调水工程的水力控制是一门新的边缘性科学，主要研究调水工程中的水力控制问题。该学科涉及明渠和管道水力瞬变理论、冬季冰期输水理论、水力机械理论、自动控制理论、变速电机调节理论、大系统的运行最优化理论、水力检测信号处理理论，以及现代计算机数字三维视景仿真等高新科技。尤其是计算机数字三维视景仿真新科技对南水北调工程建设具有重大的实际意义。
    调水工程运行的水力控制计算机仿真可分为两个阶段：工程设计阶段的离线计算机仿真和建成后的在线计算机实时仿真。前者主要为设计服务，后者主要为实时水力控制及运行管理人员的培训服务。
南水北调中线工程水力控制计算机数字三维实时仿真系统结构（如图1所示），打开浏览界面、操作系统，基于ARC／INFO地理信息系统（GIS）的数据库、全系统水力控制动态过程仿真模块、优化调度和经济运行模块、系统模型特性辨识模块、运行故障诊断系统模块、数字三维视景仿真模块等组成数字三维仿真结构，其中全系统水力控制动态过程仿真模块是核心。
浏览界面是与用户交流的接口，包括各种操作帮助、说明的图表、文件和信息。通过浏览界面、键盘、打印机、培训终端、语音报警装置和大屏幕投影等设备进行人机联系，实现对参数设定、程序修改、技术开发及技术培训。  
    基于ARC／INFO地理信息系统（GIS）的数据库：面向工程管理和决策层的可视化动态信息管理系统，使数据管理与空间地理信息融为一体。多层次、多方位直观地显示相关数据、图形和多媒体等信息，提供各种管理工作元素在空间的分布状况和实时运行状况，分析其内在联系，提高各业务部门的快速响应能力和协同处理能力，提高管理的科学化、规范化水平。
全系统水力控制动态过程仿真模块：包括渠道或无压隧洞或涵管的非恒定流计算模块、管道水击计算模块、北京段变速泵的自动控制的动态仿真模块、管道阀门调节模块、明渠闸门调节模块等。
    优化调度和经济运行模块：以工程为系统建立优化数学模型，目标是降低输水能耗，减少弃水和闸门启闭机频繁操作，延长相关水利设施、设备使用寿命，提高水资源利用率，减少系统运营成本，提高水利工程管理效率，提高经济效益和社会效益。采用动态规划方法确定明渠各调节闸门开度、泵站机组运行台数和变速机组的转速等。
    系统模型特性辨识模块：系统模型特性数据，如管道、明渠水头损失系数、闸阀特性、机组效率等，是水力控制动态仿真、优化调度和经济运行决策的基础。根据水力检测系统实测的水位、水压、流量等参数，采用最小二乘法对系统模型特性数据进行在线和离线辨识。
    运行故障诊断模块：开发智能专家系统和实时检测数据的辨识和滤波软件，利用全系统水力控制动态过程仿真结果和检测系统实时检测数据（如水压／水位、流量、闸门／阀门开度、机组转速等）的比较，对全系统的运行安全进行监测监控，并对故障进行实时诊断、报警。
    数字三维视景仿真模块：利用计算机三维数字视景仿真技术对规划设计的景观（如输水线路、组成元件形状。地理环境条件、水流的运动等）和水力控制动态仿真结果进行三维建造，营造一个直观形象的立体虚拟水力系统，其特点是：
●真实的工程景观及周围环境的再现（如图2所示）；
●场景的流畅交互，允许系统的操纵者可以在虚拟的调水工程水力系统中漫游，对水力系统的景观和任意元件进行任意角度的观察；
●交互建模的实现，可以方便地更新场景中的元件和景观，包括流道、泵站、控制闸阀以及水流的运动景观。
    开发南水北调中线工程水力控制的计算机数字三维实时仿真系统，对正在规划设计的调水工程，可以达到下述目的：
（1）可以追踪输水工程的各个发展阶段，从工程的总体规划、设计、施工，到投产运行，对各个不同发展阶段的不同方案进行仿性，定量分析，提高决策的科学性；
（2）可以达到规划设计方案的最优化，而不仅仅是工程各个环节设计的最优化，在保证设计可靠性的条件下，减少工程投资；
（3）可以保证工程投产后的运行经济性，全面的、系统的考虑影响全系统运行效率的各种因素的相互影响和作用；
（4）可以对修建过程中全系统的机电设备、自动检测系统和自动化系统设备的设计和工程的国际招标提供科学依据；
（5）可以利用开发的水力控制计算机软件对运行管理人员进行在线和离线的情景模拟培训；
（6）可以避免不同学科，如管道水击，明渠非恒定流，闸门、阀门和水力机械的自动控制，水工建筑物的优化设计等专业的重复研究，节省研究经费；
（7）该仿真系统也是今后“数字南水北调工程”的核心组成部分。
南水北调中线工程规模宏大，调水量流量大，全系统的明渠、隧洞和倒虹吸断面尺寸是按照稳态运行工况设计的，是否能够满足动态运行调节水力控制的要求是必须弄清楚的重大关键技术问题。另一方面，合理地选择总干渠的运行控制模式，调蓄水库、闸门、分水闸及北京段泵站变速泵的协联调节规律及其性能指标，对于全系统的明渠、隧洞、倒虹吸断面尺寸以及全系统水力监测监控系统的设计有很大影响。上述问题不仅影响工程的总体规划设计和投资，而且关系到工程建成后能否保证水量分配到位，因此研究解决这些问题具有重大的实际意义。
（作者：中国水利水电科学研究院水力学所水力控制研究室主任，教授级高级工程师，博士研究生导师）