管光华团队在《水利学报》发表南水北调中线冬季输水动态目标水位控制算法研究论文

　　武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室管光华团队在《水利学报》发表论文《南水北调中线工程冬季输水动态目标水位控制算法研究》。该研究针对南水北调中线工程冰期输水时，传统“小流量、低流速”模式虽有利于形成平封冰盖，但显著降低输水能力的问题，创新性地提出了一种基于模型预测控制与动态目标水位的调度算法。该算法旨在保证工程安全的前提下，尽量延长冬季大流量常规输水时间，仅在必要时快速切换至冰期模式，从而最大限度缩短“入冬过渡期”、提升冬季整体输水效益。仿真验证表明，新方法可将过渡期缩短34%，目标水位变幅满足工程要求，为实现冰期安全高效输水提供了先进可靠的技术方案。

　　南水北调中线工程冬季运行面临严峻挑战。为确保冰盖平稳形成，需提前数日将流量降至“平封流量”(仅为设计流量的30%-47%)，这直接导致输水能力大幅下降。研究指出，仅安阳倒虹吸闸缩短冰期输水5天，即可多调水约5788万立方米，凸显了从时间维度挖掘冬季输水潜力的巨大价值。因此，研究核心目标转化为：如何实现从常规输水到冰期输水模式的高效、平稳、快速切换。

　　传统的“下游常水位”运行方式响应慢、过渡期长，难以满足应急快速切换需求。为此，研究团队转向了响应更快的“控制蓄量法”，但该方法在多级串联渠道中的应用存在挑战。本研究提出了一种创新的“间接控制蓄量”策略：它不直接控制水体体积，而是通过动态调整下游目标水位来实现对渠池蓄量的间接控制。具体而言，算法根据渠道进口流量与各取水口流量的实时差值，结合各渠池的水面面积和允许水位变幅，将需要调整的蓄量“智能分配”到沿线各个渠池，从而计算出每个渠池实时更新的动态目标水位。

　　为实现上述策略，团队构建了先进的“MPC动态目标水位控制算法”。该算法以经典的积分时滞(ID)模型为基础，建立整个输水渠系的状态空间方程。其核心创新在于，将动态计算出的水位偏差目标值作为一个新的状态变量引入模型，并对模型预测控制的目标函数进行了相应修改。这使得算法在每一次滚动优化时，追求的不仅是水位稳定在某个固定值，更是要快速、平滑地追踪这条随流量实时变化的动态目标水位轨迹。这相当于为渠道系统预设了一条最优过渡路径，从而显著加快了系统的响应速度。

　　为验证算法有效性，研究以南水北调中线冰情最严重的“京石段”(13个串联渠池)为对象进行仿真。在模拟冰期应急过渡的“大流量减小工况”(流量从设计值的79%线性降至40%)下，将新算法与目前工程中广泛采用的下游常水位PID控制算法进行了对比。结果显示，新算法展现出巨大优势：系统水位提前35小时达到稳定，整个过渡期时间缩短了34%。同时，各渠池动态目标水位的变化范围被严格控制在0至0.078米之间，完全满足工程运行允许的±0.15米变幅要求，且形成的“小流量、高水位”运行状态正是形成稳定平封冰盖的理想条件。

　　在模拟常规扰动的“小流量增加工况”下，新算法相较于另一种先进的“水位软约束MPC”方法，趋稳时间也缩短了41小时(提升54%)，且过渡过程更为平稳，没有出现频繁的水位小幅波动。

　　研究表明，该动态目标水位MPC算法通过“目标牵引、提前动作”的机制，在几乎不牺牲水位控制平稳性的前提下，大幅压缩了水力过渡时间。这为南水北调中线工程应对冬季冰情、实现“尽量晚切换、尽量早恢复”的优化调度提供了强有力的理论工具和决策依据。该研究成果不仅能直接提升工程冬季输水效益，其提出的“动态目标轨迹”控制思想，也为其他大型调水工程的智能化调度与应急响应提供了有益的范式参考。