参加该书编写的都是近年活跃在农业水土工程学科科研一线的专家，主
要包括中国农业大学中国农业水问题研究中心康绍忠、冯绍元、黄冠华、李
光永、杜太生，西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室蔡焕
杰、汪志农、魏晓妹、马孝义、吕宏兴、张富仓、粟晓玲、胡田田、宋松柏、
何武全，中国水利水电科学研究院水利研究所李久生，国家节水灌溉杨凌工
程技术研究中心吴普特、冯浩，武汉大学王长德、邵东国，西安理工大学费
良军，石河子大学李明思，长江大学朱建强，中国农业科学院农田灌溉研究
所孙景生，中国科学院、水利部水土保持研究所郑粉莉、高学田，中国科学
院石家庄农业现代化研究所张正斌，香港浸会大学张建华，农业部天津环境
保护监测研究所徐应明，北京市水利科学研究所师延武，山西省水利科学研
究所王仰仁等。该书由康绍忠教授主编，杜太生任本书编写组学术秘书，协
助主编做了大量具体工作。由于编者水平、时间所限，对各自领域的*新进
展的了解还不是十分全面，对有些问题的认识和判断还有待于更进一步深化，
错误和不足之处亦必颇多，恳请同行专家指教。
    编  者
    2005年1月

第七章  明渠非恒定流理论与模拟及调控
    **节  非恒定流理论与应用的研究状况
    一、明渠水流的不恒定性
    由于降雨补充、分支汇流以及沿程人渗等作用，自然河道中的水流几乎始终是不恒定
的。与此类似，灌区中的输、配水渠系的水流也由于需水的时变性、沿程分流及渗漏损失
等作用而经常处在变动之中。例如，灌区中不同作物所要求的灌水时间不同及灌水量不
同，使得渠系在不同时问里要输、配不同流量和水量。采取轮灌制的灌区，渠系沿程不同
分水点在不同时间有各自的计划流量分出，从而使输水渠的水流变动。为了提高灌区的用
水效率，不仅要求渠系能稳定地以设计流量运行、降低渗漏损失率，而且还要求其能够适
时、适量地向需水农田供水。同时，还要求渠系尽量减少弃水。要达到这些要求，必须对
渠系水流的动态过程有全面的了解，才能对其进行控制。
    系统分析理论的应用，已经能使灌区的配水计划达到相对优化的程度。然而，水流在
渠系中运行存在一个过渡过程。从上游到下游，从低水位涨到高水位或从高水位落到低水
位，都不是瞬间完成的，必须经过一个时间过程，才能从一个水流状态过渡到另一个水流
状态。一次输、配水中，优化的配水方案包含多个不同的输、配水流量和水量组合，即包
含多个不同的渠系水流状态。要执行每一个流量或水量，渠系水流都要经过一个过渡过程
才能达到相应的状态。这样，任何优化的配水方案在实际执行过程中都可能由于过渡过程
的存在而不能保证适时、适量向农田供水，使其失去了优化的意义。解决这一问题的方法
是利用渠系控制器(如闸门)对水流状态进行调控，缩短过渡过程，使其尽快稳定。渠系
水流调控的研究是以明渠非恒定流理论为基础。数学模型多以圣一维南(Saint Venant)
方程为主。
二、地面灌水系统的水流不恒定性
    同输、配水明渠水流一样，地面灌水系统中的水流也是非恒定的。沟、畦中的水流
  一边向前推进，一边下渗，导致地面上水流流速及流量沿程变化。任何一个田间灌水
  系统都被要求能实现设计灌水定额和灌水均匀度。目前的监测手段和分析理论已能够
  得到较为准确合理的灌水定额。然而，由于地面灌水的不均匀，造成有些地点灌水量
  大，有些地点灌水量小，使精确合理的灌水定额在实践中失去了意义。要解决这个问
  题，就要对水流过程进行调控。地面灌水系统水流调控的研究也是以明渠非恒定流理
  论为基础。
     三、明渠非恒定流理论在农业水土T程中的应用
    把明渠非恒定流理论用于渠系水量调控*早起源于20世纪60年代(Wylie 1969)。
  人们把Saint Venant方程同渠系闸门运行过程(Gate Stroking)相结合，分析研究为满足
  某一输、配水目标，相应渠系水流动态的闸门所应执行的调控措施，以及闸门调节对渠系
  水流的影响。国外学者(Merkley等，1990)分析认为，由于闸门操作不当而造成的渠系
  水量损失很大。而渠系水流的非恒定性使得人工准确调控闸门变得十分难。对明渠非恒定
  流进行模拟从而得出闸门运行制度不仅有利人员培训、渠系运行质量提高，更有利自动化
  调控的实施。因此，该问题的研究和技术应用成为许多国家水利专家关注的对象。美国、
  法国、日本、比利时、新西兰及伊朗等国都试验性地应用过非恒定流的调控技术。其中美
  国亚利桑那州中部输水渠系以明渠非恒定流理论为基础，通过摇感对渠系配水进行调控
  (Zimbelman等，1983)。美国土木工程学会1987年成立了灌溉渠系水力模型项目组，旨
  在研究明渠非恒定流及渠系控制算法(Bautista等，1999)。在多年应用实践基础上开发
  出4套较为通用的明渠非恒定流系统调控软件，并对其进行了测试。目前，国外在明渠非
  恒定流理论研究及应用方面发展很快，不仅把现代控制理论引入到明渠水流调控的研究领
  域(Reddy，1990)，而且把明渠非恒定流理论用到渠系自动控制的研究领域(Bautista，
  1997；Schuurmans，1997)取得许多成果。
    中国在这一领域的研究进展也十分显著。20世纪50年代，我国学者对Saint Venant
  方程的求解提出了有价值的方法(林秉南，1952)。80年代不仅对Saint Venant方程计算
  进行了系统研究和总结(谭维炎，1982)，而且把现代控制理论用到明渠非恒定流调控技
  术研究中(王念慎等，1989)。进入21世纪，这方面的研究和应用成果更多(李明思，

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