南水北調(diào)東線工程山東段水量分配方案研究

聶艷華，段文剛，劉 東

（長江科學院水力學研究所，武漢 430010）

南水北調(diào)東線工程山東段水量分配方案研究

聶艷華，段文剛，劉 東

（長江科學院水力學研究所，武漢 430010）

對南水北調(diào)東線工程山東段水量調(diào)度方式進行了研究，建立了水量分配的概化模型，提出了分配方案編制模型的功能要求，進行了模型設計，建立了模型與方案編制系統(tǒng)的接口，以及方案編制系統(tǒng)的功能模塊。該模型可以制訂年、月、旬不同時段長度的分水口門水量分配計劃，并將細化的旬計劃下發(fā)到實時調(diào)度模型。本模塊上與日常業(yè)務處理子系統(tǒng)銜接，下與實時調(diào)度子系統(tǒng)銜接，并可以根據(jù)用水戶的反饋意見滾動修正水量分配計劃。

南水北調(diào)東線工程；山東段；水量分配；調(diào)度

1 基本情況

1．1 工程概況

南水北調(diào)東線一期工程自蘇魯省界進入山東省韓莊運河，經(jīng)臺兒莊、萬年閘、韓莊三級泵站提水進入南四湖的下級湖，經(jīng)下級湖湖內(nèi)航道及東股引河至南四湖二級壩，由二級壩泵站提水進入南四湖上級湖，經(jīng)湖內(nèi)航道進入梁濟運河，由長溝、鄧樓兩級泵站提水進入柳長河，再由八里灣泵站提水入東平湖（老湖區(qū)），經(jīng)東平湖后，分兩路分別向黃河以北和膠東地區(qū)供水。向黃河北供水線路，經(jīng)穿黃隧洞過黃河，自流進入小運河至臨清，一期工程向北經(jīng)七一河、六五河進入大屯水庫；向膠東地區(qū)供水線路，由東平湖渠首閘引水，經(jīng)膠東輸水干渠輸水，向濟南市及其以東的膠東地區(qū)供水。入下級湖設計流量200 m3／s，入東平湖100 m3／s，膠東輸水干線50 m3／s，過黃河50 m3／s。山東境內(nèi)以東平湖為節(jié)點分為南北、東西2大輸水干線，形成“T”字形輸水大動脈，干線長1 191．81 km（見圖1）。

南北輸水干線：自蘇魯省界起，自南至北分為3部分，即魯南輸水干線、穿黃樞紐工程、魯北輸水干線。

東西輸水干線：東西起東平湖渠首引水閘，東至威海市米山水庫，全長704．5 km，分為西、中、東3段組成。

1．2 水量調(diào)度控制建筑物

工程水量調(diào)度的基本單元是閘（泵）。全線共布置節(jié)制閘36座，分水閘26座，梯級提水泵站7座，控制閘13座。

圖1 南水北調(diào)東線山東段路線圖Fig．1 Shandong segment in the east route of South to North W ater Transfer Project

2 水量調(diào)度特點與目標

2．1 水量調(diào)度特點

東線山東段輸水方式為泵站提水和自流輸水。東平湖以南輸水干線有7級梯級泵站，膠東輸水干線和魯北輸水干線主要為自流。輸水沿線河湖交錯，水網(wǎng)復雜；各類控制建筑物和交叉建筑物眾多；調(diào)水功能與防洪、排澇、灌溉和航運等功能相互結(jié)合；已有的跨流域調(diào)水和新增的東線調(diào)水并存且分水口眾多，水量調(diào)度關系復雜。

水量調(diào)度不利方面：東線一期工程山東段受水區(qū)點多、線長、面廣，水量調(diào)度運行管理任務繁重，技術復雜。

水量調(diào)度有利方面：①水源豐富，供水穩(wěn)定，保證程度高；②多級水庫調(diào)節(jié)，調(diào)度較為靈活方便。

2．2 水量調(diào)度目標

東線一期工程山東段水量調(diào)度的主要任務是將有限的水量進行科學合理的分配，然后通過沿線控制建筑物的調(diào)節(jié)，將水量送達各分水口門。水量調(diào)度總目標為：安全、實時、適量、高效、經(jīng)濟［1］。

3 水量分配方案編制

水量分配方案編制主要任務是建立東線山東段水量分配的系統(tǒng)概化模型。該系統(tǒng)是水量調(diào)度管理從宏觀控制到微觀調(diào)度的過渡層。該模型通過接收水源區(qū)可供水量及受水區(qū)需水計劃，綜合考慮各方面因素制訂出年、月、旬不同時間梯度的全線各分水口門水量分配計劃，并將細化的旬計劃下發(fā)到實時調(diào)度模型，形成調(diào)度指令［2］，供現(xiàn)地站控制。具體任務為數(shù)學概化、數(shù)據(jù)準備、方案編制、方案管理等。

3．1 水量分配方案編制的原則

南水北調(diào)東線工程水量分配方案編制原則為：①安全高效運行；②合理利用有限的水資源；③不超過渠道過流能力；④不超過泵站提水能力；⑤考慮沿線水庫、河流、湖泊的調(diào)蓄能力；⑥供水效率最大化，供水成本最小化；⑦協(xié)調(diào)各行政區(qū)劃的利益；⑧充分考慮受水區(qū)的氣候、地理特征。

3．2 技術路線

判別受水區(qū)水量申請是否符合相關規(guī)定或管理辦法，完成以月為步長的年度水量分配計劃；結(jié)合氣候變化特征及冬季輸水特殊要求，完成月水量分配計劃的適時調(diào)整；結(jié)合中短期氣象預報情況及沿線實時水情信息，確定旬水量分配計劃。冬季冰期時，按冰期運行標準和原則，制訂冰期的水量分配方案。應急狀態(tài)下，按應急預案制訂應急輸水方案。將水量分配計劃載入實時水量調(diào)度模型，生成實時調(diào)度指令。根據(jù)反饋信息（渠道水位流量監(jiān)測信息、分水口實時分水信息等），及時由水量分配模型進行滾動修正。水量分配模型的細部流程如圖2。

3．3 水量分類

東線山東段分配給用戶的水量可分為3類：基本水量、活動水量和應急水量。

3．3．1 基本水量

基本水量由水源區(qū)可調(diào)水量決定?；舅繉儆谟脩舻幕舅畽?，保證性較高，可依據(jù)長江干流取水口的徑流量調(diào)節(jié)計算成果確定，每一年度末，根據(jù)各水源的蓄水情況及對下一年度的來水預測，確定可調(diào)水量。在此基礎上，通過對各分水口門以下當?shù)厮Y源及調(diào)蓄水庫情況，結(jié)合年度氣候變化，分區(qū)域（臺兒莊—東平湖段、膠東段、魯北段）進行水量平衡計算。綜合考慮供水效果及水資源利用情況，確定沿線各分水口門基本供水量的分配。

圖2 年內(nèi)水量分配模型流程Fig．2 Flow chart of the yearly water allocation model

3．3．2 活動水量

超出基本水量的調(diào)水量為活動水量?；顒铀侩S長江流域的來水有豐枯變化，并受渠道過流能力限制［1－2］。當受水區(qū)需水量小于可調(diào)水量時，沿線各口門需水均能得到滿足，若受水區(qū)的需調(diào)水量大于可調(diào)水量時，則需通過研究不同水量分配方案的供水效果，根據(jù)沿線用戶的反饋情況，并經(jīng)過各方協(xié)商提出分配方案。

3．3．3 應急水量

應急水量主要是在基本水量的保證基礎上，應預留一部分水量作為應急水量，在個別受水區(qū)出現(xiàn)特殊需水量大增的情況下使用。應急水量與活動水量區(qū)別在于應急水量一般情況下是不用的，而活動水量則是根據(jù)水量分配計劃的滾動調(diào)整而變動的。

3．4 供水優(yōu)先級

根據(jù)南水北調(diào)東線工程的設計目標，東線工程增供水量中非農(nóng)業(yè)用水約占68%，第一期工程完成后可滿足受水區(qū)2010水平年的城鎮(zhèn)需水要求。長江—洪澤湖段農(nóng)業(yè)用水基本可以得到滿足，其他各區(qū)農(nóng)業(yè)供水保證率可達到72%～81%；第二期工程完成后可滿足受水區(qū)2010水平年的城鎮(zhèn)需水要求，長江—洪澤湖段農(nóng)業(yè)用水基本可以得到滿足，其他各區(qū)農(nóng)業(yè)供水保證率可達到76%～86%；第三期工程完成后可基本滿足受水區(qū)2030水平年的用水需求，城鎮(zhèn)需水可完全滿足，蘇皖兩省的農(nóng)業(yè)用水可達到設計保證率。

在水量分配方案的制訂過程中，應考慮沿線各受水區(qū)域的供水保證優(yōu)先級。當供不應求時，按分配水量低于需水的指定系數(shù)試算確定虧水分配序列，如虧水序列無法滿足，則削減供水優(yōu)先級較低單元的分配水量。

根據(jù)供水優(yōu)先級調(diào)整水量分配計劃，如圖3所示。

圖3 水量優(yōu)先分配流程Fig．3 Flow chart of priority allocation of water amount

3．5 輸水損失

東線山東段線路長，輸水過程中由于蒸發(fā)、滲漏等原因引起的輸水損失將不能忽略，但損失估算也是困難的。

水量蒸發(fā)與渠道、水庫的平面面積、渠道水庫所在地域的氣候條件、空氣濕度、光照強度及地理地勢等諸多因素有關，難以準確計算。

渠道運行初期，襯砌較為完備，滲漏損失量較小。隨著時間的推移，出現(xiàn)襯砌老化，結(jié)構(gòu)破壞，滲漏損失將會加大。沿線地下水位不同、閘站止水差異等會造成不同的漏水損失量［3］。

此外，冰期輸水中除冰排冰也會引起水量損失。

綜合上述分析，輸水損失組成復雜，且對水量分配方案的制訂至關重要。建議對東線工程的輸水損失進行原型觀測，并參考類似工程的經(jīng)驗，確定輸水損失系數(shù)。

3．6 分配方案編制

年水量分配方案編制應遵循“宏觀控制、微觀調(diào)整、實時反饋、滾動修正”的原則。月、旬分配方案須按已分配的實際水量、反饋信息、輸水損失系數(shù)率定值及預測信息，進行滾動修正［4－5］。

根據(jù)東線山東段的實際情況，分東平湖以南、魯北和膠東3個部分編制水量分配方案。

3．6．1 年計劃

實際運行調(diào)度中，上年度末水源區(qū)向調(diào)度中心提供下一年度可供水量預報，受水區(qū)用戶根據(jù)當?shù)厮?、氣象、生產(chǎn)、生活及水資源狀況制定下一年度用水需求計劃，并按行政區(qū)劃、分水口門報送到調(diào)度分中心，調(diào)度分中心按照分水指標平衡后上報調(diào)度中心。調(diào)度中心根據(jù)前期供水和預留水量，綜合考慮可供水量、用戶用水需求、渠道泵站的過流能力、分水口供水優(yōu)先級等，與水源公司會商后制定年度調(diào)水計劃。年度水量分配的結(jié)果是每月的基本水量和活動水量之和。年計劃編制方法如圖4所示。

圖4 年度水量分配方案編制流程Fig．4 Flow chart of establishing the yearly water allocation plan

3．6．2 月計劃

在年度水量分配計劃的基礎上，水源公司根據(jù)水源地的水量預報及來水信息，確定當月可供水量。受水區(qū)用戶根據(jù)當?shù)厮?、氣象、生產(chǎn)、生活及水資源狀況制定當月用水需求，考慮工程當月檢修及渠道的輸水能力，進行月平衡計算和滾動修正，按行政區(qū)劃、分水口門上報調(diào)度分中心。分中心按照分配指標平衡后上報總調(diào)中心，匯總成月內(nèi)各旬的調(diào)水分配方案。月計劃編制方法如圖5所示。

圖5 月水量分配方案編制流程Fig．5 Flow chart of establishing themonthly water allocation p lan

3．6．3 旬計劃

在月調(diào)水計劃的基礎上，調(diào)度中心根據(jù)旬可供水量、渠道泵站的過流能力，結(jié)合短期水文氣象預報，調(diào)整每日供水計劃和水量分配方案，形成調(diào)度指令。旬計劃編制方法如圖6所示。

3．6．4 冰期調(diào)度計劃

在年水量分配方案制定的過程中，應考慮山東冬季冰情特征，及黃河干流冬季冰塞、冰壩的處理經(jīng)驗、引黃濟津冬季引水發(fā)生的冰情、南水北調(diào)中線工程冰期輸水研究成果，制訂相應冰凌情況下的冬季水量分配方案。

圖6 旬水量分配方案編制流程Fig．6 Flow chart of establishing the ten day water allocation plan

4 結(jié) 語

結(jié)合南水北調(diào)東線山東段的工程特點建立水量分配模型，以水源區(qū)可供水量及受水區(qū)需水計劃為依據(jù)，綜合考慮各方面因素制訂出年、月、旬的全線各分水口門水量分配計劃，并將旬計劃下發(fā)到實時調(diào)度模型計算調(diào)度指令。調(diào)度指令通過調(diào)度系統(tǒng)中其他模塊下發(fā)到現(xiàn)地閘站后執(zhí)行。水量分配模型可為東線水量調(diào)度系統(tǒng)的建立提供參考。

［1］ 劉子慧，劉查整，吳澤宇．南水北調(diào)中線工程調(diào)度方式簡介［J］．人民長江，1993，11（2）：16－19．（LIU Zi hui，LIU Cha zheng，WU Ze yu．The Dispatch of the Middle Route Project of S N Water Diversion［J］．Yangtze River，1993，11（2）：16－19．（in Chinese））

［2］ 黃會勇，毛文耀，范 杰，等．南水北調(diào)中線一期工程輸水調(diào)度方案研究［J］．人民長江，2010，41（16）：8－13．（HUANG Hui yong，MAO Wen yao，F(xiàn)AN Jie，et al．Study of Water Conveyance Schemes of Phase IWorks of Middle Route Project of South to North Water Diversion［J］．Yangtze River，2010，41（16）：8－13．（in Chinese））

［3］ 楊永生，劉聚濤，李榮?R，等．基于水量分配方案的非汛期水量調(diào)度方案編制［J］．人民長江，2011，42（15）：9－12．（YANG Yong sheng，LIU Ju tao，LIRong fang，et al．Research on Formulation ofWater Quantity Regulation Scheme in Non flood Season Based on Water Allocation Plan：A Case of Fuhe River Basin in Jiangxi Province［J］．Yangtze River，2011，42（15）：9－12．（in Chinese））

［4］ 董延軍，蔣云鐘，王 浩，等．南水北調(diào)中線水量分配準市場模型研究［J］．南水北凋與水利科技，2007，5（1）：10－12．（DONG Yan jun，JIANG Yun zhong，WANG Hao，et al．Quasi market Model for Water Allocation in Middle Route of SNWDP［J］．South to North Water Trans fers and Water Science＆Technology，2007，5（1）：10－12．（in Chinese））

［5］ 閏大鵬，王 莉．黑河干流生態(tài)水量調(diào)度方案［J］．人民黃河，2011，33（1）：54－58．（YAN Da peng，WANG Li．A Regulation Plan for Ecological Water Use from the Main Heihe River［J］．Yellow River，2011，33（1）：54－58．（in Chinese））

［6］ 田學民，解建倉，菅玉敏．基于Web的水量調(diào)度系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［J］．寧夏工程技術，2009，8（3）：217－220．（TIAN Xue min，XIE Jian cang，JIAN Yu min．Web Based Water Scheduling System Research and Implementa tion［J］．Ningxia Engineering Technology，2009，8（3）：217－220．（in Chinese））

［7］ 李 燕，滕 陽．南水北調(diào)中線干線工程水量調(diào)度系統(tǒng)設計與研究［J］．水利水電技術，2008，39（5）：82－84．（LI Yan，TENG Yang．Design and Research on Water Regulation System for Mid route of South to North Water Transfer Project［J］．Water Resources and Hydropower Engineering，2008，39（5）：82－84．（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

W ater Allocation M odel for Shandong Segment of the East Route of South to North W ater Transfer Project

NIE Yan hua，DUANWen gang，LIU Dong
（Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

In the present paper，a generalizedmodel ofwater allocation is established to research thewater dispatch in Shandong segment of the east route of South to North Water Transfer Project．The requirements and principles of themodel are proposed，and the functionalmodules of formulating water allocation plans are built．Through this model，in the light of available water supply in the source region and water demand in the receiving region，the yearly，monthly，and ten day water allocation planning at the diversion entrances can be established，and the de tailed planning in a period of10 days can be distributed to the real time dispatchingmodel．Thismodel is connect ed upward with the daily business operation sub system and downward with the real time dispatching sub system．It can also be used to revise the water allocation planning according to feedbacks from water consumers．

east route of South to North water transfer Project；Shandong segment；water allocation；dispatching

TV213．9

A

1001－5485（2013）08－0075－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．017

2013，30（08）：75－78

2013－04－16；

2013－07－02

聶艷華（1983－），男，湖北荊門人，碩士研究生，主要從事水力學及河流動力學研究，（電話）18627897189（電子信箱）yuanauy111＠126．com。