情况可参考文献［20］。
2.2 电子渠道与非恒定流数学模型的耦合
在电子渠道平台中，非恒定流模型与基础数据层、应用层之间动态实时的数据传递与信息交互是耦合的核心内容。本节通过设计合理的耦合框架，结合计算机多线程和信号同步技术实现这一耦合过程。
2.2.1 平台与模型耦合的框架
电子渠道与非恒定流数学模型的耦合是整个平台的核心部分。非恒定流数学模型是开展渠道水力参数优化和局部渠道断面参数调整、输水过程的优化调控、典型渠段和控制建筑物的水力参数对设计要求的满足程度分析，输水系统水力学表现评价等研究工作的基础，而电子渠道作为一个基于GIS的系统，则为平台实现上述功能提供相应的数据和分析支持。在设计耦合框架时，采用组件技术（COM/DCOM），在平台中根据不同的功能设计不同的程序模块，而每个模块相对独立，以动态链接库（DLL）、ActiveX控件（OCX）、可执行文件（EXE）等文件形式存储，为其他业务系统提供相应的接口，实现特定的运算功能。这种基于COM/DCOM技术构建模型，不仅便于各个业务系统对模型的进行使用，而且使模型本身具有良好的扩展性，便于升级维护，如图3所示。
由于非恒定流数学模型程序用FORTRAN语言编写，可视化平台用Visual C++开发，因此需要考虑数据接口的问题。数据传输的方式主要包括：生成动态链接库直接调用计算模块进行内存数据共享；通过Windows管道机制进行不同进程间的数据传输；采用数据文件进行传输等。考虑到模型的多样性和系统的可扩充原则，采用数据文件的方式进行数据交互。
2.2.2 平台与模型耦合的实现
为了实现计算结果的动态和实时显示，本文采用Windows的多线程和信号同步技术来进行数据传递，实现电子渠道与非恒定流模型的信息交互，达到两者耦合的目的。一方面，通过设计不同的线程来完成计算、结果动态显示等功能，按照功能性质可以分为辅助线程和用户界面线程两类。辅助线程主要负责计算，用户界面线程负责对计算结果进行监控，进行实时化图形显示。另一方面，为保证各个线程之间的互不干扰，采用了“事件”保证线程之间的同步操作，并使用“临界区”技术保证线程之间对共享资源的互斥访问，同时，利用Windows消息机制在线程与线程之间发送Windows消息实现通讯。
图3 平台与模型耦合框架
图4给出了电子渠道与非恒定流数学模型的耦合流程图，具体实现过程如下。
（1）用户首先通过主线程提供的可视化配置接口进行参数配置，并发布启动计算命令，主线程会根据命令自动启动“计算线程”。
（2）计算线程启动后将实施四项任务：第一，创建新进程。调用一维非恒定流计算模块组件，该模块会独立进行操作，从数据库中读取相应数据，再将生成结果写入数据仓库。第二，利用“消息监控模块”实时监控主线程的消息队列，一旦用户触发了某种事件，该事件在window中会以消息的方式存入消息队列，此时该消息会被计算线程捕捉，以进行相关响应操作，保证用户在计算过程中可以对“计算线程”进行实时干预。第三，主动往主线程发送控制消息，通知主线程启动“数据监控线程”。第四，监控“一维非恒定流计算模块”的完成状况。如果有新计算结果出现，它会修改信号量（事件），通知主线程计算已经完成，对“信号量”的有序操作保证在计算完成之前其他线程决不会退出，以实现线程间的同步。
图4 耦合流程图
（3）当主线程得到计算线程消息时，主线程会创建“数据监控线程”，用来监视数据库中结果数据的变化情况，如果结果数据中有新文件产生，数据监控线程会马上做出反映，检测“图形监控线程”的运行情况，如果图形监控线程不存在，数据监控线程会自行创建，如果存在，数据监控线程会往其发送windows消息，通知其新数据产生，请更新图形化显示。同时数据监控线程也会实时监控主线程对其发送的控制信息，以响应用户的操作。
（4）图形监控线程在得到数据监控线程消息时会迅速从数据库中读取数据，进行图形化显示。因为图形化显示数据的速度和新数据产生的速度可能存在差异，因此它会对数据监控线程发送来的消息自动进行缓存，并用信号量（事件）实现与数据监控线程的同步，以记录结果生成文件的变化，而图形监控线程按照自身速度进行图形化显示和更新。这样既保证了图形监控线程对结果文件变化情况的了解，同时也可以不遗漏的进行全线全时段的运行显示。
3 电子渠道平台的应用
集成后的电子渠道平台，能够对中线工程运行控制及水力响应的研究进行图形化的参数设置、计算分析和结果显示，并且能实时模拟和动态显示计算模拟过程，提高了模型结果处理效率和研究人员对问题的分析和决策能力，是一个先进的工程管理与分析模拟系统，已在中线工程输水响应参数研究上得到应用。
下面以事故工况下两相邻节制闸10min同时关闭的工况为例，说明上述电子渠道平台的实时计算和模拟分析功能。表1给出了中线工程某相邻节制闸所在渠段的基本要素。
表1 模拟渠段基本要素
图5～图7展示了电子渠道平台从模拟计算设置到计算结果显示分析的主要过程。首先是非恒定流内外边界设置界面（图5），用户通过该界面可以方便快捷地对计算时间长度，结果输出时间间隔、上下游边界条件、各个分水口、退水口的分水退水流量和节制闸的运行方式等内边界条件进行设置。本示例其他设置使用默认值，只在“闸门运行方式”处选择示例渠段相应的上下游节制闸，然后点击“运行方式”按钮设置闸门关闭时间和开度变化值，最后点击确定开始计算。
图5 计算内外边界条件设置界面
图6 计算模拟过程实时动态显示界面
图7 节制闸计算结果显示分析界面
在接收到用户从应用层发出的开始计算的指令后，平台层会开启多个线程，一方面从基础数据层读取所需的计算数据，传递给计算模块在后台进行计算，另一方面将计算模块返回的计算结果以图形化的方式直观的反馈给用户。因此，用户能够在平台计算过程中随时查看任意渠段、节制闸、分水口、退水闸处的水位、流量和开度变化等计算结果，因而可以在第一时间掌握当前时刻的渠道水力响应情况，而无须等到计算完成以后再去查看模拟结果，减少了决策分析时间，提高了效率，如图6所示。从图中可以看到节制闸处当前时刻的水位、流量和闸门开度值等参数；最后，当计算完成，可以重复计算过程，并查询分析相应的计算结果。
用户可以根据电子渠道平台的结果显示分析功能，高效快捷的获取关键的水力参数计算结果，这使得平台的研究能力和分析效率得到了提高。图7给出了示例渠段下游节制闸的计算结果分析界面，通过该界面可以显示分析各个计算时刻的水位和流量等水力参数，图中直线为电子渠道平台中假设的该节制闸处堤顶高程，可以方便的观察渠道内水位是否有漫溢的现象，查询不同时刻的闸前水位，闸下过流量等关键水力参数值，并能从后台数据库中导出相应结果进行分析。表2给出了上下游闸前水位壅高，漫堤时间等关键水力参数的计算结果。分水口、退水闸等其它控制建筑物也有类似的结果分析界面。
表2 上下游节制闸关键水力参数计算结果
以上模拟应用表明，电子渠道与水力学专业模型的耦合，达到了实时表现和模拟渠道水流运动和传输过程的目标。在水力学模型的基础上，电子渠道平台能够真实模拟和再现不同设计参数和运行方案对水流过程的影响，为南水北调中线工程提供了研究输水工程响应控制和运行调度的基础平台，对工程设计和运行调度管理具有重要的作用。
4 结论
针对南水北调中线工程长距离复杂输水系统，利用windows的多线程和信号同步技术，将复杂内边界的非恒定流数学模型与工程数据管理的电子渠道平台相耦合，建立了集信息查询、水力学计算和输水过程参数分析为一体的模拟分析平台，为中线工程的运行控制和管理决策提供了信息化工具。
本文采用的基础数据层、平台层和应用层的三层结构化设计方法以及多线程与信号同步技术，保障了GIS平台上的水力学模拟和计算结果实时动态展示的实现，为大型调水工程的数字化管理、运用和研究提供了一个有效技术方法。
参考文献
［1］ David C R,Gary P M.Description and evaluation of program USM［J］.Journal of Irrigation and Drainage Engineering,1993,119(4):693-702.
［2］ Holly Jr F M,Parrish III John B.Description and evaluation of program:CARIMA ［J］.Journal of Irrigation and Drainage Engineering,1993,119(4):703-713.
［3］ Merkley G P,Rogers D C.Description and evaluation of program:Canal ［J］.Journal of Irrigation and Drainage Engineering,1993,119(4):714-723.
［4］ Clemmens A J,Holly Jr F M.Description and evaluation of program:Duflow ［J］.Journal of Irrigation and Drainage Engineering,1993,119(4):724-734.
［5］ Wytze Schuurmans.Description and evaluation of program:Modis ［J］.Journal of Irrigation and Drainage Engineering,1993,119(4):735-742.
［6］ 崔巍,王长德,管光华，等.渠道运行管理自动化的多渠段模型预测控制［J］.水利学报,2005,36(8):1000-1006.
［7］ 吕宏兴,宋松柏,马孝义，等.灌溉渠道闸门调控过程中的非恒定流研究［J］.农业工程学报,2002,18(6):18-22.
［8］ 童朝锋,严以新,诸裕良.有闸分汊河口的水动力模拟［J］.河海大学学报,2002,30(5):103-106.
［9］ The ASCE Task Committee on Irrigation Canal System Hydraulic Modeling.Unsteady Flow Modeling of Irrigation Canals ［J］.Journal of Irrigation and Drainage Engineering,1993,119(4):615-630.
［10］ Depeweg H,Urquieta E R.GIS tools and the design of irrigation canals ［J］.Irrigation and Drainage,2004,53:301-314.
［11］ Bin M A,Xie J C,Zhang Y J.Water resource operation and management model and its simulation process research ［J］.Journal of Systems Science and Systems Engineering,2001,10(3):328-338.
［12］ Huang Y F,Huang G H,Hu Z Y,et al.Development of an expert system for tackling the public’s perception to climate-change impacts on petroleum industy ［J］.Experts Systems with Applications,2005(29):817-829.
［13］ Zhong D H,Xiong K Z,Cheng L Q.Actuality and prospect of visual numerical simulation in water diversion systems ［A］.In:Proceeding of SPIE Vol.5444［C］.Bellinham:Bellinham Press,2004,557-560.
［14］ 何玲，胡文亮，孙海龙.数字南水北调的虚拟技术应用——以中线工程河北段主干线为例［J］.地球信息科学，2004，6(2):72-76.
［15］ 魏加华，王光谦，陈志祥，等.南水北调中线电子渠道平台建设［J］.南水北调与水利科技，2007，5(2):28-30.
［16］ 王春辉，陈志祥，王开.南水北调中线工程数字电子渠道建设研究［J］.中北大学学报：自然科学版，2006，27(4):310-313.
［17］ 杨国录.河流数学模型［M］.北京:海洋出版社,1993.
［18］ Clemmens A J,Bautista E,Wahlin B T,et al.Simulation of automatic canal control systems ［J］.Journal of Irrigation and Drainage,2005,131(4):324-335.
［19］ 李炜.水力计算手册［M］.北京:中国水利水电出版社,2006.
［20］ 张成，傅旭东，王光谦.复杂内边界长距离输水明渠的一维非恒定流数学模型［J］.南水北调与水利科技，2007，5(6):16-20.
［21］ 张成，傅旭东，王光谦.南水北调中线工程总干渠非正常工况下的水力响应分析［J］.南水北调与水利科技，2007，5(6):8-12.
［22］ 余国安.闸门调控下的灌溉渠道非恒定流数值模拟研究［D］.陕西:西北农林科技大学，2004.
[1] *基金项目：国家自然科学基金委员会创新群体研究基金项目（50221903）。