《南水北调中线总干渠智慧输水调度关键技术研究与应用》以南水北调中线工程为对象，围绕智慧输水调度关键技术开展研究攻关。通过中线智慧输水调度与数字孪生输水调度系统的介绍，深度探析了中线智慧输水调度在参数预测、数字孪生预演等方面的应用；通过水情数据清洗、水力特性分析、实时水力调控、闸门过流计算等模型的研发，开展了基于数据挖掘技术的中线输水仿真模拟和基于现代智能算法的中线总干渠水力调控技术研究；针对冰期冷暖变化特征分析、冰期输水运行分析等，开展了中线总干渠冰期输水规律挖潜。
　　《南水北调中线总干渠智慧输水调度关键技术研究与应用》可作为明渠调水工程运行管理业务技能的培训用书，也可作为高职高 专水利工程学生的参考教材。

　　第1章 绪论
　　1.1 工程概况
　　1.1.1 南水北调工程基本情况
　　水资源是社会经济发展的重要基础，也是生态环境系统重要的组成成分。水资源合理配置关系到经济的可持续发展和生态环境的平衡与稳定，是重要的战略问题。南水北调工程是缓解我国北方地区水资源严重短缺局面的重大战略性基础设施。1952年10月毛泽东主席视察黄河时谈到“南方水多，北方水少，如有可能，借点水来也是可以的”，提出了南水北调的宏伟设想并由此揭开了中国历史上南水北调的序幕。经过近半个世纪的前期工作和反复研究论证，又历经逾十年建设，南水北调大功初成。习近平总书记强调，南水北调工程事关战略全局事关长远发展、事关人民福祉，要从守护生命线的政治高度，切实维护南水北调工程安全、供水安全、水质安全。
　　南水北调工程规划为东、中、西三线，跨长江、黄河、淮河、海河四大流域。，全长4350km，调水总规模448亿m3。工程建成后将形成“四横三纵”的宏大水网，构建“南北调配、东西互济”的水资源格局。东线工程规划从江苏省扬州市附近的长江干流引水，利用京杭大运河以及与其平行的河道输水，连通洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖，并作为调蓄水库，经泵站逐级提水进入东平湖后，分水两路：一路向北穿黄河后自流到天津，另一路向东经新辟的胶东地区输水干线接引黄济青渠道，向胶东地区供水。中线工程从长江最大支流汉江中上游的丹江口水库调水，经长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口，沿华北平原中西部边缘开挖渠道，在荥阳通过隧道穿过黄河，沿京广铁路西侧北上，自流到天津市外环河和北京市团城湖的输水工程。西线工程从长江上游通天河雅砻江和大渡河调水至黄河，补充黄河水资源不足，解决西北地区干旱缺水问题。
　　东、中两线一期工程分别于2002年12月2003年12月开工建设，2013年11月东线正式通水运行，2014年12月中线全线通水。西线尚在论证中。东、中两线通水以来，社会、经济、生态环境效益凸显。
　　1.1.2 南水北调中线一期工程基本情况
　　南水北调中线工程自丹江口水库引水，向河南省、河北省、北京市、天津市自流输水，全长1432km。其中，自陶岔渠首至北京团城湖全长1277km，天津干线自西黑山分水口引出，至天津外环河出口闸全长155km。工程主要采用新开明渠输水，渠道主要采用梯形断面，全断面进行混凝土衬砌；北京段长80km，采用PCCP管和暗涵相结合的输水形式；天津干线采用暗涵输水形式。
　　南水北调中线干线工程线路示意见附图1。
　　中线工程自2014年12月12日全线通水以来，截至2024年10月安全、平稳、持续调度运行了10个供水年度，累计调水量超过673亿m3。工程沿线20多座大中城市，200多个县（市、区）用上了“南水”，受益人口连年攀升，直接受益人口达8500多万人。工程从根本上改变了受水区供水格局，改善了供水水质，提高了供水保证率各受水城市的生活供水保证率由最低不足75%提高到90%以上，工业供水保证率达90%以上。目前，“南水”已占北京市城区供水的七成以上，天津主城区供水基本为“南水”，河南省11个省辖市用上“南水”，其中郑州中心城区90%以上居民生活用水为“南水”。河北省沧州市衡水市、邯郸市等地区，500多万群众告别了长期饮用高氟水和苦咸水的历史。
　　中线干线工程布置各类建筑物共计2387座，包括输水建筑物159座，其中渡槽27座，倒虹吸102座，暗渠17座，隧洞12座，泵站1座；穿总干渠间渠交叉建筑物31座；左排建筑物476座；渠渠交叉建筑物128座；控制建筑物304座；铁路交叉建筑物51座；公路交叉建筑物1238座。
　　1.1.2.1 工程等级
　　中线干线工程是特大型输水工程，依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252－2000），中线干线工程为I等工程，渠道及各类交叉建筑物和控制建筑物等主要建筑物按1级建筑物设计；附属建筑物河道防护工程及河穿渠建筑物的上下游连接段等次要建筑物按3级建筑物设计；临时建筑物按4～5级建筑物设计。
　　北京段、天津干线的管道（管涵）及管道附属建筑物，包括泵站分水口建筑物、连通建筑物、阀井建筑物、排水和排气建筑物等，以及各类交叉建筑物均为1级建筑物；压力管线穿越河道时管线河道防护工程隧洞进出口的防护工程等次要建筑物为3级建筑物；临时建筑物为4～5级建筑物。
　　渠道与公路、铁路交叉建筑物的设计标准，满足相关专业的设计标准和规定。
　　1.1.2.2防洪标准
　　根据有关标准以及中线干线工程的工程级别和建筑物级别，集水面积大于20km2的河渠交叉建筑物防洪标准按100年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核；集水面积小于20km2的左岸排水建筑物防洪标准按50年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核；工程与各类河渠交叉左岸排水建筑物连接段的防洪标准与相应主体建筑物的防洪标准一致；穿黄工程设计洪水标准为300年一遇校核洪水标准为1000年一遇。
　　1.1.2.3 抗震设计标准
　　建筑物的抗震设防烈度与工程区地震基本烈度相同，对于重要的建筑物进行专门的地震安全评价。地震基本烈度按中国地震局分析预报研究中心编制的《南水北调中线工程沿线设计地震动参数区划报告（2004年4月）》划定。
　　根据《水工建筑物抗震设计规范》（SL203－1997），设计烈度小于或等于6度的渠道和建筑物均不进行抗震计算，但采取适当的抗震措施；对设计烈度为7度的主要建筑物及高填方、高边坡和特殊类土或饱和砂层等不良地质段的渠道进行抗震设计；对设计烈度为8度的渠道隧洞进行抗震设计。其地震动参数值按中国地震局分析预报研究中心编制的《南水北调中线工程沿线设计地震动参数区划报告（2004年4月）》提供的成果，作为抗震设计依据。
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第1章 绪论 （1）
1.1 工程概况 （1）
1.2 国内外研究现状 （3）
1.3 主要研究内容和技术路线 （5）

第2章 中线智慧输水调度与数字孪生输水调度系统 （7）
2.1 中线智慧输水调度探析 （7）
2.2 智慧水力学及在长距离输水调度中的应用 （18）
2.3 基于智慧水力学的长距离调水工程调度参数预测方法研究 （27）
2.4 中线数字孪生输水调度仿真预演系统研发 （34）

第3章 基于数据挖掘技术的中线输水仿真模拟 （42）
3.1 基于PSO算法的总干渠水情数据智能清洗 （42）
3.2 基于信息扩散神经网络的总干渠水面线计算 （55）
3.3 南水北调中线典型输水渠道水力响应特性分析 （63）
3.4 基于一维快速精准仿真技术的应急输水调度模拟 （69）

第4章 基于现代智能算法的中线总干渠水力调控技术 （77）
4.1 基于双调和样条插值法和量纲分析法的节制闸过流计算 （77）
4.2 基于LSTM神经网络和量纲分析法的节制闸过流计算 （85）
4.3 小样本条件下中线退水闸过闸流量率定研究 （95）
4.4 中线总干渠输水调度实时控制模型研究 （104）
4.5 基于可变模糊集的南水北调中线水力调控综合评价 （111）

第5章 中线总干渠冰期输水规律挖掘 （121）
5.1 基于标准化温度指数的南水北调中线沿线地区冷暖冬评估 （121）
5.2 中线工程安阳河以北段冬季冷暖变化特征分析 （130）
5.3 中线冰期输水段冬季异常低温事件频次变化分析 （139）
5.4 中线总干渠冰期输水运行实践分析 （149）

参考文献 （156）

附图 （159）