引黄灌渠斗口流量软测量技术

　　1　引　　言

　　引黄灌渠斗口,特指干渠通向支渠的放水闸口。按照引黄灌区现行水资源管理办法,斗口流量是水管部门与用水单位结算水费的法定依据。实现斗口水流量连续自动测量是水管部门和用水单位的共同启盼。利用斗口水工建筑物量水不需要修筑专门的量水设施,可以避免量水设施带来的水头损失等弊端,是最为经济的灌渠测量水方法。此种量水法通过观测干渠(闸前)水位和支渠(闸后)若干点水位以及放水口的门开启高度,依据闸口水工建筑物的类别和当时的水流形态,选用相应的水力学量水公式计算得到水流量,属于明渠流量测量和软测量技术范畴,建立适用的软测量模型是实现精确自动测量的关键。由于通过闸口水工建筑物的水流呈现复杂的非线性动力学系统特性,理想的自由流条件往往不能满足,加之引黄灌区水流泥砂含量大、渠道条件不规则、流态形式多样等,目前的水力学量水公式存在较大的测量误差(有时高达20%以上),有必要研究更加精确、更加可靠、更加适用的软测量技术。

　　2　引黄灌渠斗口流量软测量技术

　　利用闸口水工建筑物测量斗口流量的方法可以表示为:

　　Qi=βi×fi(e,H,h1,h2,h3,…)

　　式中:e为启闸高度;H为闸前水位;h1,h2,h3,…为闸后各观测点水位;Qi、fi、βi分别表示第i种流态和水工建筑物形式下的水流量、相应的函数关系式和综合流量系数。斗口水流的典型形态一般分为闸门全开自由流、闸门全开淹没流、有闸控制自由流和有闸控制淹没流4种。闸口水工建筑物则有平底、跌坎、堰、涵管等多种形式。实现斗口流量自动测量需采集启闸高度e、闸前闸后多点水位(H,h1,h2,h3,…)等可测变量信息,自动辨别水流态形式并调用对应的水力学量水公式或其他软测量模型估算水流量值,如图1所示。自动测量系统是由闸位计和多点水位传感器组成的智能检测网络,具有“软仪表”或“软测量器”的典型特征。

　　软测量技术是指选择与被估计变量相关的一组可测变量(直接测量量),构造某种以可测变量为输入、被估计变量为输出的软测量模型,用计算机软件实现变量估算的测量技术,也称之为“软测量器”或“软仪表”。软测量技术的关键是建立精确可靠的软测量模型,建模方　　法主要分机理建模和辨识建模两大类。机理建模基于对过程的深刻认识,通过过程运动数学表达式刻画待估计变量与可测变量之间的定量关系。由于过程的复杂性,实际中建立的大部分机理模型都是近似的简化模型,模型精度往往难以满足测量精度要求;辨识方法建模目前以人工神经元网络最为有效,理论上已证明前向神经网络在恰当选择网络层次与隐节点数目的条件下,经过训练可以任意精度逼近非线性函数,并具有并行信息处理和主动适应的能力,而且无须了解模型内在非线性结构。引黄灌渠斗口水流形态的复杂性和时变性使得建立精确的机理模型十分困难,目前采用的各种水力学量水公式均应视做简化机理模型,建立精确适用的辨识模型是提高软测量精度的重要途径之一。