武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室管光華團隊在《水利學報》發表論文《南水北調中線工程冬季輸水動態目標水位控制算法研究》。該研究針對南水北調中線工程冰期輸水時，傳統“小流量、低流速”模式雖有利于形成平封冰蓋，但顯著降低輸水能力的問題，創新性地提出了一種基于模型預測控制與動態目標水位的調度算法。該算法旨在保證工程安全的前提下，盡量延長冬季大流量常規輸水時間，僅在必要時快速切換至冰期模式，從而最大限度縮短“入冬過渡期”、提升冬季整體輸水效益。仿真驗證表明，新方法可將過渡期縮短34%，目標水位變幅滿足工程要求，為實現冰期安全高效輸水提供了先進可靠的技術方案。

　　南水北調中線工程冬季運行面臨嚴峻挑戰。為確保冰蓋平穩形成，需提前數日將流量降至“平封流量”(僅為設計流量的30%-47%)，這直接導致輸水能力大幅下降。研究指出，僅安陽倒虹吸閘縮短冰期輸水5天，即可多調水約5788萬立方米，凸顯了從時間維度挖掘冬季輸水潛力的巨大價值。因此，研究核心目標轉化為：如何實現從常規輸水到冰期輸水模式的高效、平穩、快速切換。

　　傳統的“下游常水位”運行方式響應慢、過渡期長，難以滿足應急快速切換需求。為此，研究團隊轉向了響應更快的“控制蓄量法”，但該方法在多級串聯渠道中的應用存在挑戰。本研究提出了一種創新的“間接控制蓄量”策略：它不直接控制水體體積，而是通過動態調整下游目標水位來實現對渠池蓄量的間接控制。具體而言，算法根據渠道進口流量與各取水口流量的實時差值，結合各渠池的水面面積和允許水位變幅，將需要調整的蓄量“智能分配”到沿線各個渠池，從而計算出每個渠池實時更新的動態目標水位。

　　為實現上述策略，團隊構建了先進的“MPC動態目標水位控制算法”。該算法以經典的積分時滯(ID)模型為基礎，建立整個輸水渠系的狀態空間方程。其核心創新在于，將動態計算出的水位偏差目標值作為一個新的狀態變量引入模型，并對模型預測控制的目標函數進行了相應修改。這使得算法在每一次滾動優化時，追求的不僅是水位穩定在某個固定值，更是要快速、平滑地追蹤這條隨流量實時變化的動態目標水位軌跡。這相當于為渠道系統預設了一條最優過渡路徑，從而顯著加快了系統的響應速度。

　　為驗證算法有效性，研究以南水北調中線冰情最嚴重的“京石段”(13個串聯渠池)為對象進行仿真。在模擬冰期應急過渡的“大流量減小工況”(流量從設計值的79%線性降至40%)下，將新算法與目前工程中廣泛采用的下游常水位PID控制算法進行了對比。結果顯示，新算法展現出巨大優勢：系統水位提前35小時達到穩定，整個過渡期時間縮短了34%。同時，各渠池動態目標水位的變化范圍被嚴格控制在0至0.078米之間，完全滿足工程運行允許的±0.15米變幅要求，且形成的“小流量、高水位”運行狀態正是形成穩定平封冰蓋的理想條件。

　　在模擬常規擾動的“小流量增加工況”下，新算法相較于另一種先進的“水位軟約束MPC”方法，趨穩時間也縮短了41小時(提升54%)，且過渡過程更為平穩，沒有出現頻繁的水位小幅波動。

　　研究表明，該動態目標水位MPC算法通過“目標牽引、提前動作”的機制，在幾乎不犧牲水位控制平穩性的前提下，大幅壓縮了水力過渡時間。這為南水北調中線工程應對冬季冰情、實現“盡量晚切換、盡量早恢復”的優化調度提供了強有力的理論工具和決策依據。該研究成果不僅能直接提升工程冬季輸水效益，其提出的“動態目標軌跡”控制思想，也為其他大型調水工程的智能化調度與應急響應提供了有益的范式參考。