优秀工程硕士论文范文10篇

本文是一篇工程硕士论文，工程硕士（全日制）侧重于学术理论与实践；工学硕士侧重于学术理论与应用；工程硕士（非全日制）侧重于学术实践。工程硕士（全日制）与工学硕士属于统一教育体系，只是类型不同，而工程硕士（非全日制）属于不同教育体系。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇工程硕士论文，供大家参考。

 

 

第一章 绪 论

 

1.1 研究背景及意义

锚固技术是地下工程施工中十分重要的技术之一,在我国人们习惯称之为锚杆支护技术，而国外一般称之为锚固技术或者锚杆加固技术。其维持地下结构稳定性的关键就是利用土体或者岩体的锚固力，防止地下工程中出现灾害性的事故如坍塌、滑移等事故，保证工程的安全可靠性。锚固技术的原理便是其一侧是与工程实体结构连接在一起，作为支撑点；另一侧则是插入至岩土体等基础结构中，起到承载结构物的上托力和抗拔力的作用以达到稳固结构的效果，即锚固作用。锚固技术具有充分利用岩土体自身的条件来增加自稳的能力；节约了大量基础材料如钢结构支撑等，大大改善了施工条件；作业空间占用少；锚固地层范围广等特点[1]。锚固技术是一种经济可靠的技术，目前在铁路、隧道、桥梁、矿山、地基建楼的工程项目中都得到了应用[2-3]。由于锚固技术具有高度的隐蔽性，因而发现其质量问题很困难，处理事故就会更为困难。随之而来的锚固系统质量检测便成为了锚固技术中不可缺少的环节，因为只有提高锚固系统的质量才能使得锚固系统的稳定性得到提高，进而才会提高锚固工程的安全性。现如今，锚杆锚固系统质量检测的常用方法有拉拔试验法和无损检测法。拉拔试验法是一种基于摩擦作用的复杂的、具有破坏性的试验方法[4]。而无损检测法则不会损坏锚杆锚固结构仅通过应力波波形得出锚杆锚固系统的质量参数，判定缺陷的位置来评价其质量的好坏。无损检测技术的迅猛发展已经成为一种趋势，其应用也更加广泛。通过无损检测方法就能够在不破坏系统结构的前提下保证系统更为可靠的安全性，从而减免各种不必要的损失。

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1.2 国内外研究现状

在锚杆锚固系统质量检测中通常采用的检测方法有拉拔试验检测法和无损检测法两大类，下面分别对其进行介绍。人们普遍习惯采用的检测锚杆锚固系统质量的方法就是拉拔试验法，其原理就是利用辅助仪器(一般为液压千斤顶)对锚杆施加拉拔力，根据经验设定极限值，当达到这一极限值时停止施加拉拔力，并以曲线的形式记录施加的拉拔力大小和锚杆的长度，即位移-载荷曲线，并对其进行分析来判断锚杆锚固系统的质量[8-9]。但是，这种方法具有一定的局限性，首先是预设定值的选择，如果预设定值超出极限承载力则有可能会对锚杆锚固系统造成永久性的损坏。如若预设定值与极限承载力相比小很多，则得到的位移-载荷曲线可能只能表示其真实情况的一部分而无法达到检测的效果；其次是经济性，该方法费时费力耗材，一旦锚杆锚固系统被损坏便不能恢复，不可再继续使用。所以不适用于批量检测。综上分析考虑，传统的拉拔试验法的适用范围有限，不具有普遍性，而且拉拔试验并不能完全表达锚杆锚固系统的锚固状态，因为表征锚固状态的不仅是极限承载力，还包括锚杆的长度、锚固的长度和缺陷的位置等信息。与拉拔试验不同的是无损检测方法的检测宗旨就是在不影响锚杆锚固系统本身应用性能的基本原则下对其进行质量检测。该方法的技术主体是根据波的传播原理和信号分析技术来研究锚杆锚固系统的参数以及是否存在质量问题，以此确定拉拔试验无法确定的锚杆长度、锚固长度和缺陷位置等表征锚固状态的信息。常用的无损检测方法有涡流检测、磁粉检测、超声导波检测、射线检测和渗透检测等等[10-13]。在二十世纪八十年代，瑞典学者利用超声法研制出的可以检测砂浆锚杆锚固状态的仪器，但最终因为苛刻的激发条件和快速的衰减状态等缺点，使得检测仪器因无法评价锚杆锚固系统的施工质量而无法适用于现场应用。随后，国内学者对声波探测技术展开了研究，郭世明学者利用应力波技术对锚杆进行质量检测[14]，该研究取得了一定的成果，说明了应力波法可以运用在锚杆锚固系统质量检测上。汪明武等学者采用声频应力波法对锚杆锚固系统质量进行快速普查和锚固力预测试验[15-16] ，在这项研究实现了在不损坏锚杆锚固系统的情况下回执除了拉拔曲线，在锚固系统临近破坏时拉拔曲线会有明显变化[17]。重庆大学许明主要利用声波检测测试了锚杆锚固系统工程的完整性，并在无损检测方面利用了人工神经网络[18-20]。太原理工大学李义教授用应力波反射法对实验室模型和现场锚杆锚固系统进行了工作参数的检测和质量检测，该方法基本上满足了施工安全检测和支护要求[21-24]。除上述研究外，学者们在理论和应用上对锚杆锚固系统质量的无损检测都做了大量工作，促进了无损检测技术在锚杆锚固系统质量检测上的发展，但还有许多问题亟待更深入的研究[25]。

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第二章 锚杆锚固系统有限元模型建立及其数值分析

 

随着计算机技术的发展，数值模拟技术逐步成为一门独立科学，应用在各个工程领域，如岩土工程、建筑工程、隧道工程、桥梁工程等。由于数值模拟技术可以准确的预测工程项目中的各项指标和数据，对工程项目起到了预测项目安全性、可靠性和稳定性的作用，一定程度上减少人身和财产的损失[44]。在大量的数值模拟分析方法中，得以普遍应用的就是有限元分析方法[44]。在本文中建立不同锚固状态的锚杆锚固系统的模型并进行数值分析所采用的就是动力有限元分析方法。有限元分析方法，是对连续的结构体进行划分操作使之成为有限个离散的单元然后根据实际需要对离散单元进行相应的操作，利用ANSYS/LS-DYNA 软件完成不同锚固状态的锚杆锚固系统模型的建立，根据应力波反射法在模型建立中模拟小锤在钢筋端头敲击的过程，也就需要在锚杆锚固系统模型的钢筋顶端端面施加瞬时载荷来模拟应力波的传播，在模型的顶端面上取点模拟传感器采集数据，为锚固状态的智能预测提供分析基础。

 

2.1 有限元分析软件 ANSYS/LS-DYNA 概述

集 LS-DYNA 显式有限元分析程序和 ANSYS 程序的强大的前后处理功能合为一体是 ANSYS/LS-DYNA 有限元分析软件的一大特点，对于瞬时的大形变动力学问题、多重非线性的静态问题以及复杂的接触碰撞等问题它可以利用LS-DYNA 的显式求解算法快速准确地求解，这是对 ANSYS 程序功能的补充完善。使用该程序可以通过利用 ANSYS 程序来完成模型的建立过程，借助LS-DYNA 程序的功能可以完成显式求解过程，在呈现求解结果时可以利用传统的 ANSYS 后处理程序，如果要实现隐式(显式)－显式(隐式)分析的话也可以综合利用 ANSYS 和 ANSYS/LS-DYNA，借助他们之间的联系来完成分析求解实现转换。

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2.2 锚杆锚固系统有限元模型的建立

有限元模型的建立过程是 ANSYS/LS-DYNA 显示动力分析方法的一个重要环节，而且模型建立是显示动力分析中花费的时间在整个过程中也是最多的。因此，为了能够基于经济性、高效性和准确性的基本原则建立模型，下面讲述的就是一般在建模过程中需要考虑的基本准则：(1)客观真实性；必须保证建立的分析模型能够客观反映结果系统的真实的客观主要特征，否则将影响数值模拟结果的可靠性。因此，在流程图的第一层所设置的综合考虑结果特点、计算精度和计算成本完成分析方案的总体规划这一环节是十分必要的。(2)节省时间；例如对于模型中变形结构并不重要的部分可以选择节省 CPU时间的刚体来完成，但是需要考虑的是对刚体的弹性模量值的设置不可以选择不切实际的很大的值。(3)单元和材料参数的设定；在建模的过程中设置单元和材料的参数时应该选择符合实际的值，例如，在设定壳单元厚度值时不能设置不切实际的值。对材料长度、时间和特性时应该选择自协调的单位系统。(4)尽量不选择退化的实体单元；例如，棱柱、三角形和四面体，因为这些形状较僵硬，影响弯曲时的效果，而应尽量选用令人满意的立方体的砖块单元。(5)尽可能地避免小单元；小单元往往会在很大程度使得时间步长降低，在特殊情况下选择的话，应利用质量缩放使得极限的时间步长增加。

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第三章 基于差异演化算法的概率神经网络的智能预测.....32

3.1 传统的概率神经网络.... 32

3.2 差异演化算法........ 39

3.2.1 演化算法......... 39

3.2.2 差异演化算法......... 39

3.2.3 差异演化算法框架......... 40

3.3 锚杆锚固系统状态的智能识别.... 41

3.4 本章小结........ 50

第四章 锚杆锚固系统质量无损检测实验与分析.........51

4.1 实验设计........ 51

4.2 实验结果与分析.... 58

4.3 本章小结........ 66

第五章 结论与展望......... 67

5.1 结论........ 67

5.2 展望........ 68

 

第四章 锚杆锚固系统质量无损检测实验与分析

 

在第二章中介绍了锚杆锚固系统有限元模型的建立，并通过对锚杆长度的计算来判断有限元模型的精准程度；在第三章中，利用由第二章数值模拟中产生的模拟数据进行锚杆锚固系统状态的智能预测，达到了较为可靠的结果；然而并不能据此说明概率神经网络和改进的概率神经网络可以在实际工程项目中得以应用。为了证明其适用性，本章将介绍现场实验然后根据实验结果进行系统状态的智能预测来验证。

 

4.1 实验设计

本节实验是采用AGI-MG锚杆锚固质量无损检测仪对完整锚杆锚固系统和缺陷锚杆锚固系统进行实验数据的采集。该实验的原理是根据声频应力波在传播过程中遇到介质的波阻抗大小发生变化时会产生透射现象和反射现象，如果在锚杆顶端收集反射信号，就会同模拟分析一样，根据反射信号可以判断锚杆锚固系统的质量，可以计算锚杆锚固系统的锚杆长度、锚固长度以及缺陷的位置。锚杆锚固质量无损检测仪 AGI-MG 可以在对锚杆杆体及支护状态没有任何损伤的情况下测定其锚固特征长度和注浆密实度等锚杆锚固系统质量参数，评价单体锚杆支护状态。该仪器包括了平板电脑、无线路由器、无线数据采集仪、Chirp 信号发射器和加速度传感器。如图 4-1 所示。

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结论

 

随着岩土锚固工程已在各个领域的应用越来越广泛，而且针对其施工具有高度的隐蔽性，发现其质量问题相当困难，对于事故处理则更为困难，因此锚杆锚固系统是否处于稳定的运行状态等一系列的质量检测问题在锚杆锚固工程中的地位和作用也越来越广泛。本文以锚杆锚固系统的锚固状态的智能识别为主线，重点研究了锚杆锚固系统有限元模型的建立、试验和概率神经网络算法，从而达到系统状态智能识别的效果。本文研究是基于应力波反射法，利用ANSYS/LS-DYNA 有限元分析软件建立了不同锚固状态的锚杆锚固系统，并对其进行分析，得到锚杆锚固系统模型的锚杆长度、锚固长度，从而确定模型建立的效果；本文基于概率神经网络利用差异演化算法对其进行改进，利用改进算法和基本的概率神经网络对系统的锚固状态进行智能预测，并对其预测结果做了对比。总结起来，本文主要完成了以下工作：

(1)通过大量查阅文献资料，分析了对锚杆锚固系统质量的重要意义，概述了锚固技术、有限元分析和概率神经网络在国内外研究现状及发展方向。

(2)深入学习了 ANSYS/LS-DYNA 有限元分析软件，并利用其对完整锚杆锚固系统、过长锚杆锚固系统、欠长锚杆锚固系统和锚固中有缺陷锚杆锚固系统这四种锚固状态的系统进行有限元模型的建立，并分析了各模型的受荷响应，计算锚杆长度、锚固长度和缺陷的位置，将计算结果与实际设计长度相对比，误差很小，有限元模型基本达到了设计要求。

(3)介绍了概率神经网络，并在基本概率神经网络的基础上利用差异演化算法对其进行了改进，对小波包分析理论进行了研究分析，利用了小波包的方法实现了对受荷响应信号分解，并对分解后的系数进行重构，应用小波包能量谱的方法，完成了信号的能量特征值提取，并转化为特征向量作为基本概率神经网络和基于差异演化算法的概率神经网络的输入，并对这两种智能预测方法对有限元模拟模型的智能识别效果进行了对比。

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参考文献(略)

 

 

第一章 绪论

 

1.1 引言

水利水电工程中，水库库岸滑坡时有发生，滑坡涌浪是涌浪中的一种，它的波前间断性使其具有很大的破坏性。滑坡、崩塌体落入江河之中激起的巨大涌浪，产生极大的横向流速，形成局部回流和倒流，不仅能够推翻或击沉水中船只，造成人身伤亡和经济损失，而且可以使水标、岸标、整治建筑物、港口及航道设施受损，恶化航道水流条件；落入水中的土石有时形成激流险滩、堵塞航道，威胁过往船只、影响或中断航运[1]。1982 年长江鸡扒子 1000 万立方米大滑坡，180 万方的泥石滑坡坠入长江，把600 多米长的深水河槽填高 30 余米，使枯水期的过水断面由 2700 平方米缩小到320 平方米，最大流速增至 7.5 米/秒，局部水面比降达到 10.4‰，船舶航行十分困难；1992 年 4 月 30 日，乌江上边滩左岸鸡冠岭发生大面积大方量滑坡岩崩自然灾害，乌江上边滩岩崩总方量约 530 万立方米，其中倾入河道约 86 万立方米，形成两个岩崩堆积体，其顺流方向总长 320 m，河道中断。这些还使我国的水运、铁路、水库和电站等受到严重威胁。更为著名的是 1961 年 10 月发生于意大利瓦依昂水库左岸 2.4×108m3 的巨大滑坡，飞速滑入库区后，激起 250m 巨浪，涌浪传至 1.4km的坝址时，立波仍高达 70m，造成震惊世界的瓦依昂水库失事事件，这一事件除使经济上蒙受重大损失外，还残酷地夺走了 3000 多人的生命。为世人特别是工程界人士所铭记。为尽量减少滑坡对航运的影响，2010 年 11 月 12 日，交通运输部组织长江航道局等有关单位在巫山成功举行了三峡库区山体滑坡水上应急演习，切实加强对山体滑坡等地质灾害事故险情的预防和快速反应工作，提高应急处置能力，确保在水上人民生命财产安全和通航环境受到威胁时能做出快速反应并组织有效救助，以避免或减少人命伤亡。

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1.2 依托工程

万州港江南沱口集装箱码头工程是本项目研究的依托工程，为项目研究采集相关数据资料并进行现场测试。江南沱口作业区重点发展集装箱运输，主要为万州、梁平、垫江和四川达州、开江和湖北利川等县市提供运输服务。本作业区位于长江右岸，距宜昌航道里程 336.5 千米～335.7 千米，规划港口岸线长 555 米，已建江南沱口集装箱码头一期工程利用岸线 230 米，集装箱码头二期工程规划利用岸线 325 米。已建江南沱口集装箱码头一期工程有 2 个集装箱泊位，通过能力28 万 TEU，码头水工建筑物主要包括码头结构、护岸工程、陆域形成挡墙三大部分组成，其码头结构采用全直桩框架梁板结构。设计高低水位差 30 米。码头结构平台长 253 米，宽 30 米。三峡水库建成后，万州段水深加大数十米，水面有不同程度的拓宽，受蓄水淹没浸没的作用和三峡水位大变幅的影响，该河段大量涉水滑坡和崩塌更易发生，如有大型崩塌滑坡发生，将有碍航可能，其形成的涌浪对通航条件、港航工程和船舶安全航行造成极为不利的影响。2002 年，国务院批准了《三峡库区地质灾害防治总体规划》。截止 2011 年 1 月重庆市三峡库区三期地质灾害防治工作已基本完成，四期地质灾害防治工作目前已经在做前期工作，拟在四期地质灾害防治工作期间实施水位频繁变化下滑坡涌浪影响下的航道及港口相关工程。从依托工程的施工进度计划来看，工程进度与本项目科研进度是紧密配合的，依托工程可以为本项目研究采集相关数据资料并进行现场测试，研究成果可及时地指导整治工程和港口工程建设，同时根据依托工程的效果观测资料进行研究成果的检验，总结存在的问题，提出改进方法。总的来说，本项目研究与依托工程的进度是吻合的，通过实际工程的运用，与研究成果互相对比，既能达到研究目标，又能为依托工程提供技术支撑。

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第二章 概化模型试验设计及试验内容

 

2.1 模型比尺的确定

长江三峡库区万州港江南沱口集装箱码头段，上起航道里程 336km，下至航道里程 330km，长约 6km。三峡库区常年水位为 145m、155m、175m，依托工程库区段河床平均高程为 93.2m。本试验滑坡位于长江左岸。由于场地及经费的限制，也考虑到试验的方便性及操作性，选取模型比尺为 70 比较理想，可得：

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2.2 滑坡涌浪试验控制参数的确定及方案的设计

在滑坡体滑入水体后，固体与液体就会产生能量的交换，滑体的能量传给水体产生涌浪。在此过程中影响能量交换的因素包括滑体体积、滑体密度、下滑角度、滑体结构、库区水深、滑体与水面位置等。在滑坡体下滑过程中，滑坡体与水体接触开始，滑坡体不断把势能传递给水体，水体根据得到能量的多少和得到能量的快慢会产生形态、周期、波高不同的涌浪，涌浪的衰减与产生的爬高也会不一样。滑体体积与滑体能量密切相关，长、宽、高是决定体积的三个因素，根据滑坡的大量资料，统计分析后发现滑坡体宽厚比有一定的规律，考虑到试验操作的方便性和试验条件的限制，选取三组不同的滑体宽度值和滑体厚度值，把滑坡体的长定为 1m，具体尺寸的选取如表 2-1。滑坡体结构不是单一的，在滑体内部存在不同大小的裂隙，内部由多种不同结构面构成，在结构面之间存在裂隙，所以岩体结构是散体化的，根据裂隙大小、排列、组合程度不同，散体化程度不同。因此，在试验模型中滑坡体不能是单一的整块，这样与滑坡散体、散落、分裂情况不符，为了更好的模拟出滑坡，必须把滑坡体散体化。在操作中，制作出 5 种小块体，体积从小到大依次编号是：V1、V2、V3、V4、V5，长宽厚之比都为：1:0.667:0.333，然后由这 5 种小块体进行不同的排列和组合，具体的小块体及组合排列见下表 2-2。

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第三章 凹岸岩体滑坡涌浪特性....22

3.1 滑坡涌浪特征.........22

3.1.1 初始涌浪特征.........22

3.1.2 沿程涌浪的特征.....27

3.2 滑坡初始涌浪首浪高度分析.....30

3.3 滑坡涌浪的传播及衰减规律.....38

3.4 滑坡涌浪的爬高分析研究.........45

3.5 小结.....53

第四章 弯曲河道水库凹岸、凸岸滑坡涌浪特性对比研究.........55

4.1 凹、凸岸滑坡涌浪试验模型布置对比.........55

4.2 凹、凸异岸滑坡涌浪试验涌浪的特性对比...........57

4.2.1 初始涌浪波浪特征对比。.........57

4.2.2 沿程涌浪波浪特征对比.............60

4.2.3 初始涌浪首浪高度对比.............65

4.3 凹、凸岸滑坡涌浪传播及衰减规律对比.....70

4.4 凹、凸岸滑坡涌浪试验爬高对比.......74

4.5 小结.....80

第五章 总结及展望....82

5.1 主要成果.......82

5.2 后续展望.......83

 

第四章 弯曲河道水库凹、凸异岸滑坡涌浪特性对比研究

 

在以上章节中，滑坡体从凹岸下滑，研究了凹岸滑坡涌浪的特性。重庆交通大学研究课题小组已对凸岸滑坡涌浪特性[46]进行过研究，本章就是将已研究过的凸岸滑坡涌浪特性与本章凹岸滑坡涌浪特性进行对比，通过对比分析找出凹凸岸涌浪特性的异同，使弯曲河道型水库滑坡涌浪特性研究更加完善，对以后滑坡涌浪的设计、计算起到一定的参考作用。

 

4.1 凹、凸岸滑坡涌浪试验模型布置对比

在凹岸、凸岸滑坡模型设计、测点布置、数据测量等方面存在相同与不同之处，本节从各方面进行对比。（1）模型比尺凹凸岸滑坡中几何比尺都为70l? ?，由几何比尺可以算出滑坡体面积、体积、比重、速度、时间、质量、力的比尺；波浪的高度、周期、速度、波长等的比尺。（2）影响因素凹凸岸滑坡中具有相同的影响因素，具体如下：滑体宽度，根据发生的滑坡资料的搜集与统计分析，为了试验的操作性和方便性选取宽度为三种：0.5m、1.0m、1.5m。滑体厚度，根据发生的滑坡资料的搜集与统计分析，把滑坡体的厚度选取三种：0.2m、0.4m、0.6m。滑体长度，为了试验的可操控性把滑坡体的长度都统一为 1m。库区水深，在三峡库区，常年的水位高程有三种：145m、155m、175m，河床水位高程取平均值 93.2m，根据几何比尺70l? ?可以算出模型中分别对应水深为：0.74m、0.88m、1.16m。

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结论

 

在对三峡库区滑坡资料的搜集、统计、分析的基础上，把三峡库区万州港江南沱口集装箱码头段作为依托工程，对库区凹岸滑坡涌浪进行实验室模拟，运用物理模型试验和理论分析相结合的技术手段分别对初始涌浪、沿程涌浪、涌浪的衰减、爬高等涌浪特性进行研究，拟合出相应的经验计算公式。然后将凹岸滑坡涌浪特性与凸岸滑坡涌浪特性对比，找出凹、凸两岸涌浪特性的异同。在本文中取得的主要研究成果有：

（1）以三峡库区万州港江南沱口集装箱码头段为依托工程，通过资料的搜集、统计、分析，归纳总结已发生滑坡的特征，将模型比尺确定为 1：70，将库区水深、滑体厚度、滑体宽度、滑体下滑角度确定为滑坡涌浪的控制参数，设计了 81 组试验工况。

（2）初始涌浪是振荡波和推移波合成的复杂波。初始涌浪的最大波高出现在第一个波；用跨零点法推分析模型的波高最大值在 2.33-14.73cm 之间、平均值8.44cm，周期最大值在 0.3-7.76s 之间，平均值为 1.56s。

（3）沿程涌浪包括原始波和合成波，传播中不断的发生反射叠加与衰减。经过分析把水库模型区域分成四个部分：直道区域、弯道区域、过弯道区域和直道远端区域。每个区域内涌浪最大波高都出现在第二个或第三个波上，都不是出现在第一个波上。简单揭示了沿程涌浪传播规律。

（4）分析首浪高度影响因素时，得出各因素对首浪高度的影响力由大到小依次为：滑体宽度，下滑角度，滑体厚度，库区水深。通过控制参数的无量纲化和多元回归分析，给出了不同区域内首浪高度的经验计算公式。

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参考文献(略)

 

 

第 1 章  绪论

 

1.1 配电网系统的组成及特点

配电网系统直接为广大用户提供电能，主要由变电站、配电柜、开关柜、断路器、各类馈线等电力设备组成。按电压级别不同，配电网系统又分为高压系统、中压系统、低压系统，它们的电压级别一般在110KV以下，由于配电网直接与广大用户连接，所以它的稳定性、安全性、经济性及供电质量对广大民众产生巨大影响。随着国民经济的不断提高，人民的物质需求也不断提高，从而对电能生产者也提出更高要求，因此，配电网的配电质量在电力系统中显示出日趋重要的地位[1]。 配电网与输电网在设备参数、布局、负荷或电源类型等方面都有很大的差别。配电网的主要特点如下： (1)配电网常采用闭环方式设计，而以开环方式运行，以提高整个系统可靠性； (2)配电网设备种类较多，并且各个设备间有大批分段开关或联络开关，因此结构非常复杂； (3)配电网送电线路不但长而且岔路较多，因此在每个用户端大多情况运行电压偏低，并且线路耗损巨大； (4)配电网的负荷时而接入，时而断开，极不稳定，再加上各类小型电源、大型负载的分散接入，这种不确定因素的随机波动对供电质量造成很大影响而且无法避免。 在大量配电系统优化运行方法中，配电网重构脱颖而出，显示出其巨大的优越性。由于它在不需要大量硬件投资条件下，能够极大地提高整个系统的可靠性、经济性。

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1.2 课题研究意义

配电网重构即在保证供电可靠性、配电网开环运行、电压损耗要求、各支路容量约束等的条件下，改变系统中某些分段开关和联络开关的开合状态，从而调整了整个配电网结构，影响各个支路的潮流分布，以达到改善电压波形，均衡各节点负荷，最终降低整个网络运行损耗的目的，得到整个系统的最优运行开关组合方案。配电网重构在配电系统优化运行中的几个重要表现形式[2]：配电系统是整个电力系统重要组成部分，而配电网线路损耗在某些地区占整个系统损耗比例的50%~70%，所以减小配电线路上的有功损耗，提高配电网运行的经济性。配电网馈线数目多且负荷不确定地随机波动，各个节点上负荷分布有时可能极不均匀，某些节点过载，某些节点轻载，造成某些线路上设备损坏，从而引起大面积停电影响生产、生活。利用配电网重构对各节点负荷进行调节，消除线路过载情况，减小各用户端电压降低，改善电能质量。 

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第 2 章  配电网重构的基础知识 

 

配电网络由许多的辐射状馈线构成，它的根节点与输电网直接连接，网络重构过程中将根节点看作整个配电网的电源端。配电网一般采用闭环方式设计，而以开环方式运行，整体结构相对简单，但馈线数目巨大，所接入各类电力设备数量大，种类繁多。为了进行配电网重构，首先需要分析网络结构，确定拓扑状态，以便进行潮流计算；其次需选择配电网潮流计算的方式及静态重构的算法，以便进行静态重构并且在此基础上研究动态重构。 

 

2.1 配电网的拓扑结构分析

本文在研究静态重构时以网络损耗量最小为目标函数，研究动态重构时以整个时间段内运行费用最低为目标函数，探究配电网改变网络结构对整个网络损耗或运行费用的影响。整个重构过程中，不同的网络结构造成网络损耗量和开关动作次数不同，进而运行费用相差较大。因此，必须确定网络的开关状态，即通过对网络拓扑分析建立其数学模型。通过这个数学模型存储配电网的节点、支路信息，同时反映网络的运行结构，如此使得重构时仿真计算更方便。由于拓扑分析可以很方便得到网络结构，而且不同的拓扑分析方法直接影响重构计算的实时性，所以它是整个重构过程中的关键环节之一。

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2.2 配电网潮流计算

配电网与输电网对比，发现其支路繁多，节点数目巨大，负荷类型各异，结构庞大。由于其自身特点，使得广泛应用于输电网的传统潮流计算方法不能直接用于配电网的潮流计算。配电网自身特点简要如下： (1)配电网线路电阻与电感比值相对不大，因此无法对牛顿法进行解耦。然而大多数配电网线路都有此特点，即便把传统潮流算法改进，结果仍然不能有效解决此问题[45]。 (2)配电网由于自身特点，易发生短路或断线故障，三相负荷随机波动不均衡，造成三相无法对称。而传统潮流算法不能很好解决不对称问题。 (3)配电网节点多，支路杂，岔路多，运用传统潮流算法时计算量太大，实时性较差。如上所述，传统潮流算法无法直接在配电网潮流计算中应用，由于现实的需求，如今专用于配电网潮流计算的算法应运而生，大致可以分为三类：第一类称为母线类算法[4 6]，主要包括母线功率算法[ 46]、母线电流算法[46]、支路电流算法[46]和支路功率算法[46 ]等等；第二类称为支路类算法[47]，主要包括前推回代算法[48-50]、相分量算法[4 8 -50]等等；第三类称为改进牛顿类算法，主要包括改进高斯算法[51]、改进PQ算法[52]、改进牛顿算法[ 5 3 ]等等。

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第 3 章  采用群搜索算法进行配电网静态重构 ........ 20 

3.1 配电网静态重构的数学模型 ........ 20

3.2 配电网静态重构的算法实现 ........ 20 

3.2.1 发现者局部寻优 .......... 20 

3.2.2 加入者追随搜索 .......... 21 

3.2.3 游弋者随机搜索 .......... 21 

3.2.4 算法步骤 ...... 22 

3.3 开关编码方式 ....... 23 

3.4 算例仿真 ....... 24 

3.5 本章小结 ....... 26 

第 4 章  采用群搜索算法的配电网动态重构 .... 27 

4.1 配电网动态重构复杂性分析 ........ 27 

4.2 配电网动态重构的整体求解思路 ......... 27 

4.3 配电网动态重构的数学模型 ........ 28 

4.4 配电网动态重构的算法实现过程 ......... 29 

4.4.1 动态重构区间的确定 ........... 29 

4.4.2 开关约束处理 ...... 31 

4.5 算法实现 ....... 31 

4.6 算例仿真 ....... 32

4.7 本章小结 ....... 35   

 

第 4 章  采用群搜索算法的配电网动态重构 

 

4.1 配电网动态重构复杂性分析

配电网动态重构的复杂性主要表现在三方面：第一，在整个时段上几次动态重构区间如何划分的复杂性；第二，在整个时段上几次重构方案不仅要受到单个开关动作次数的约束还要受到总的开关动作次数约束，即多重开关约束处理的复杂性；第三，在整个时段上如何把区间划分和多重开关约束处理有机结合起来，最终达到在整个时段上的既定目标函数最优的复杂性。这三方面特性具体分析如下： (1)重构区间划分的复杂性。由第 3章的静态重构过程可知，当负荷恒定不变或在某个时刻点情况下，我们可以求解出整个网络的最优结构，然而动态重构过程中，负荷不断随机波动变化，不可能求解出满足各个时刻点的最优结构，但可以把某个负荷波动较小时段近似静态重构，即在这个时段上既定目标函数最优，以此类推，就可以把大时段分为小区间进行重构寻优。现实中，重构次数受到限制，而且上个区间的最优结构不一定适合下个区间，这就需要在每个区间上寻求一组较优结构，各个区间相互配合，给最终在整个时段上寻优提供寻优空间，从而在这个空间中搜索整个时段上既定目标函数的最优组合方案。因此重构区间应经过两次划分来确定。 (2)多重开关约束处理的复杂性。动态重构需要进行多次开关倒闸操作，而单个开关一定时间内动作次数过多，其寿命直线下降，总开关动作次数过多，系统稳定性下降，实际电网运行中，单个开关和总开关次数都有一定限制，超过限定值可能得不偿失。因此，本文把开关动作次数约束作为目标函数的约束条件并且把开关倒闸一次折算成相应费用放入目标函数中。 (3)两者有机结合的复杂性。确定重构区间后，在各个区间内选择的重构方案不仅需要考虑开关约束，还需要各个重构间相互配合。这就需要把两者结合起来同时考虑，在满足开关约束前提下，以达到既定目标在整个时段上最优。本文同时把阶梯式电价加入目标函数，以求此所提方案的实用性更强。

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总结 

 

本文通过对配电网重构的国内外现状和必要性进行深入分析，采用群搜索算法对配电网进行静态重构，并再此基础上提出一种不依赖于负荷预测曲线的配电网动态重构策略，通过配电网标准算例验证了其的可行性。主要工作有以下几个方面：

(1)配电网重构问题分析、探究。本文在绪论中详细分析了配电网的组成、结构特点及配电网重构的必要性，同时指出配电网重构的实质和深入研究分析了目前配电网重构的分类及相应的各类算法的优缺点。在第二章中结合配电网自身结构特点选择潮流计算方法和静态重构算法，首先全面分析了配电网馈线结构、运行方式、拓扑结构，通过分析比对选择前推回代算法作为本文潮流计算方法；其次，详细介绍了群搜索算法的原理、特点、数学模型、寻优流程等，结合其它算法的优点，对群搜索算法进行多方面改进及研究。最后，分析了动态重构和静态重构各自特点，明确两者的定义及差别和联系。这些基础工作为配电网的静态和动态重构打下坚实基础。 

(2)配电网静态重构。基于前面的基础工作，本文首先构造了以有功网络损耗最小的配电网静态重构数学模型，并对支路电流、容量和节点电压设置了不等约束条件，以保证配电网优质、经济运行；其次，对群搜索算法的寻优步骤及具体用于配电网重构中的寻优流程详加说明；最后，分别对规模相差成倍的两个标准算例进行基于群搜索算法的静态重构，并且把重构前后结果与参考文献结果对比，证明所提方法对配电网降低线路损耗，提高节点电压有显著作用。在静态重构强力支撑下，把所提方法进一步运用于配电网动态重构中。

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参考文献(略)  

 

 

第1章 绪论  

 

1.1 研究背景

随着现今电力电子产品日益增多，电力终端用户对电能质量的要求也随之提高，但是接入电网的用电负荷种类繁多，电力系统结构日益复杂，所以提高电能质量成为输配电领域长期的论题。保持用户电压恒定是优质电能质量的要求，但是随着电力变压器、交流电抗器以及交流电动机等大量感性用电负荷接入电网，当这些感性电力负载启动时将会从电网中吸收大量无功功率，导致电网输出电压波动，产生谐波[1-6]等问题。 电力电子装置以及冲击性无功负载（轧钢机、异步电机）都需要从电网中吸收大量的无功功率，大量无功电流的流动会使得输电线路产生较大的压降。如果没有适当的无功补偿措施，会导致电网电压波动，影响系统稳定。 电力电子装置产生谐波危害，谐波影响到电力系统和用电设备的正常运行，使得用电设备遭受到额外的谐波损耗，不仅减少用电设备的使用寿命，还会降低其工作效率进而影响到电力系统输配电效率；谐波危害还包括使得电机、变压器等重要电气设备噪声过大、机械振动增强、机体过热以及电容器和电缆等元件的绝缘性能降低等问题；此外谐波还会引起电力网络中的串联谐振、并联谐振现象[7-8]，从而放大谐波的危害，严重影响到电力系统的稳定性。总体概括，无功功率补偿装置的作用体现在以下几个方面：（1）提高电力系统网络和接入电力网络的用电负荷的功率因数，减少无功功率在网侧与负载之间的传递，以此降低用电设备额定容量；（2）稳定电网输出电压，减少用电终端的电压跳动，提高供电质量；（3）使三相的有功功率和无功功率负载平衡，由于无功功率补偿装置可以对负载电信号中的负序电流分量进行补偿，且配合合理的绕线形式隔断零序电流的通路，以此达到平衡用功功率和无功功率负载的效果[9-11]。 而无功补偿装置基本原理是通过把容性设备和感性负载并联使用，是的无功功率的传递转换大多发生在这两种负载的通路之间，达到减少无功功率经过电网传递的频率。  图 1.1 阐释了容性设备对感性负载进行无功补偿的原理和过程。 

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1.2 研究现状

在电压源型 STATCOM 的拓扑结构中，目前常见的 STATCOM 的拓扑结构式是多电平电压源型的逆变器。若无功补偿装置为电压源型逆变器，则需要在并入电网前各相的出线串接电感；获得多电平可以通过不同的拓扑结构，且每种拓扑结构都有其对应的调制方式，使得逆变器输出量达到或者近似达到指令值。 在中高压大功率的系统中利用 6 组功率开关器件，且每个功率开关器件反并联二极管后组成的逆变器电路，即为两电平逆变器，如图 1.5 所示。现代静止无功补偿器的逆变器电路中，采用大功率开关器件（IGBT，GTO）当做桥臂通断开关，以此满足电力系统大功率的要求。但是 IGBT 器件没有很高的耐压等级，且 IGBT是高速器件难以控制其串联使用，同时为减少两电平电路中因较高的 du/dt 而导致波形的畸变，1980 年日本长岗科技大学在 IAS 年会上提出了三电平逆变器的理念，此后多电平逆变器大量投入到电力系统中。H 桥级联型逆变电路、中点钳位型（NPC）逆变电路和飞跨电容型逆变电路都典型的三电平逆变器结构，此后演变得到的混合级联型结构也是常见的拓扑。  

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第 2 章  FFSVM 调制法在级联 STATCOM 中的应用 

 

2.1 FFSVM 算法介绍 

H 桥级联型静止无功补偿器（STATCOM），能够以耐压值较低的高频功率开关器件满足大中型电压网络的需求。然而级联各单元直流侧电压不平衡会导致输出电压的畸变，产生注入电力网络的谐波，因而成为级联型 STATCOM 工程中的一个重难点。 早期解决直流电压不平衡的一种方法是采用外加硬件电路。该方法虽然不增加控制复杂性，但是其附加电路及其控制电路会导致装置体积增大和成本增加。从控制角度出发解决直流电压不平衡问题的方法有交换触发脉冲平衡级联模块导通时间，以及改变 H 桥模块移相法控制法[31]，但前者不适用于多 H 桥模块拓扑结构，后者计算复杂且调整效果不明显。近年来研究较多的直流侧电容电压三级平衡控制法[32-33]也是一类常见的控制策略，又分为两种方法：其一是基于正序、负序电流的分离解耦控制的通用型三级直流母线均压控制方法，但其运算过程较为复杂，且零序电压会对直流母线电压造成影响；第二种方法在三级控制策略的每个阶段中分别加上比例谐振环节、自抗扰控制器以及移动各个功率单元调制波的环节。功率均衡控制策略[34]和 STATCOM 能量变换分析法[35]也是常被采用的控制策略。文献[36]提出一种单相单个电压平衡策略（IVBS）,该方法基于瞬时理论，结合 d-q 轴变换，计算过程简单，达到在只改变 d 轴有功分量的前提下，各单元无功分量稳定的目的，但是该方法在每个单元前都加上了直流母线电压控制器，使得控制器结构复杂。这些方法都是将直流电压均衡的控制目标附加到系统控制算法之中，因此会增加系统控制算法复杂度。 H 桥级联型 STATCOM 常常采用简单易行的基于载波的调制方法（包括载波移相调制法（PS-PWM）、载波移幅调制法（LS-PWM）[37-39]以及多电平空间矢量调制法（SVM）[40],但是它们都以直流电压平衡为假设条件。当直流电压明显不平衡或者出现波动时，它们的输出波形质量会明显下降。为此，出现了在这些基本调制方法中引入直流电压前馈以改善输出波形直流的做法。文献[41]将直流电压前馈引入 PS-PWM 和 LS-PWM 的调制中，直接调节载波以消除逆变器输出电压中的二倍频分量。文献[42]在三电平中点钳位型逆变器中，采用中性点直流电压前馈调制法，削弱中性点电压纹波对输出电压的影响，获得无畸变的输出电压波形。

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2.2  与其它算法的比较 

阶梯波脉冲宽度调制策略、特定次谐波消除调制调制、传统多电平空间电压矢量调制策略、载波移相脉冲宽度调制策略等，都是常用于多电平大功率换流器拓扑结构中的调制策略。常规空间矢量调制策略运用在 H 桥级联型多电平逆变器结构中时，因为逆变器中单个 H 桥模块输出的相电压为三电平，所以每个 H 桥单元可以提供 4 种不同的开关状态量进行组合。由于每相拥有 4 个开关状态量，则 H桥级联型三电平逆变器总共有 64（43=64）种开关状态量。若逆变器各相的输出电压分别为 Ua、Ub、Uc，根据公式（2-3）可得到在传统坐标系下的空间矢量分布图，如图 2.6 所示，且三电平级联型 H 桥逆变器所有的 64 个开关状态量，对应与空间矢量分布图中的 19 个电压矢量[43-44]。其中把位于内部中心六边形各顶点的矢量定义为小矢量，把位于外部的六边形各顶点的矢量定义为大矢量，把位于相邻两个大矢量中点的矢量定义为中矢量，位于空间矢量分布图正中心的称为零矢量。由于自身具有数量较多的开关状态量所对应的电压矢量，所以在单元直流电压均衡调制阶段的时序较长、段数较多，且还要考虑零矢量与小矢量所对应的开关状态量，以及中矢量和大矢量所对应的开关状态量对三相逆变器直流电压的影响，增大了调制算法过程复杂程度。 

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第 3 章  FFSVM 在三相两单元拓扑中的应用 ......... 33 

3.1  调制算法说明.......... 34 

3.2  仿真过程与模型搭建 ....... 34 

第 4 章  仿真结果验证........... 38 

4.1 FFSVM 对直流电压不平衡的抑制能力 ..... 38 

4.2  输出波形质量比较 ........... 40 

4.2.1  直流电压不平衡的情况 .......... 40 

4.2.2  直流电压平衡情况 ......... 41 

4.3  三相两单元 H 桥级联型仿真验证 .... 42 

4.3.1  逆变器输出电压波形及分析 ........... 44 

4.3.2 FFSVM 对直流电压不平衡的抑制能力 ............ 49 

第 5 章  结论 ........ 56 

 

第 4 章  仿真结果验证 

 

为了验证带有直流电压前馈的空间矢量调制算法（FFSVM）对单元直流电压不平衡的适用性及其控制直流电压收敛的有效性，本文按照图 2.2 所示的单相 220V两单元级联的 STATCOM 并网系统，在 Matlab/Simulink 中建立仿真模型，并与相移脉冲宽度调制法（PS-PWM）对比。两种调制方法的仿真其系统控制方法一致，只是所采用的调制方法不同。  

 

4.1 FFSVM 对直流电压不平衡的抑制能力 

首先，在两个单元直流电压初始值、直流侧等效负载电阻值均不同的条件下，将 FFSVM 与 PS-PWM 两种调制方法对比。FFSVM 的仿真控制框图如图 4.1 所示。 仿真参数如见表 4.1，FFSVM 与 PS-PWM 的仿真结果分别如图 4.2、4.3 所示。单元一的直流电压初值与直流侧电阻值均高于单元二。仿真过程中的前 0.05s只有电网电压前馈和电感电流反馈投入，总的直流电压 PI 控制在 0.05s 时开始投入，其作用是控制单元直流电压平均值为 170V 的指令值。无功电流指令在 0.15s加入到系统电流参考值中。图 4.2（a）和图 4.3（a）的输出电压、电流波形显示了这个仿真过程，图 4.2（b）和图 4.3（b）分别给出了采用 FFSVM 策略和 PS-PWM的两个单元的直流电压波形。在前 0.05s，图 4.2（b）中两个单元的直流电压差由初始的 10V 减小到了 7V，而图 4.3（b）中两个单元的直流电压差则增大到了 12V。从 0.05s 开始，在 PI 控制使得直流电压平均值达到指令值 170V 的过程中，图 4.2（b）中两个单元的直流电压差值迅速缩小直至基本一致，并且在 0.15s 开始输出无功电流之后仍然保持了一致；而图 4.3（b）中两个单元的直流电压差距一直较大，并且呈现逐渐发散的趋势，这是由于 PS-PWM 方法本身不具有抑制直流电压不平衡的能力，并且两个单元的直流侧阻抗也不同。可见 FFSVM 具有明确的抑制直流电压不平衡的作用。  

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结论 

 

本文针对级联 STATCOM 所存在的直流电压均衡控制的问题，以一个单相两单元级联的 STATCOM 为例，描述了前馈空间矢量调制（FFSVM）法的算法及其抑制直流电压不平衡的方法。这种方法以实时检测的各单元直流电压和输出电流的方向为依据，能够在直流电压不平衡的情况下获得高质量的输出电压波形，同时利用各单元输出电流串联的结构特点控制单元直流电压的平衡，可以应用于级联型 STATCOM。 利用级联 H 桥型单相两单元 STATCOM 系统，通过在直流电压初始值和直流侧等效负载都不均衡的条件下，进行 FFSVM 和 PS-PWM 两种调制模式的仿真。结果表明，与 PS-PWM 调制策略相比较，FFSVM 策略不仅具有在直流电压不均衡的环境中，使得逆变器输出优质电压波形、电压波形畸变率(THD)小的能力，同时还具有平衡相内单元直流电压的能力，表现出 FFSVM 调制策略对于直流电压不平衡的 H 桥级联 STATCOM 系统的适应性。 在级联 H 桥型三相两单元 STATCOM 系统中，同样采用 FFSVM 和 PS-PWM两种控制策略进行比较，结果表明对于三相系统，FFSVM 调制策略依旧可以很好地适应单元直流电压不均衡的环境，且能够收敛各单元直流电压不平衡的趋势，但是逆变器输出电压波形谐波畸变率（THD）较 PS-PWM 略高，且随着无功电流指令值的增加，谐波畸变率下降程度微小；PS-PWM 调制策略运用于三相系统中时具有使得逆变器输出电压谐波畸变率低的特点，然而无法自动使得单元直流电压收敛到一致，必须额外增加针对直流电压均衡的控制。这将使得控制系统变得更复杂。 利用FFSVM控制策略可以很好地适应级联型STATCOM直流电压不平衡的情况，在有一定的输出电流时，可以使得单元直流电压的差值快速收敛，并能使逆变器输出较为良好的波形。

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参考文献(略) 

 

 

第一章绪论 

 

1.1 研究的目的及意义 

水资源可持续利用是实现人类社会可持续发展的基本条件。人类对水资源的需求量正随着社会发展、人口增长等因素增加，可利用水资源却因严重的水污染等而渐渐减少，加之人们对水资源是取之不尽的错误认识造成的水资源浪费，引发出水资源中世界范围的战略性问题——供需矛盾(刘昌明  2002;  刘昌明和王红瑞  2003)，也是当今世界最受关注的焦点问题之一。 我国淡水资源总量居世界第六位，但人均占有量较低。我国农业、生活、工业用水量正因人口增长、社会经济发展、工业规模及农业规模扩大等因素日益增加，导致水资源的开发利用程度和水资源的保护压力愈来愈大 (贾绍凤等  2004;  闵庆文  2004;  杨全明等  2005)，加上近年水体污染的进一步恶化，使得水资源可利用量越来越少，导致许多地区出现缺水和断水的现象，水资源问题越来越突出。中国科学院预测我国人均水资源量在本世纪 30 年代将因人口增长至 15 亿左右而减少至 1800 m3，届时，水资源供需端的矛盾会更加突出。 泾惠渠灌区作为陕西省的大型灌区，为陕西经济的腾飞作出了巨大的贡献，被誉为关中“白菜心”。其灌溉历史悠久，农业生产水平较高，粮食平均产量保持在 760kg 左右，虽然耕地面积仅占全省耕地面积的 2.5%，但粮食总产量却占全省粮食总产量的 5.8%。 泾惠渠灌区由泾河张家山自流引水，泾河是其主要水源。泾河属雨洪式多泥沙河流，其径流时空分布不均匀，丰枯变差大，汛期主要补给是降水，河水含沙量大，枯水期河水含沙量小，主要补给是地下水，在 7~9 月的夏灌期，大流量、高含沙同步出现。灌区的地下水主要是埋深在 10 m~30 m 之间、矿化度在 1~3 g/L 之间的潜水，其 PH 值 7.8，且绝大部分（80%）是重碳酸盐水，适作农业灌溉用水(刘平平  2014)。近年，渠首引水量逐年减少，主要原因如下：近年泾河年径流量总体减少了；泾河来水的含沙量高，利用率很低；泾河来水时段跟灌区农作物需水时段不同步，加之灌区渠首枢纽调蓄能力低，导致泾河径流大量。这样使得灌区地表水资源满足不了灌区农业需水，加上灌区生活用水户和工业用水户均存在一定程度的缺水，致使灌区地下水严重超采，由此可见灌区供需矛盾问题之尖锐。

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1.2  国内外研究进展

随着人类社会的发展，水资源需求量越来越大，水资源可利用量却因人为的污染等因素越来越少，加之人们居住位置与水资源分布的不相称，需求量大的地区淡水资源少，使得各地水资源供需矛盾问题很是尖锐，制约着当地社会经济的发展，是全世界共同存在的问题。 联合国从 20 世纪 80 年代到现在，多次在水资源大会指出水资源危机的情形以警醒全世界(冯宝平等  2006)，国际水与环境会议于 1992 年 1 月在柏林召开，会议中强调了水对于环境与发展的重要性，明确了处理好水问题是 21 世纪的发展的关键(Gotot  and WTD  1989)。马哈茂德阿布扎依德（世界水文理事会主席）曾预测全世界 66 个国家在2050 年的缺水状况将达到严重缺水，这些国家的人口总量占了全世界的 2/3(何希吾 1998)。全世界 21 世纪的发展“一看人，二看水”的观点也多次被一些专家提出，由此可见，左右 21 世纪可持续发展的重要因素之一就是能否实现水资源可持续利用(Juanico M and Friedler E 1998;  吕宏兴等  2002)。为之，联合国于年起，将每年的月日定为“世界水日”以警醒全人类增强水的危机感，增强珍惜、爱护及合理开发利用水资源的意识(Ssthi L Net al. 2006)。因此，切实并及时地解决好各地水资源供需矛盾，实属刻不容缓(Kanarek A and Michail M 1996)。 世界各国及很多学者为缓解世界水资源紧张的情势做了很多关于水资源的研究，并根据当地情形提出了一定的缓解对策(武春莉  2012)。Jardor（2004）等研究了城市水资源的承载力，并指出城市的发展规划应考虑城市水资源的承载力，此研究只是从供水角度；Harris（2007）将农业生产区域水资源作为衡量区域发展潜力的一项标准，对其进行了一定深度的研究。(托娅  2006)。法国、加拿大、美国等国家把水资源的管理纳入法制轨道，建立了完备的取水许可或水权登记制度(Gleiek P H 2003)。以色列建国初期就制定了一系列水资源相关法。实行地下水和地表水的联合调度、统一分配及开发利用水资源必须经过政府批准的取水许可证制度(武春莉  2012)。约旦政府采取了开源、节流和保护水资源的政策以解决当地水资源严重短缺的困难。为了利用冬季降水修建水库、拦洪坝，大力调整农业结构，以低耗水作物为主，大力发展节水灌溉，灌溉用水尽量使用低质水、河水及库水(肖淮仁  2012)。在植树造林方面选用耐旱的低耗水树种(李广贺 2002)。 

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第二章泾惠渠灌区水资源开发利用现状 

 

2.1  基本概况

泾惠渠灌区北接渭北黄土台塬，南、东、西分别以渭河、石川河、泾河为界，处于关中平原中部，为一较完整的水文地质单元，清峪河位于灌区北部，呈东西流向。灌区总面积 13.13 万 hm2，东西长约 70km，南北宽约 20km，设施灌溉面积 9.69 万 hm2，有效灌溉面积 8.79 万 hm2。辖渭南、西安、咸阳 3 市的阎良、富平、高陵、临潼、泾阳和三原 6 县（区）（图 2-1），有 626 个行政村，48 个乡（镇）。灌区海拔高程处于 350 m~450 m 之间，地面坡降 1/300~1/600，由西北向东南倾斜，地面和地下径流排泄条件好。泾惠渠灌区位于关中地堑的北部口镇一关山断层分界线南侧，固市凹陷、泾阳~三原断裂、咸渭断裂分别为灌区由南向北的地质构造单元，新生代以来强烈沉降使得灌区内沉积了巨厚的第四纪松散沉积物。受地质构造控制，灌区在地貌上形成了泾渭河冲积阶地和一、二级黄土台塬。其中泾渭河冲积阶地可划分为泾渭河河漫滩、一级、二级、三级阶地，其中二级阶地的面积占了绝大部分；一、二级黄土台原海拔高程分别在 380~450m、450m，分别分布在径阳~三原一线以北、清峪河以南和清峪河以北。灌区的西北及北部边缘分布有黄土台塬、洪积扇。 

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2.2 地表水利用现状 

泾惠渠灌区地表水源来源于渠首自流引水，自 1995 年至 2010 年 16 年泾惠渠灌区渠首平均实引水总量 3.41 亿 m3，整体呈现出上升趋势，1995~2000 年平均实引水量 3.09亿 m3，2001~2005 年平均实引水量 3.46 亿 m32006~2010 年平均实引水量 3.74 亿 m3。50%、75%保证率下现状水平年内需水量较大的月份均为 1 月、4~8月份和 12 月份；2020 年产业结构，农作物的种植比例相对于 2010 年有所调整，由图3-4 可知，不同保证率下规划水平年内需水量较大的月份与 2010 年一致，也分布在 1月、4~8 月份和 12 月份，但现状水平年，年内最大需水月份在 6 月，而规划水平年内最大需水月份在 12 月。 

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第三章 泾惠渠灌区供需水预测及供需平衡分析 ..... 16 

3.1  代表年及水平年 ..... 16 

3.2  需水量预测方法 ..... 16 

3.3  需水预测结果 ......... 17

3.4  可供水量预测 ......... 24 

3.4.1  供水原则及顺序 ....... 24 

3.4.2  可供水量分析 ........... 24 

3.5  供需水平衡分析 ..... 25

3.6  本章小节 ........ 27 

第四章 泾惠渠灌区供水风险评价模型 ...... 28 

4.1  风险的定义及特征 .......... 28 

4.2  供水风险分析及其指标的选取 ........ 28

4.3  供水风险综合评价模型 ........... 31 

4.4  灌区供水风险综合评价模型 ............ 32

4.5  本章小节 ........ 34 

第五章 泾惠渠灌区供水风险分析 ...... 35 

5.1  供水风险评价指标计算结果及分析 ......... 35 

5.2  供水风险指标权重 .......... 43

5.3  供水风险评价 ......... 44 

5.4  减少供水风险对策 .......... 48

5.5  本章小节 ........ 48 

 

第五章泾惠渠灌区供水风险分析

 

5.1  供水风险评价指标计算结果及分析

参照文献（阮本清等  2005），将供水风险指标及综合评价评语等级分为 5 个级别，分别对应 5 个标准值，即高、较高、中等、较低、低，其对应的风险程度分别为灾变风险、不可接受风险、边缘风险、可以接受的风险、可以忽略的风险，见表 5-1。泾河是泾惠渠灌区地表水的主要水源，根据张家山水文站 1960~2010 年 51 年实测水文系列频率分析，分别选取 25%、30%、37.5%、40%、50%、55%、62.5%、75%、85%、95%频率的年径流量作为规划水平年（2020 年）的渠首引水量，见表 5-2。结合供需平衡章节中规划水平年各保证率下农业需水的计算结果，根据前文提及的供需平衡调节计算方法计算出在各来水条件下泾惠渠灌区在规划水平年的逐日缺水量。然后根据各指标计算公式算出各来水条件下各供水风险指标的值，见表 5-3，各指标变化趋势分别见图 5-1、5-4、5-8、5-9、5-13。 由图 5-1 可知，随着来水频率增加，渠首年径流量的减少，泾惠渠灌区农业用水户可靠性指标总体呈下降趋势，趋势线的斜率 k=1.37，下降趋势较为明显，说明泾惠渠灌区农业用水户可靠性指标受年径流量影响较大。多年均值 93.8%，说明年平均缺水天数较少，参照表 5-1 可知泾惠渠灌区农业用水户可靠性高。丰水年、平水年间的下降趋势较缓，枯水年的下降趋势较陡，说明年径流量越少，对泾惠渠灌区可靠性指标的影响越大。很显然，在频率为 75%的枯水年的可靠性较部分平水年还高。频率为 62.5%、75%来水年的灌溉月需水占灌溉年需水的比值、月径流占年径流的比值分别见图 5-2、5-3，由图可以看出两个年份年内灌溉需水主要的月份均是 1 月、4 至 8 月和 12 月.

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结论 

 

人口、资源、环境与经济协调发展是我国实现第三步战略目标的前提。区域的发展建设需以水资源条件为基础，城市规模、经济发展、人口增长都应与当地水资源的支持相协调，合理有效的利用区域水资源。 本文分别以 2010 年和 2020 年为现状年和规划年，采用定额法对灌区 50%和 75%水文年的需水量进行了预测及供需平衡分析。基于风险理论，构建了泾惠渠灌区农业用水户供水风险分析的指标体系，采用层次分析法和熵权构建供水风险综合评价模型，获得不同来水频率典型年的供水风险综合评价值，并进行供水风险评价，提出减少泾惠渠灌区农业用水户供水风险的对策，取得的成果如下： 

（1）2020 年与 2010 年相比，灌区灌溉需水量减少，占总需水量的比例下降了 7%左右；工业需水量增加，占总需水量的比例增加了 5%左右；生活需水量增加，占总需水量比例增加了 1.6%左右。 

（2）50%保证率下灌区 2010 年总需水量 45793.23 万 m3，缺水量为 0，2020 年灌区总需水量 44672.77 万 m3，缺水量为 0；75%保证率下灌区 2010 年总需水量 63372.27万 m3，缺水量 7020.27 万 m3，缺水率 11.08%，2020 年灌区总需水量 59495.77 万 m3，缺水量 5800.97 万 m3，缺水率 9.75%。 

（3）随着来水频率增加，渠首来水量减少，泾惠渠灌区农业用水户： 可靠性总体呈下降趋势，多年均值 93.8%，可靠性高，灌区农业用水户可靠性指标主要受年径流量影响，在一定程度上也受径流年内分配影响。 协调性总体呈下降趋势，但波动性较大，多年均值 67.86%，较高，受年径流量、径 流年内分配的综合影响。 弹性总体呈下降趋势，多年均值 9.05%，弹性低，说明灌区缺水时间较为集中，主要受径流年内分配的影响。 脆弱性总体呈下降趋势，多年均值为 0.55%，脆弱性低，说明灌区处于缺水状态时受到的不利影响不是很严重，受年径流量、径流年内分配综合影响。 日最大缺水率呈上升趋势，波动性较大，多年均值为 65.61%，较高，说明灌区最坏缺水情形较为严重，在丰水年份主要受径流量年内分配的影响；在平水年份主要受年径流量影响，同时径流年内分配对其也有些许影响；在枯水年份主要受年径流量的影响。 

（4）随着来水频率增加，渠首来水量减少，泾惠渠灌区农业用水户供水风险综合评价值总体呈递增趋势，最大为 72.82%，风险较高，属不可接受风险；最小为 15.39%，风险低，属可忽略风险，极值比为 4.73，变化幅度很大。

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参考文献(略) 

 

1  前言 

 

1.1 研究的目的和意义 

虽然地面灌溉是一种非常古老而又传统的田间灌溉技术，但它目前仍然是全世界，特别是广大的发展中国家采用最广泛的一种灌水方法，更是我国采用的一种最直接、最普遍的灌水方式。目前，全世界的灌溉面积中约占 90%左右的面积为地面灌溉，而我国地面灌溉的面积占总灌溉面积的比重高达 97%，其中我省比重约为 96.5%（陈雷，1999）。我国是一个农业大国，耕地面积多，人口众多，农业用水相对总量很大。充分考虑到我国水资源不足且分布不均匀、经济水平相对落后、管理技术不足的现实，我国在未来一段时间内，仍将会以传统的地面灌溉为主，而像滴灌、微喷灌等先进灌溉技术还不可能实现大面积推广和利用（李金虎，2007）。因此，我国现在关于节水灌溉技术的工作重心应在地面节水灌溉技术的研究和大力推广上，并优化改进与之配套的节水灌溉装置。鉴于我国广大灌区经济实力、管理技术水平等现状，大面积推广滴灌、微灌、微喷灌等先进节水灌溉技术还在一定程度上受到极大的限制和挑战（李强，2012；李萌，2006）。在相当长的一段时间内，地面灌溉仍是最主要的大田灌溉技术，大力的推广和应用地面节水灌溉技术势在必行，特别是渠道输配水条件下田间地面节水灌溉技术及其自动灌溉设备的研究更是当务之急（闫志国，2007；廖云等，2007）。 波涌流灌溉技术具有节水、省时、保肥、增产、水流推进速度快、灌水均匀度高等优点（费良军，1996），同时，还可以利用浑浊水或污水进行作物灌溉。特别是在我国广大的利用渠道输配水的引黄灌区中，直接利用黄河水进行灌溉，不需要净水及沉淀处理，是一种非常适合我国实际情况的节水灌溉方式（陈军，2007）。除此之外，波涌灌溉可广泛的适用小麦、玉米、棉花、马铃薯、洋葱等沟灌或畦灌的粮食作物或经济作物。 “田间管道均匀移动自动地面节水灌溉”及“波涌流自动地面节水灌溉”技术，具有明显的节水效果，提高灌水均匀度、减少甚至杜绝了深层渗漏、提高了田间土壤储水效率和水分利用效率，节水率可达 10%～40%左右（费良军，1998）。同时，可以实现自动化灌溉，降低了劳动强度，严格控制各灌水技术参数，确保了灌水质量。所以，该技术是一项应大力推广和应用的节水型灌溉方式，具有广阔的发展前景和应用空间，必将有利于实现我国的绿色节水型农业及水资源的高效利用（王春堂，2005）。 

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1.2 国内外研究现状

波涌灌溉是一种绿色地面节水灌溉新技术，它主要依据待灌畦田的长度，把连续灌水时间按照实际情况合理的分为几个有效灌水周期，每个灌水周期包括一个周期灌水时间和一个周期停水时间，间歇性地向待灌畦田的畦沟中供水，即利用几个灌水周期和几个停水周期，按一定的周期交替性地向畦沟中灌水（王春堂，2005）。波涌流灌溉包括多次周期灌水和周期停水的过程，畦田的表面会保持周期性的干燥和湿润。由于受到间歇灌水的影响，畦田表面的土壤结构会发生明显的变化，表面会形成一层致密的保护层。这层致密的保护层会阻止灌溉水的下渗，并使畦田表层的摩擦力减小，最终加快灌溉水的流速和减少深层渗漏，有助于水流快速的向畦田末端推进。通过这种灌水方式，灌溉水的入渗时间缩短，特别是畦沟首部的入渗时间缩短和入渗能力减弱，从而降低了灌溉水的入渗总量。因此，在上述“间歇灌水效应”的影响下，使畦田前段田面的受水时间在水流方向上大大减少，灌溉水深层渗漏量减少，农田灌溉水的灌水均匀度、水分利用率及灌水效果都有很大的提高，从而达到有效节水的目的（许迪，2001；王春堂，2005；陈军，2007）。波涌流灌溉在实际应用中，一般采用大流量、快推进、间断性向畦田灌水的灌水模式。与传统的连续灌溉不同，波涌灌溉的水流不是通过一次性灌到沟畦的末端，而是分多次且分段性的从畦田首端均匀的推进到畦田的末端（闫志国，2007）。当波涌流灌溉一次灌水结束后，畦田的表面会形成一层完善且致密的保护层，降低畦田的入渗率和表面粗糙率，有利于提高灌水均匀度和灌溉效果。 

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2  波涌灌溉的技术参数和最佳灌溉模式的确定 

 

2.1 波涌灌溉的特点 

大量的关于波涌流灌溉的田间灌水数据和经验表明，波涌流灌溉具有良好的节水、节能效果。其节水效果与畦田长度、耕作条件、土壤质地、灌溉季节等有关（王浩，2007）。对于灌区长度为 90m～400m 的畦田，波涌灌溉比连续灌溉节水 10%～40%左右，且随着畦田长度的增加,波涌灌溉技术的节水效果越好。一次波涌灌溉中头水的节水率比二水和三水大且节水效果好（彭立新，2001）。其中，头水的节水率为 7%～36%，而二水和三水的节水率为  5%～24%（管怀明，2001）。在一个长度为 240m 的待灌畦田中，在一定单宽流量前提下，普通连续灌溉需要 145min 才能灌完。若采用周期为 3、循环率为1/3、周期灌水时间为 26min 的波涌流灌溉，仅需 75min  就能完成全部灌溉，断面的最大流速为连续灌溉的 2.2～2.5 倍，浇地效率平均提高 21％，大大节省灌溉时间，且灌水时间和灌水定额均有降低，节水率可高达 37.9％左右（陈军，2007）。此装置利用渠道中的水作为动力，而不需要电、油、或太阳能等其它的外加动力，具有良好的节能效果。 

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2.2 波涌灌溉技术参数的确定

波涌流灌溉技术是一种新型的地面节水灌溉方法，它采用大流量、快推进、间断性的向沟（畦）放水，与传统的灌溉方式相比，波涌灌溉技术主要依据待灌地块的长度，把一次连续灌水时间划分为几个分段地供水周期，采用间歇性的灌水模式将水引入田里，使水流快速推进到畦田（沟）尾。 波涌灌溉的技术参数除了包括传统连续灌溉的畦田规格、单宽流量、放水时间等技术参数，还包括周期数、循环率、灌水周期时间、周期灌水时间、周期停水时间、净灌水时间等，这些技术参数是影响波涌流灌溉的关键因素，本课题研究的虹吸式自动波涌流灌溉装置就是基于这些技术参数完成的。 以上的六个参数是波涌流灌溉灌水过程的主要技术参数，六个控制参数中，其中三个存在关系式，只要确定了灌水周期数、净灌水时间和循环率三个参数就可求得其它相应参数。一般只需要确定波涌灌溉的净灌水时间、周期数、循环率三个参数，其余的参数即可通过相应的关系式求得。综上所述，需要确定的波涌灌溉控制参数有：畦田规格(畦长和畦宽)、单宽流量、周期数、净灌水时间和循环率。 

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3  虹吸式自动波涌流灌溉装置简介及原理 .......... 22 

3.1  设计思路 ...... 22 

3.2  设计原则 ...... 22 

3.3  结构设计 ...... 22 

3.4  工作原理 ...... 23 

3.5  波涌灌溉控制参数的调整 ..... 24 

4  虹吸式水力自控装置结构设计 ........ 25 

4.1  装置渠道宽、深的确定 ......... 25 

4.2  水车的设计 ........... 25 

4.3  稳压池设计 ........... 26 

4.4  控制池的设计(起到计时器的作用) ........ 26 

4.5  虹吸池的设计 ....... 27 

4.6  虹吸管的设计 ....... 28 

4.7  虹吸管直径的确定 ........ 29 

4.8  水车提水量的确定 ........ 30 

4.9  装置提供流量 Q出的确定 ...... 31 

4.10 该虹吸式水力自控装置所需要的地形高差最小值 .......... 31 

5  装置的室内灌水试验 ...... 33 

5.1  试验测量工具 ....... 33

5.2  室内灌水试验 ....... 36 

 

5  装置的室内灌水试验 

 

5.1 试验测量工具

本试验使用的仪器是由陕鼓西仪集团有限责任公司生产，型号为 XYLDG-DN80-105的智能电磁流量计。数值可以直接从电子屏幕中读出，最大测量流量为 120m3/h，测量值的重复性误差控制在±0.1%。仪器如下图 5-1 所示：本试验渠道中水流流速的测量采用等腰直角量水堰，如下图 5-2 所示： 水深测量的仪器是采用重庆华正水文仪器有限公司生产的智能数显水位测针，型号为 SX40-1 型，主要是测量模型内设计横断面和纵断面交点处的水深。测针的精度为0.1mm，可直接从电子显示屏中读出水深，使用方便快捷，精确度高。

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结论 

 

本课题主要通过对波涌灌溉和传统连续灌溉两种灌溉方式在不同土壤质地、畦（沟）田规格、波涌流灌水参数、灌水定额与土壤水分入渗及分布、土壤水分利用、作物产量、节水率等参数之间的对比试验的研究，然后对比分析波涌灌溉的灌水优点、对田间水分分布及水分利用特征的影响。进而构建不同土壤质地、不同畦（沟）田规格的田间波涌流灌溉最佳参数，建立波涌流地面节水灌溉质量、节水效果与畦（沟）田规格、土壤质地、灌溉参数之间的相关关系。特别是对波涌灌溉的周期数、循环率、灌水周期时间、周期灌水时间、周期停水时间、净灌水时间等控制参数的研究和分析，进一步确定在一定畦（沟）田规格、土质等情况下的波涌流灌溉的最佳灌水模式。以最佳灌水模式为基础，研发在渠灌区渠道输配水条件下，利用渠道内灌溉水作为动力能自动完成灌溉的大田虹吸管式自动波涌流地面节水灌溉装置。该装置利用水车提升水流作为动力，通过稳压池、控制池（起到计时器的作用）等部件控制虹吸管定时形成虹吸或断开虹吸，完成波涌流节水灌溉的周期供水和周期停水，实现波涌流灌溉的自动化该装置可以实现对周期数、循环率、周期灌水时间、周期停水时间、灌溉流量等各波涌流灌溉参数的任意调节。对该虹吸式水力自控装置进行一系列的室内灌水试验，对试验数据进行有效分析和装置的进一步完善，并实现对周期数、周期灌水时间、周期停水时间、循环率、灌溉流量等各波涌流灌溉参数的调节更加精确。结论主要总结如下： 1.波涌流地面节水灌溉技术具有节水、节能、保肥、增产、灌水均匀、灌水质量高的优点，并具有水流推进速度快、减少深层渗漏、降低劳动强度等特点。同时，可用浑浊水、咸水或污水直接进行灌溉，且不需要任何的净水处理。 2.该装置可直接利用水车提升水流作为动力，不需要任何外加动力，即可完成波涌流自动节水灌溉的周期灌水和周期停水。 3.通过稳压池、控制池等部件控制虹吸管定时形成虹吸或断开虹吸，可实现对周期灌水时间、周期停水时间、循环率、周期数等各波涌流灌溉参数的任意调节。  

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参考文献(略)

 

 

第一章   绪   论 

 

1.1 选题的目的和意义 

水，生命之源，润泽万物，赋予了这个世界的多姿多彩。同时，水也是一把双刃剑，所谓水少则旱，水多成涝。当前，正值经济结构转型升级之际，经济社会对水的要求越来越高，社会的飞速发展与水资源紧缺之间的矛盾日甚一日。无论在什么地区，节水和高效用水已箭在弦上。如何更加科学地开发利用水资源成为水科学中一个亟待解决的难题，引发了国内外诸多学者的研究和探讨。同时，洪水也是我国诸多地区常年挥散不去的伤痛，掌握河道水流运动规律，了解洪水暴发习性，是我们必须积极面对和努力加以解决的课题。 自然界中最常见的一种水流形式就是明渠水流，与我们的生活息息相关,天然河道、排水管道、人工渠道等这些水流都是明渠水流，明渠水流的相关水力计算也是实际工程中经常遇到的水力学和数学问题。在城市排水工程设计中对输水渠道的设计、水流模拟以及许多关乎国家经济发展与建设密切相关的工程时，人们都必须重视明渠水流的计算问题。 明渠水流是一种无压流。在水利工程中经常会遇到如开挖溢洪道以宣泄多余的洪水、为饮水灌溉或发电修建的渠道等问题，而这些问题的重点都是对明渠水流的运动规律的认识和掌握，采用合理适用的明渠均匀流的水力计算公式。 随着谢才公式的出现，意味着人们对明渠水流的运动规律有了一个比较客观的认识，并给出了正确的计算方法，谢才公式也因此被认为是明渠水流的基本关系式而得到广泛应用。1938 年 Keulegan 得到了光滑与粗糙面明渠均匀流的时均流速分布公式。社会的进步给水利科学提出更高的要求，人们需要根据社会的需求解决更加深入的问题，从而需要了解流动要素在时间上和空间上的逐点分布。泥沙运动、河流中污染物质的扩散与弥散、水工建筑物的掺气、空蚀和脉动压力等高速水流的特殊问题的解决，都需要对水流运动的时均流动特性与分布有一定的了解，而且要求对流动的紊动特性有深入的认识。 

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1.2 国内外研究进展

渠道输水是目前我国农田灌溉的主要输水方式，如今淡水资源日益紧缺，引水明渠流量的精确度量是一个急需解决的实际工程技术问题。在不改变明渠边界的情况下，一般采用流速-面积法测定明渠流量，这需要准确掌握明渠流速分布规律。用有限个点的流速来表示整个断面的流动状况，这需要对明渠过流断面上的流速分布规律有准确的掌握。另外，为了有效提高明渠流量的精确度，我们往往需要在明渠断面上做准确适合的布点，以测量特征点处的流速和准确合理的采用流速分布公式。  目前明渠的垂线流速分布学者一般使用的就是对数和指数两种流速分布律，而实际的明渠中流速沿垂线的分布也基本都是与其符合的。胡春宏（胡春宏 1988）对流速分布研究中，其将渠道断面划分为内区、外区和表面区三区。分析发现，在内区侧壁对流速分布的影响较大，而用二次抛物线分布来表示其外区的流速分布，这样能较好地拟合出实际流速分布规律，但具体到数学表达式和参数率定却有待进一步的研究。 为了给这些问题提供合理的解决办法，近年，Coles（Coles 1956）等在采用对数流速分布并结合添加尾迹函数的方法对数流速分布律进行修正，试验表明，这样更加符合实际流速分布。瑞士的 Graf(Graf 1989)发现了这种方法的弊端，他认为尾迹函数对二维均匀流的影响并不明显而且使用繁琐，实用性不强。胡春宏（胡春宏 1991）在在大量的试验统计分析之后，对不同的区域采用了不同形式来表示流速公式，其研究的主要是在流速沿垂线分布上的流速分布公式，而对于窄深明渠，由于侧壁对流速分布的影响较大，从而使得垂线流速分布发生改变，以往的指数律和对数律都显得略有不足，这二者都无法准确地描述流速分布。Sarma(Sarma 1983)等人在研究窄深明渠的过程中引入了二维水流流速分布公式，但这个公式的缺点是，其得出的最大流速总是位于水面处，着与实测流速是不符合。 Coleman 等人在对窄深明渠的研究中采用了 Coles 用过的尾流函数，并在断面中垂线处做了大量试验来验证该方法的合理性。王晋军则指出对数流速律无法适用于整个水深范围，在粗糙底层到自由液面之间，各水深部分都添加了一项尾流函数，并根据实测资料推导出其它范围的流速分布律。孙东坡（孙东坡 2004）等人做了大量水槽试验后，分析比对试验结果后发现实际明渠流速的垂线分布与二次函数曲线的特性更为拟合，并提出用二次函数表达式来表示垂线上流速与水深的函数关系。从整体上来看，二次函数表达式的效果比对数分布律要好，但在明渠底部对数分布律的拟合精度更高。Chiu 等人将熵理论引入到明渠断面流速分布中，并由此推导出了描述渠断面流速分布的公式，但该式中的参数往往需通过实测资料来率定，且参数的影响因素较大：边界条件及来流条件对其影响比较大，这在某种程度上影响了其应用推广。 

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第二章    标准 U 型渠道恒定均匀层流流速分布 

 

2.1 研究思路

标准 U 型渠道边界为半圆弧与直线段构成，边界条件复杂（张新燕，吕宏兴 2013），无法直接求解 Possion 方程，本文采用分解区域法将边界条件拆分为矩形和半圆形区域，并设矩形和半圆形区域连接处的流速分布为 g(x) (图 2-1)，分别在各自区域建立数理模型并进行求解，最后利用流速函数在连接处的连续光滑性，得到了关于流速分布g(x) 的变系数二阶非齐次常微分方程，且其非齐次项与 g(x) 有关，但目前此类方程无法用数学方法求解（M.Roseau 1981）。为来得到连接处的 g(x) 的函数，采用有限元法对 40 组不同宽深比、不同底坡的标准 U 型渠道在恒定均匀层流的流场进行了数值模拟，提取量区域在连接处的流速值，分析发现 g(x) 用二次抛物线表示时误差不超过 0.3%，因此我们假设连接处的流速分布为二次抛物线。 基于上述情况，本文分别在矩形和半圆形区域建立关于 Possion 方程的数理模型，求出量区域的分布函数，最后证明存在二次抛物线 g(x) 使得两区域的流速函数在连接处满足光滑连续性条件，且具有唯一性，进一步确定了该二次抛物线 g(x) 就是变系数非齐次常微分方程的解，从而得出标准 U 型渠道流速分布解析解。 

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2.2 各断面数学物理模型及其求解 

设矩形区域渠道(图 2-2)的流速分布为u(x, y) ，最大流速在水面处，基于无滑移条件（董曾男和章梓雄 1999），两侧壁处的流速为 0，交界处流速分布为 g(x) ，利用 CAD 三维建模软件建立标准 U 形断面渠道的三维图形，这里采用水温 20℃，宽度 B=1m,H=0.5m,底坡10J9 10?= × 的标准 U 形渠道，具体三维模型见图 2-4；本章统一采用 0.03m 网格间距，空间离散的单元个数约为 28 万个，其网格划分见图 2-5。建立了关于层流的三维数理模型，采用分解区域法，分别求解矩形区域和半圆形区域的流速分布；并利用流速函数在区域连接处的光滑连续性，证明了矩形与半圆形连接处的层流流速分布为抛物线分布，并具有唯一性。最终提出了标准 U 型渠道层流三维流速分布规律及其解析解。完善和补充了经典明渠水力学 U 型渠道层流流速分布解析解的空白，对其横向和竖向的流速分布有了更直观的认识：横向最大流速都在中垂线处，竖向最大流速都在自由面处。 

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第三章  矩形明渠紊流流速分布公式的研究 ....... 19 

3.1 数学物理方程建立 ........... 20 

3.2 模型求解 ......... 21

3.3 横断面流速分布 ...... 25 

3.3.1 垂向流速分布 ......... 25 

3.3.2 横向平均流速分布 .......... 26 

3.4 公式验证 ......... 28 

3.5 结  论 ...... 28 

第四章  明渠均匀流断面平均流速等效计算公式 ........ 29 

4.1 梯形明渠均匀流 ...... 29 

4.1.1 基本公式 ........ 29 

4.1.2 梯形渠道断面平均流速 ........... 30 

4.1.3 试验验证 ........ 31 

4.2  标准 U 形明渠均匀流 ..... 33 

第五章  结论与展望 ........... 37 

5.1 结论 ........ 37 

5.2 展望 ........ 38 

 

第四章     明渠均匀流断面平均流速等效计算公式

 

对于明渠均匀流，其水力计算的在生产实际中的应用相当广泛，几百年来，人们从生产实践中归纳总结，得出了一些计算方法.并将之再运用到实践中。虽然，这些公式方法是缺乏了理论依据，但是，这毕竟是在大量的实践资料的基础上归纳总结出来的。因而也具有一定的普遍性和适用性，工程实践中也还一直在沿用。在这样的大背景下，给出一个具体的、有一定理论依据的水利计算公式，就变得极为必要。基于这样的前提下，赵振国老师从理论出发，推导了适用于二维、矩形、半圆形断面的明渠均匀流的流速计算公式。 文中利用普朗特-卡门的粗糙平板上的流速分布公式，得到了二维明渠均匀流的流速计算公式；进而在渠道底部和边墙阻力是相等的假设下，将矩形明渠按其周长展开成与之等效的二维流，并得到相应的流速计算公式。受到这个思路的启发，本文就是在此基础上，对其做了一定的拓展，给出了梯形、标准 U 形明渠均匀流的流速分布公式。 

 

4.1 梯形明渠均匀流 

参考文献中的试验资料，其中的梯形渠道是更为符合实际生产情况的、在自然环境下的梯形明渠。 (1)与文献中的试验资料进行比较。该田间试测资料，梯形明渠为灌区混凝土衬砌分支渠。渠道下底宽 1.3m，边坡系数 m=1.46，渠深 0.97m，实测渠底坡降i =1:6000 。试验水流均保持为恒定均匀紊流状态，由于是田间实测，从而渠底满足完全粗糙的条件，适用于所推导出来的公式，可以用来对本文公式的计算结果进行验证，试验数据与式(4-11)的计算结果列于表 4-1。 对于标准 U 形渠道，如图 4-3，本文选取的 U 形渠道为标准 U 形渠道，过水断面由上部的矩形和下部的半圆弧组成，渠深 0.8m，下部圆弧的半径r =0.4m，上口宽 B=0.8m。 由于标准 U 形渠道的特殊构造，我们不能再像前面的梯形渠道一样都沿用统一的公式。当渠内的水深不同时，所导致的过水断面也不同（尼古拉斯 1957）.

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结论 

 

本文在综合分析国内外学者对明渠均匀流流速分布公式的研究基础上，做了细致的理论分析和公式推导，并用试验与数值模拟进行了验证，得到以下结论： 

（1）考虑窄深式矩形渠道侧壁对紊动水流的影响，选取了能较好反映侧壁处流速分布规律的抛物线公式作为微分方程边界条件，依据雷诺方程，进而得到横向平均流速分布公式和沿水深方向的流速分布公式。以往大多数流速公式都只适用于宽浅式明渠，对窄深式研究较少。作者补充和丰富了这一领域，尤其考虑了窄深式矩形渠道中紊流的雷诺方程解受侧壁流速值影响较大；该流速分布公式适用于横断面任何垂线位置，而不局限于渠道断面中垂线，对矩形渠道横断面整体流速分布起到全面认识，比以往大部分公式的适用范围更大。通过计算值与实测值对比发现，公式精度较高，基本能满足工程需要。值得注意α 值对流速影响较大，测量时需要准确把握。本章的成果不仅经实验验证，也与以往成果的规律基本一致，证明了结果的正确性，具体结论如下： a.对于窄深式矩形渠道，侧壁对流速分布的影响很大，沿渠深方向最大流速位于水面以下，并且离侧壁越近最大流速位置越接近底部，这是因为越靠近侧壁这种作用越强烈。 b.在 y h >0.2 (外区)垂线处的流速分布较均匀，但其在 y h <0.2 (内区)，流速梯度较大。 c.沿渠宽方向最大流速位于断面中垂线上，由渠道断面最大流速值向渠道任一边壁引射线，沿该射线方向，越靠近边壁，流速梯度值越大。 d.  提出公式应用于渠壁摩擦阻力较小的窄深式矩形明渠中的紊流。 

（2）针对窄深式标准 U 型渠道边界的复杂性，在依靠有限元计算的基础上，假定连接处流速分布为二次抛物线分布；建立了关于层流的三维数理模型，采用分解区域法，分别求解矩形区域和半圆形区域的流速分布；并利用流速函数在区域连接处的光滑连续性，证明了矩形与半圆形连接处的层流流速分布为抛物线分布，并具有唯一性。最终提出了标准 U 型渠道层流三维流速分布规律及其解析解。完善和补充了经典明渠水力学 U型渠道层流流速分布解析解的空白，对其横向和竖向的流速分布有了更直观的认识：横向最大流速都在中垂线处，竖向最大流速都在自由面处。 

（3）在赵振国（赵振国  2013）研究基础上，利用普朗特-卡门粗糙平板上的流速分布公式，推出了二维明渠均匀流的流速计算公式，然后假设其渠道底部和边壁的阻力相等的，依次对梯形明渠、标准 U 形明渠按其边长展开，等效为二维明渠.

 

 

1  绪论 

 

1.1  课题的背景和意义 

高压直流（High Voltage Direct Current，HVDC）输电的首次商业化运行是在 1954 年，利用海底电缆从瑞典本土向 Gotland 岛输送电能，自此直流输电进入了蓬勃发展阶段，目前已在全世界范围内得到了广泛应用[1]。与交流输电系统相比，HVDC 输电系统一方面投资费用低、运行损耗小，具有显著的经济效益；另一方面其使用寿命长、可靠性能高，常作为电力系统的重要联络通道。从 20世纪 60 年代开始，HVDC 输电技术已发展比较成熟，并且在远距离输电和大电网互联方面发挥了突出作用。目前，全世界约有近百个 HVDC 输电工程，已建成投运或正在建设 HVDC 输电工程的国家有二十多个，未来会有更多国家规划建设 HVDC 输电工程[2]。 我国高压直流输电是从 20 世纪 70 年代的晶闸管换流阀时期开始发展的。由我国电力科研工作者自主设计、建设的舟山直流输电工程在 1987 年正式投入运行，自此，我国 HVDC 输电技术的正式起步发展，随后建成、投运的葛洲坝—上海 500k V、1200MW 直流输电工程大大促进了我国高压直流输电技术水平的提高。此后，我国又相继建成投运了天生桥—广州、三峡—常州、三峡—广州、贵州—广州等直流输电工程，此外，我国还投运了多项背靠背直流输电工程，实现了大电网间的互联，对我国电力规划建设总体方略具有重要意义[2]。 水力资源和煤炭资源作为我国发电能源的两大主要来源，水力资源主要分布在西南数省，煤炭资源主要集中在“三西”（山西、陕西和内蒙西部），而东部沿海地区占全国总负荷的比重达 2/3 左右。鉴于我国能源与负荷的地理分布很不均衡，HVDC 输电已成为我国大容量、远距离输电的主要方式。为了优化资源配置，西电东送已成为我国重要的能源发展战略，而高压直流输电技术已然成为了西电东送的核心技术[3]。另外，HVDC 输电方式在大电网互联系统中具有技术、安全和经济方面的优势。所以，随着电力工业的不断发展，HVDC 输电方式在我国的应用也将越来越广泛[4]。 

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1.2  高压直流输电的原理及特点

高压直流（HVDC）输电方式是发电厂发出的交流电能在输送之前先变换成直流电能，通过直流联络线将直流电能送到受端逆变站，在该逆变站再把电能变换为交流电能，然后供电给受端交流系统[7]。HVDC 输电系统主要包括整流站、直流输电线路、逆变站三大基本组成单元。 HVDC 输电方式具有明显的经济效益，并且能够克服现有交流输电技术的很多缺点，相比于交流输电方式的优势可以概括如下： （1）输电线路的绝缘等级低，更加经济。有效值相同时，直流电压的最大值只有交流电压的 21 倍，配置绝缘子设备的数量可以大大减少，甚至输电杆塔的高度也可以降低，所以，采用直流输电方式总的经济效益非常显著。 （2）直流输电情况下，输电效率更高。采用直流输电方式时，直流系统的功劳因数为 1，直流线路没有电抗原件产生无功功率，因此，输送直流功率不像交流功率那样需要消耗无功功率，直流输电可以输送更多的用于实际消耗的有功功率，说以直流输电方式效率更高。 （3）直流输电方式可以利用大地作为导线。交流输电需要至少两根及以上的导线，而直流输电方式可以把大地作为运行的一极，与直流输电线路构成输电回路，能够节约输电线路投资，这与交流输电相比更加经济。 （4）直流输电不受输电距离和输电容量的制约。当独立的非同步运行系统需要互联时，有些情况下直流输电是唯一的选择或者至少是一个有价值的方案，比如采用海底电缆进行电网互联。直流联络线的电流是按给定值控制的，所以两端交流系统的短路容量不会因为它们直流联网后而增大。此外，由于直流输电不存在功角稳定性问题，所以输电距离和输送容量不受此制约[8]。 （5）直流互联可以隔离交流系统。由于直流输电系统只输送有功功率，没有无功功率，当交流系统故障时从邻近系统流入的电流不会增大，具有隔离两个交流系统的虚拟效果。因此，通过将现有的交流系统分割成合适大小的系统，并通过直流联络线连接起来，能够有效抑制短路电流大小，维持整个系统稳定运行。 

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2  直流输电系统的控制原理 

 

2.1  直流输电控制系统可控性概述 

由图 1 和方程（1）可知，α 是整流侧的触发控制角， β 是逆变侧的触发控制角，这 2 个控制变量都具有非常快的响应速度，通常响应时间在 4~1 ms 以内；dorU 是整流侧换流变压器的阀侧控制电压，doiU 是逆变侧换流变压器的阀侧控制电压，通过改变换流变压器的抽头位置来调整这 2 个控制变量大小，但这种调节方式的响应速度较慢，一般情况下，换流变压器的抽头每调节 1 个档位需要 10~5 s。所以，当两侧的交流系统出现大的扰动，或直流输电系统出现闭锁、跳闸等故障时，直流输电系统只能通过控制整流侧触发控制角α 和逆变侧的触发控制角 β 进行系统的稳定性控制，而此时调整换流变压器的抽头在该暂态过程中不能得到有效的控制效果。通常情况下，对于两侧交流系统中的电压变化速度较快的情况，可以通过调整触发控制角大小来维持直流输电系统的稳定性；而对于两侧交流系统中电压变化较慢的情况，可以通过改变换流变压器的抽头位置来维持在触发控制角在额定值附近。 为了实现对直流输电系统稳定性的快速有效控制，只能通过控制触发控制角的大小，也就是说对于两端直流输电系统而言，其控制系统中能被控制的自由变量只有 2 个。一般情况下，直流输电系统需要根据某种指定的功率曲线运行，所以定功率控制模块可以实现直流输电系统中最基本的功率控制功能，定功率控制模块的基本原理是换流器一侧维持直流电压大小不变，另一侧维持直流电流大小不变。考虑到换流器工作于整流状态与逆变状态时的特征有很大不同，通常在整流侧实现直流电流大小维持恒定，在逆变侧实现直流电压大小维持恒定不变的目的。所以，整流侧换流器的理想控制特性为一条垂直线，逆变侧换流器的理想控制特性为一条水平线，如图 2.2 所示。 

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2.2  直流输电控制系统的分层结构 

直流输电系统主控制级的功能实现原理框图如图 2.4 所示。主控制级结构一般由 3 个控制模块构成，第 1 个模块的作用是用来接收上级下达的直流功率指令 )(setP ，第 2 个模块的作用是对直流输送功率大小进行调整控制，第 3 个模块的作用是根据直流功率综合指令值除以直流联络线中点电压值，进而计算得出直流电流的指令值，并输出至极控制级。 通过调整控制联络线所传输的直流功率，能够显著提高两端交流系统的振荡阻尼，尤其对于交直流并列运行的输电系统效果更加明显。对于典型的连接两端非同步交流系统的直流联络线，调整控制其直流输送功率可以对两端交流系统进行调频。功率紧急变化控制包含功率快速提升和功率快速回降，主要应用于通过直流输电线连接的两端交流系统和交直流并列运行的交直流混合输电系统的紧急功率支援[23]。紧急功率提升功能常用于应对逆变侧交流系统出现功率缺额、整流侧交流系统发生甩负荷，或交直流并列输电系统中交流线路跳闸等故障；而紧急功率回降功能则常用于应对整流侧交流系统出现掉机或逆变侧交流系统甩负荷等工况。 

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3  高压直流孤岛运行系统建模 ........... 21 

3.1  主电路系统建模 .... 21 

3.1.1  主电路电气设备 ...... 22 

3.1.2  电气设备建模 .......... 23 

3.2  控制系统模型 ......... 27 

3.3  模型仿真验证 ......... 33 

3.4  本章小结 ......... 35 

4  可拓控制理论 ....... 36 

4.1 可拓学简介...... 36 

4.1.1  可拓集合 ......... 36 

4.1.2  关联函数 ......... 37 

4.1.3  物元理论 ......... 38 

4.1.4  可拓控制方法 .......... 39

4.2  可拓直流附加控制器设计 .... 43 

4.3  本章小结 ......... 48 

5  故障仿真结果分析 ..... 49 

5.1  掉机故障 ......... 49

5.2  单相接地故障 ......... 51 

5.3  单极闭锁故障 ......... 53 

5.4  本章小结 ......... 55 

 

5  故障仿真结果分析

 

天-广直流输电工程孤网运行方式下，孤岛系统的频率稳定性直接决定着送端交流系统能否安全稳定运行，因此除了利用发电机组的一次调频功能外，还要充分利用直流附加控制功能，必要情况下配合安稳切机措施，以达到稳定送端频率的目的。 送端发电机组跳闸、交流母线单相接地和直流单极闭锁故障是直流输电工程中较常见的故障，上述三种故障均会导致送端系统发出功率与直流输送功率的严重不平衡，可能引起频率的剧烈振荡，严重影响系统的安全稳定运行。直流输电系统孤网运行方式下，由于失去了当地交流主网的支援，上述故障发生时引起的后果通常比联网状态下更为严重，因此，本章在前文所搭建的天-广直流输电系统模型基础上，考虑送端天一电厂 3004× MW 机组全开，天-广直流输送 1200MW 功率运行，分别对传统附加控制器和可拓附加控制器在上述三种故障情况下送端系统频率稳定性进行了仿真分析。 

 

5.1  掉机故障

在系统正常运行情况下，突然发生掉机故障，将引起送端系统发出功率严重不足，进而导致系统频率大幅跌落。设置故障情况如下：在 st =5 时，送端 4号机组断路器跳闸。在传统直流附加控制器和可拓直流附加控制器分别作用下，送端交流系统频率变化曲线如图 5.1 所示，直流输送功率变化曲线如图 5.2 所示。 由图 5.1～5.2 可知，天-广直流送端孤岛系统 4 台机组，直流输送 1200MW运行方式下发生天一电厂 4 号机掉机的情况，由于送端功率缺额较大，频率发生迅速跌落，在传统附加控制器和机组调速器综合作用下，送端系统频率最低跌落至 49.00Hz，直流功率最大调制量达到 600MW，频率经过约 18s 的振荡最终才稳定到 ±2.050 Hz 以内，不满足系统频率稳定控制要求。在可拓附加控制器和机组调速器协调控制作用下，系统频率的波动范围为 49.56Hz～50.15Hz，发生故障后 1.5s 左右系统频率降到最低 49.56Hz，故障发生 3s 后频率稳定到±2.050 Hz，满足系统频率稳定运行要求。 

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结论 

 

近年来，我国电力发展的步伐不断加快，电压等级不断提高，电网结构日趋合理，资源配置能力大幅提升。区域电网互联和高压直流输电技术的快速发展，不断推动我国电力系统向着大功率、远距离、跨区域、交直流混合输电格局方向发展。孤岛运行方式作为交直流输电系统故障后或正常运行情况下的运行方式之一，将越来越多的出现在新建或投运的高压直流工程中，系统稳定性将面临更大挑战。因此，深入研究送端孤岛运行方式下电力系统的安全稳定性具有重要意义。 本文主要介绍了国内外直流送端孤岛工程的运行概况和研究现状，通过对直流输电系统快速可控性原理的分析，利用改进的可拓控制方法设计了一种可拓直流附加控制器，用于调整控制直流联络线输送的直流功率，抑制孤岛直流送出系统中的由于功率不平衡引起的系统振荡，提高系统的频率稳定性。 根据天-广直流工程的实际参数，使用 PSCAD/EMTDC 电磁暂态仿真软件搭建了该双极 12 脉动高压直流输电工程的详细模型，并验证了所搭建模型的准确性。在此基础上，针对孤岛运行方式下送端掉机、换流站交流母线单相接地短路和直流单极闭锁三种故障，分别仿真分析了在传统附加控制器和可拓附加控制器作用下送端系统的频率稳定性。 仿真研究结果表明，传统直流附加控制器和本文所设计的可拓附加控制器对故障后系统的频率稳定性均有显著作用，能够有效平衡系统功率差额，及时抑制系统频率振荡。由于传统的直流附加控制器是基于线性控制方法，当系统实际运行点偏离控制器所设计的平衡点较远时，控制效果将明显受到制约。而基于可拓控制方法的可拓附加控制器，不仅考虑了频率变化的幅度，还同时考虑了频率变化的速度，进而能够对系统频率进行更加精准的控制，具有较好的收敛性，且故障后频率能够更快的恢复稳定。 

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参考文献(略)

 

 

第一章  绪论 

 

1.1 研究背景及意义 

我国水资源开发利用方式比较粗放，水污染严重，部分地区水资源开发利用接近或超过水资源承载能力，过度开发、无序开发、低效利用水资源问题十分突出，严重危及水资源可持续利用（孙素艳等 2011）。因此，只有加快推动节水型社会建设，落实最严格水资源管理制度，才能从根本上解决水资源短缺的瓶颈制约，以水资源的可持续利用保障经济社会的可持续发展（陈雷 2012）。 石化行业是我国的基础产业和支柱产业。同时，石化行业也是用水较多、污染较为严重的行业，是我国工业用水大户。随着经济的发展，石化企业的生产规模不断扩大(刘正  2007)，对水资源的需求日益增加，水资源的短缺已经严重影响到该行业的可持续发展。加之石化行业排放的废水组成成份复杂，处理难度大，对水环境影响也较大。因此，水资源短缺、水环境污染已经成为石化行业发展所面临的主要问题(程丹 2009; 雷勋茂 2006; 齐贺 2008; 王炜亮 2007)。 国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见（国发﹝2012﹞3 号）明确要求“全面加强节约用水管理，建立健全有利于节约用水的体制和机制。加快制定高耗水工业用水定额国家标准。加快推进节水技术改造，制定节水强制性标准，充分考虑不同工业行业和工业企业的用水状况和节水潜力，合理确定节水目标”。 为贯彻落实最严格水资源管理制度，石化行业根据自身用水特点，加强用水管理，修改和完善了相关的取水定额、水重复利用率等用水指标、评价标准及要求，用水评价标准在建设项目水资源论证、节水型企业评价等水资源管理工作中得以运用，有效地强化了水资源管理，对指导合理用水起到积极作用(于群和杨士峰 2013)。  但是，石化企业的用水水平分析与评价在实际操作过程中，主要依据单位产品取水量、工业水重复利用率用水指标评价企业用水水平，导致部分企业过分追求单项指标的提高，忽略了用水水平整体性的提升，并未合理有效利用水资源(杨友麒和庄芹仙 2012)。同时，现有的用水指标评价标准仅设定了一个定量指标，虽然方便评价，但是未能全面反映出企业真实的用水水平，即简单地依据制定的评价标准对石化企业的用水水平进行评价，因此，实际应用中存在一些不足。 

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1.2 国内外研究进展 

随着人口持续增长和工业化发展，水资源的需求日益增加，水资源供需不平衡的矛盾进一步加剧，水资源短缺问题日益显著。水资源利用效率的评价是保证水资源持续有效利用的前提和基础。因此，国内外对水资源利用的效率进行了大量的研究(廖虎昌 2011)。在农业水资源利用效率研究方面，Angus, J F (2001)、Condon, A G 等(2002)研究植物在特定时段内 CO2吸收与蒸散比例来评价灌溉用水效率。Zoebl D（2006）通过对美国农业用水效率研究得出提高农业用水效率是解决农业用水不足的有效途径。Bouman, B  A  M(2007)构建了作物水生产率的基本研究框架。Biazin,  B  和 Stroosnijder,  L(2012)指出采用土壤表面活性剂能提供植物根区渗透能力和持水能力。通过地膜覆盖，可以有效地减少水量蒸发。Christian-Smith,  J 等(2012)分析了三种不同的灌溉技术对农业用水效率的影响及节水潜力，指出在干旱地区节水效果和用水效率提高显著。Salazar-Moreno,  R 等(2014)等指出墨西哥农业用水量占可利用水量的 77%，并建议利用闭合式水系统、半封闭式温室等现代农业技术来提高农业用水效率，以缓解对水资源的需求。Martinez, J and Reca, J (2014)采用地表滴灌方法和改进地下滴灌方法两种方法对有机橄榄产量和灌溉用水效率的影响进行了分析对比，结果表明采用改进地下滴灌方法的灌溉用水效率较高。Azad, M A  S 等 (2015)等基于非径向 DEA 模型对澳大利亚灌溉农业的经济效益进行评价，评价结果表明灌溉农业整体管理水平较高，但对水资源的管理效率较低，并提出必须制定相关政策提高水资源利用效率以保证灌溉农业的可持续发展。Gadanakis, Y 等(2015)根据农业用水评价标准，采用数据包络分析方法对英格兰农场进行用水效率进行分析与研究，通过分析得到在平均用水需求减少 35%的情况下农场仍可得到相同的产出。同时，根据具体的用水效率管理措施的实施情况，指出利用决策支持工具、加强水重复利用等措施有利于提高农场的用水水平。 

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第二章 我国石化行业发展及用水情况 

 

2.1 我国石化行业发展现状 

石化是一个大概念，是石油化学工业的简称，包括石油炼制和石油化工。石油炼制是指将原油经过常减压蒸馏、催化裂化、规划重整、加氢裂化及加氢精制等一系列炼制过程生产各种石油产品。石油化工是指以轻质油品等石油细加工产品和天然气、石油气为主要原料，经过裂解、分离、合成等工艺过程，生产出各种各样有机化工原料、精细石化产品、合成树脂、合成橡胶等产品。根据国家统计局统计，2013 年，我国的炼油能力达到 6.27 亿 t/a，同比增加了8.5%，原油加工能力保持世界第二。原油加工量达到 4.786 亿 t，同比增加 3.3%。乙烯产能达到 1776.5 万 t/a，为世界第二大乙烯生产国，占全球乙烯产能的 12.5%，乙烯产量为 1599.38 万 t，同比增长 7%。三大合成材料中，合成树脂生产 5837 万 t，位列世界前列；合成橡胶生产能力达到 509 万 t/a，产量 409 万 t。成为世界最大的合成橡胶生产国；合成纤维产量 3731.5 万 t，同比增长 37.02%。2005 年—2013 年我国原油加工产量及主要石化产品产量如表 2-1 所示。

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2.2 我国石化行业用水现状

石化行业是我国高用水行业之一，据统计，2010 年我国用水总量为 6022.0 亿 m3，工业用水量为 1447.3 亿 m3，占全国用水总量的 25.0%。石油、石化产品总用水量约为58.7 亿 m3，占工业用水总量的 4.1%。其中，石油炼制用水量为 3.2 亿 m3，石化产品用水量为 45.5 亿 m3(张继群 2014)。 随着我国经济社会的发展和工业化进程的加快，人们对石油及石化产品的需求日益增加，石化产业规模进一步扩大，导致对水资源的需求增加。加之，我国石化产业布局相对分散，水资源时空分布不均的特点造成了各石化企业水资源情况差异较大，除部分企业供水充足外，其他企业均存在不同程度的水资源短缺问题，其中 60%的石化企业处于严重缺水地区，水资源短缺已成为企业持续发展所面临的主要问题(韩政 2011)。 为有效解决水资源供需不平衡问题，石化企业从多方面采取措施来提高水资源的利用效率。在取用水水源方面，石化企业采用多元化取水，优选和合理布置水资源。积极开发利用非常规水资源，如海水淡化利用、再生水回用、雨水回用等；在节水工艺和技术方面，淘汰落后生产工艺，加快改造用水工艺，推广节水工艺，积极推进企业水资源循环利用和工业废水处理，实现废水资源化；在用水管理方面，提高员工节水意识，制定严格的用水管理及节水型企业评价考核制度，推动节水型企业建设。通过以上措施的实施，我国石化行业整体用水水平得到明显的提升，节水成效显著。 

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第三章 石化企业用水特征及用水水平分析 ....... 15 

3.1 用水分类及用水系统 ..... 15 

3.1.1 用水分类 ......... 15 

3.1.2 用水系统 ......... 16 

3.2 主要节水减排措施 ....... 17 

3.3 石化企业用水水平分析 .......... 18 

3.3.1 石油炼制企业用水水平分析 ....... 18 

3.3.2 石化产品生产企业用水水平分析 .......... 25 

3.3.3 石化企业用水水平分析中存在的问题 ...... 36 

第四章 石化企业用水水平评价方法 ...... 38 

4.1 常用的综合评价方法 ..... 38 

4.2 用水水平评价方法 ....... 39 

4.2.1 物元分析法 ....... 40 

4.2.2 灰色关联分析法 .......... 41 

4.2.3 模糊综合评价法 .......... 43 

4.3 评价指标的选取 ......... 44 

第五章 典型石油炼制企业用水水平评价 ......... 48 

5.1 基于物元分析法的评价分析 ...... 49

5.2 基于灰色关联分析法的评价分析 ......... 56

5.3 基于模糊综合评价法的评价分析 ......... 58

5.4 评价结果综合分析 ....... 62 

 

第五章 典型石油炼制企业用水水平评价 

 

由于石油化工产品种类繁多，生产工艺不同，导致产品生产用水差异大。即使同种产品不同的生产工艺，用水量也存在较大差异。加之，目前缺乏针对石油化工用水特点制定的用水评价指标和评价标准。因此，本章仅对石油炼制企业用水水平进行评价。 从石化企业的布局、规模、水资源条件等方面考虑，结合收集到的石油炼制企业的用水数据和资料，本章选取大连石化、镇海炼化、燕山石化、克拉玛依石化、胜利油田和中捷石化共 6 家典型石油炼制企业，进行用水水平分析与评价。各石油炼制企业数据资料的时间段为 2009-2011 年。6 家石油炼制企业的基本信息如表 5-1 所示。 根据表 5-2 所示，对于重复利用指标，6 个企业重复利用率基本满足节水型企业重复利用率指标要求，这表明我国石化行业整体的水重复利用率较高。对于浓缩倍数指标，只有镇海炼化高于指标标准值，燕山石化达到指标标准要求，其余企业浓缩倍数明显低于标准值。 对于单位产品取水量和单位产品排水量指标，其大小与企业炼油规模存在显著的联系，大连石化、镇海炼化、燕山石化均是千万吨级的大型炼油企业，其单位产品取水量和单位产品排水量明显低于中小型企业克拉玛依石化和中捷石化，表明企业的大型化能有效的降低对新水的取水量和减少污水的排放。 整体来看，只有镇海炼化企业满足节水型企业用水指标标准的全部要求，其他企业因个别指标不能完全满足节水型评价要求，但部分指标达到或优于评价标准。显然，简单的指标考核标准，不能较全面、科学、合理地反映企业用水水平。因此，本章选取物元分析法、灰色关联分析法和模糊综合评价法对各石化企业用水水平进行评价，对比分析不同的方法的评价结果，为提高石油炼制企业用水水平评价的合理性提供一定的依据。 

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结论 

 

石化行业是工业高用水行业之一，水资源短缺问题已成为限制石化行业持续发展的瓶颈。因此，提高水资源利用效率，是解决水资源短缺的有效措施。本文在对我国石化行业用水现状、石化企业用水情况分析的基础上，对石化企业的用水水平进行了评价研究。主要的研究结论如下： 

（1）随着我国石化行业炼化一体化基地发展，带动区域石化产业的规模化、集约化程度进一步提高，进而实现水资源的高效利用。与此同时，基地化、园区化的发展也带来了对水资源需求的急剧增加，导致水资源供需不平衡情况加剧。因此，石化行业对水资源的利用将加快推动取水水源多元化发展、优化用水系统等节水减排措施的实施，合理高效的利用常规和非常规水资源，以满足石化行业持续发展对水资源的需求。 

（2）根据收集的石化企业水平衡测试报告和建设项目水资源论证报告，对石油炼制企业（项目）和石油化工项目用水水平进行了分析。结果表明，我国部分大型石油炼制企业（项目）的用水指标满足节水型企业的评价标准，且单位产品取水量、单位产品排水量、水重复利用率等用水指标接近或处于国际先进水平。石油化工项目的用水指标亦符合相应评价标准要求。但是，在现有或新建的石化企业的用水水平分析过程中，由于用水评价指标体系不统一、用水评价标准修订滞后等问题，导致对石化企业用水水平的评价存在一定的片面性，未能真实、合理的反映企业用水水平。 

（3）结合石化行业相关标准，选取用水评价指标，设定用水评价标准，采用层次分析法和熵值法分别对用水评价指标进行赋权，在此基础上，运用物元分析法、灰色关联分析法和模糊综合评价法对典型石油炼制企业用水水平进行评价。评价结果表明，镇海炼化用水水平最高，其次是燕山石化。用水水平最低的是克拉玛依石化，其次为中捷石化。大连石化和胜利油田的用水水平随赋权和综合评价方法的不同而改变。 

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参考文献(略)

 

 

第一章   绪论 

 

1.1  选题依据及研究意义 

拉林河东临牡丹江，北侧为蚂蚁河、阿什河及松花江干流，西南与第二松花江流域为邻，流域地理位置介于东经125°34′～128°34′、北纬 44°00′～45°30′之间。拉林河是黑龙江省与吉林省两省的界河，流经黑龙江省五常市、双城市、尚志市，吉林省舒兰市、榆树市、扶余市，拉林河干流河长 450km，界河长约 233km。流域面积 1.99 万 km2，其中黑龙江省流域面积 1.12 万 km2，占流域总面积的 56.33%；吉林省流域面积 8701km2，占流域总面积的 43.67%。主要支流有牤牛河、细鳞河和卡岔河。拉林河流域水功能区长度1504.2km，其中，保护区 336.2km、保留区 177.5km、缓冲区 352.1km、开发利用区 638.4km。拉林河流域省界缓冲区包括拉林河吉黑缓冲区 1、拉林河吉黑缓冲区 2、牤牛河黑吉缓冲区和细鳞河（溪浪河）吉黑缓冲区 4 个省界缓冲区，缓冲区总长度 302.3km。 拉林河流域是我国的重要商品粮基地，左岸的榆树市连续八年为全国产粮第一县市；右岸的五常市是我国的优质稻米之乡，驰名中外。近些年来，随着拉林河两岸城市经济的快速发展，拉林河承泄了大量的工业生产废水和灌区灌溉退水，已成为了沿岸城市的排污通道，给拉林河水资源保护带来了前所未有的压力。本论文以拉林河重要省界缓冲区为研究区域，采取野外监测和室内分析相结合的手段，对研究区内的点源和非点源污染的分布特征、排放情况进行了实地调查；在此基础上，应用数学模型计算了研究区内的污染负荷；根据 2007~2014 年的水质监测数据，对研究区内的水质达标情况进行了评价，并分析了区内水质变化趋势。研究结果为拉林河流域水污染污染防治和管理提供科学依据，对于改善拉林河乃至松花江的水环境质量具有重要实际意义。 

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1.2  国内外研究进展及发展趋势

水功能区是指为满足水资源合理开发和有效保护的需求，根据水资源的自然条件、功能要求、开发利用现状，按照流域综合规划、水资源保护规划和经济社会发展要求，在相应水域按其主导功能划定并执行相应质量标准的特定区域。省界缓冲区是水功能区之一“缓冲区”的主要形式，主要是为了协调省际用水关系，控制上游对下游或相邻省区水污染，以省界为中心向附近省级行政区域扩展而划分的缓冲水域。这是水功能区划中专门为跨省级行政区设立的一类功能区，是流域管理的重要区域和关键环节。 近些年来，松辽流域水资源保护局开展了拉林河流域省界缓冲区的监测和研究等工作，松花江流域省界缓冲区 25 个，监测断面 47 个。松花江流域省界缓冲区Ⅱ类水质占 16.5%  ，Ⅲ类水质 57.5%，Ⅳ类水质占  19.0%  ，Ⅴ类水质占 4.5%,劣Ⅴ类水质占  2.5%,主要超标项目为氨氮、总磷和高锰酸盐指数等。

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第二章   研究区概况 

 

2.1  拉林河流域自然概况

拉林河为松花江干流右岸的一级支流，发源于张广才岭山脉的老爷岭西麓白石砬子山，于哈尔滨以上 150km 处注入松花江。流域东临牡丹江流域，北侧为蚂蚁河、阿什河及松花江干流，西南与第二松花江流域为邻，流域地理位置介于东经125°34′～128°34′、北纬 44°00′～45°30′之间。拉林河流域地势东南高、西北低，最高为老爷岭 1682m，河口高程仅为 121m。河网密集系数为 0.31，河道平均比降1.1‰。拉林河向阳山以上为上游段，属山区，植被良好，谷窄流急，河道比降较陡，约为 2.5‰，河床组成多为沙、砾石，河宽 50m～100m，深度 3m 左右。在沈家营处谷宽约 500m，河宽为 55m；向阳山至牤牛河口为中游段，地势渐缓，属丘陵区，河道比降逐渐平缓，平均约为 0.33‰，两岸山丘低平，台地起伏，间夹冲积平原，河谷变得开阔，谷宽一般在 2km 以上，最宽处可达 5km，河道逐变弯曲；牤牛河口以下为下游平原区，河谷、滩地宽达 3km～15km，大部分为沼泽地，土地肥沃。两岸地势低平。河道弯曲，河床宽浅，河宽在 150m～400m，深度为 3m～4.5m，河道平均比降约 0.12‰～0.16‰。拉林河流域水系见图 2-1。拉林河流域东邻张广才岭西坡，西与松嫩平原接壤，地形复杂。呈现出东南部为中低山丘陵区，山高而陡峭，海拨 240m～500m，东南部大秃顶子山主峰海拨1696.20m；中部河谷平原区及西北部低而平缓的高平原区，海拔 180m～240m，表面波状起伏，水系发育。纵观拉林河流域地势由东南向西北倾斜之势，地貌按成因可分为剥蚀堆积地貌和堆积地貌。地势图见图 2-2。 

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2.2  社会经济概况

拉林河流域土地肥沃，人口密集，为黑、吉两省及全国重要的粮食生产基地，主要作物有水稻、玉米、大豆和谷子。据基准年资料统计，拉林河流域内有 7 市（县），总人口 348 万人。耕地面积 1261.16 万亩，GDP 为 956 亿元，粮食总产量 729 万 t。境内交通发达，哈大、哈吉铁路自拉林河流域西、中部南北穿过。拉林河流域上游多为山区，自然资源丰富，是向哈尔滨市调水重要的水源涵养区。该区封山育林，重点发展林果类、菌类、中药材等种植业。拉林河流域中下游地区耕地资源丰富。大力发展农区畜牧业，大力发展现代高效节水农业。 扎实推进社会主义新农村建设。用现代物质条件装备农业，用现代科学技术改造农业，用现代产业体系提升农业。进一步发展农业的区域化、规模化和专业化生产，提高农产品产量、质量和安全水平。提升农业发展基础，加强以中低产田改造和节水灌溉为重点的农业综合生产能力建设，提高农业科技、服务水平，构筑现代农业发展支撑体系。 

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第三章  重要省界缓冲区基础调查成果统计与分析 ...... 12 

3.1  点源污染调查 ...... 12 

3.2  非点源污染调查 .... 16

3.2.1 灌区调查 ..... 16 

3.2.2 水土流失调查 ..... 21 

3.3  其它污染源的调查与分析 .......... 21 

第四章  拉林河流域污染负荷计算 .......... 27 

4.1  点源污染负荷计算 ...... 27

4.2  非点源污染负荷计算 .......... 28 

4.3  重要省界缓冲区污染负荷的统计分析 ...... 37 

第五章  重要省界缓冲区水质达标评价及超标因子解析 ...... 38 

5.1  水质现状达标评价 ...... 38 

5.1.1  评价标准及方法 ........ 38 

5.1.2  监测断面和评价因子........ 39 

5.1.3  评价结果 .... 40 

5.2  拉林河吉黑缓冲区 2 水质变化趋势分析 ......... 53 

 

第五章  重要省界缓冲区水质达标评价及超标因子解析

 

5.1  水质现状达标评价

以《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）为评价标准，采用单因子指数法对省界缓冲区水质达标情况作出评价。单因子指数法的基本思路是利用 j 监测断面第i 项水质参数的监测浓度 Cij与指定水体功能水质标准浓度 Csj相比，根据比值大小，判断评价水体水质是否满足相应的功能标准。单因子指数法的评价公式如下：根据松辽水环境监测中心 2014 年对向阳、振兴、牛头山大桥、蔡家沟、板子房、肖家船口、和平桥、牤牛河大桥 8 个断面逐月的水质监测数据，分别对各月、丰平枯、年均等不同时间尺度的省界缓冲区水质达标情况进行了评价分析。评价因子包括 PH 值、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、铜、锌、氟化物、硒、砷、汞、镉、六价铬、铅、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂、硫化物、粪大肠菌群 22 项水质指标。各缓冲区内监测断面的基本信息见表 5-1 与图 5-1。评价结果表明：拉林河吉黑缓冲区 1 水质达标状况较好，枯水期、平水期、丰水期均能够达到Ⅲ类水质标准。化学需氧量、五日生化需氧量、总磷等易超标因子部分月份能够达到Ⅱ类，甚至Ⅰ类水质标准。从对下游水功能区的水质影响来看，拉林河吉黑缓冲区 1 水质能够满足下游拉林河五常市开发利用区水质标准，不会对下游水功能区水环境质量产生不利影响。  

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结论 

 

本文以拉林河流域重要省界缓冲区为研究对象，采用野外实地调查和室内分析相结合的手段，首先对研究区内的污染源分布特征及排放规律进行了调研，并分析了其对水环境的主要影响；在此基础上，应用数学模型计算了研究区的点源和非点源污染负荷；根据 2007~2015 年的水质监测数据，对研究区的水质达标情况及历史变化趋势进行了分析。主要得出以下结论： 

1、现阶段查明研究区内分布有 19 个排污口，其中混合型排污口所排废水水质较差，COD 浓度平均超过地表水Ⅴ类标准 3.2~3.6 倍，氨氮平均超过地表水Ⅴ类标准 4.4~9.0 倍；流域内现有 1 万亩以上大中型灌区 29 处，灌溉退水中总氮浓度平均超过地表水Ⅲ类标准 1.7~2.1 倍，总磷浓度平均超过地表水Ⅲ类标准 1.2~3.9 倍。 

2、点源污染负荷的计算结果表明：现有 14 个排污口，每年向拉林河吉黑缓冲区 2 排放 COD6989.62t、氨氮 1313.82t。其中拉林啤酒厂排污口、榆树污水厂排污口、新站排污口、双城三排干排污口以及五常镇第一排污口的 COD 排放量较大，这 5 个排污口所排 COD 数量占总排放量的 70.98%；蔡家沟兰陵排污口、双城三排干排污口、五常镇第一排污口以及新站排污口的氨氮排放量较大，这 4 个排污口所排氨氮数量占总排放量的 79.69%。 非点源污染负荷结果表明：流域内灌溉退水为 28536.23 万 m3/a，COD 入河负荷为 11414.49t/a，TN 入河负荷为 570.72 t/a，TP 入河负荷为 111.29 t/a、氨氮入河负荷为 228.29 t/a。 

3、2014 年 4 个重要省界缓冲区的水质达标评价结果表明：拉林河吉黑缓冲区 2水质较差，拉林河吉黑缓冲区 1、细鳞河吉黑缓冲区以及牤牛河吉黑缓冲区水质相对较好。拉林河吉黑缓冲区 2 的超标因子为氨氮、COD 和总磷。 对拉林河吉黑缓冲区 2 丰、平、枯水期的水质变化情况进行了分析。结果表明：拉林河吉黑缓冲区 2 枯水期氨氮污染、丰水期 COD 污染情况较为严重。  

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参考文献(略)