南水北調(diào)中線工程應(yīng)急調(diào)度目標水位研究

聶艷華+黃國兵+崔旭+劉孟凱

摘要：以南水北調(diào)中線工程為例，建立一維應(yīng)急調(diào)度數(shù)值模型，選取典型渠段作為算例，研究中線工程總干渠突發(fā)事故應(yīng)急調(diào)度時輸水明渠節(jié)制閘閘前目標水位的設(shè)定對渠道節(jié)制閘水位壅高、渠段退水量等參數(shù)指標的影響。研究表明：目標水位的設(shè)置直接影響到渠道退水量、渠道最高水位壅高。閘前目標水位越高，渠道水位壅高越高，但渠道退水量越小。為提高應(yīng)急調(diào)度的安全經(jīng)濟性應(yīng)在保證不發(fā)生漫頂事故的前提下，盡量加大事故上游渠段節(jié)制閘前目標水位。研究成果可為中線工程應(yīng)急預(yù)案的建立提供參考。

關(guān)鍵詞：南水北調(diào)中線工程；應(yīng)急調(diào)度；目標水位；數(shù)值模型

中圖分類號：TV68 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）04-0198-05

Abstract：In this paper，we took the middle route of South-to-North Water Diversion Project as an example，and built a one-dimensional emergency dispatch numerical model of the project.On this basis，we selected some typical canal sections as cases for simulation，so as to study the impact of target water level on the canal parameters （such as water level and discharge volume）in the process of emergency dispatch.The results showed that the target water level directly affected the amount of water discharge and the highest water level before the sluice.The higher the target water level，the higher the water level rise，but the smaller the water discharge volume.To improve the safety and economy of emergency dispatch，efforts should be made to increase the target water level before the sluice as much as possible under the premise of ensuring safety.This research can provide some reference for the contingency plans of the middle route of South-to-North Water Diversion Project.

Key words：the middle route of South-to-North Water Diversion Project；emergency dispatch；target water level；numerical model

1 研究背景

1.1 工程概況

南水北調(diào)中線工程是平衡水資源空間分布不均，優(yōu)化水資源配置的重大工程。中線一期工程供水目標以北京、天津、河北、河南等主要城市生活、工業(yè)供水為主，兼顧生態(tài)和農(nóng)業(yè)用水?？偢汕滋詹黹l多年平均調(diào)水量95億m3，渠首引水設(shè)計流量為350 m3/s，加大流量420 m3/s，全線長1 432 km（含天津干渠），穿越長江、淮河、黃河、海河四大流域。工程具有全程自流輸水和沒有在線調(diào)節(jié)水庫的特點，渠道設(shè)計運行采用閘前常水位的控制方式。

中線工程總干渠參與運行調(diào)度的控制建筑物主要包括：63座節(jié)制閘、55座退水閘、1座泵站和81座分水閘。沿線節(jié)制閘將總干渠分割為63個串聯(lián)渠段，整個渠系是一個串聯(lián)系統(tǒng)，各渠段為串聯(lián)系統(tǒng)中的元件。當渠道發(fā)生突發(fā)事故需要段時間大幅度改變流量時，需要采取相應(yīng)的應(yīng)急調(diào)度閘門控制措施進行閘門調(diào)度。

1.2 應(yīng)急調(diào)度研究

目前關(guān)于輸水工程調(diào)度的研究運用數(shù)值模擬的手段較多，主要是結(jié)合實際工程，研究不同的運行方式、結(jié)構(gòu)特征條件下渠道的水力響應(yīng)過程。在應(yīng)急調(diào)度方面，張成[1]以南水北調(diào)中線工程總干渠典型渠段作為研究對象，模擬分析了非正常工況下渠段的水力響應(yīng)特征及退水閘的退水作用。研究發(fā)現(xiàn)退水閘的啟用能夠較好減小水位的壅高幅度，有效降低水流的漫溢危險。此研究考慮了退水閘在輸水工程應(yīng)急調(diào)度中的關(guān)鍵作用，但僅對發(fā)生事故的單個渠段閘門關(guān)閉時產(chǎn)生的水位壅高進行了研究，而退水閘對整個渠道的擾動影響以及該如何何時開啟或關(guān)閉才能對應(yīng)急調(diào)度更有利值得更進一步探究；袁健[2]模擬了事故工況下的渠道水力響應(yīng)過程，得到節(jié)制閘前的控制水位對渠道水位壅高和渠段的退水量有直接影響，閘前控制水位越高渠道水位壅高也越大的結(jié)論。該研究考慮了節(jié)制閘前控制水位的影響，但并不全面，在串聯(lián)渠道與沿線分退水口的耦合作用機制下，渠道各要素都是彼此關(guān)聯(lián)相互影響的，渠道水位壅高與閘門的關(guān)閉速率、退水閘的開啟關(guān)閉方式都有關(guān)系，需要綜合考慮各種因素比較分析；Soler & Joan[3]研究了一種快速有效關(guān)閉輸水渠道閘門前饋算法，這種方法基于序貫二次規(guī)劃，可快速計算閘門運動軌跡，通過保持在檢查點的水深度保持不變順利完成從初始開度到最后開度的運作。但研究并未對多種類、渠段閘門聯(lián)合應(yīng)急控制進行闡述；楊敏[4]對節(jié)制閘聯(lián)合控制中的同步控制法和順序控制法進行了研究，對不同控制方法下長距離明渠輸水系統(tǒng)在增流量和減流量工況下的各閘閘前水位、閘后水位、水力過渡時間等水力特性進行了分析比較，該研究對下游應(yīng)急關(guān)閉的減流量過程有一定闡述，但研究僅包括節(jié)制閘的兩種控制方式，并不全面，也未考慮分、退水閘的耦合作用；史哲[5]通過物理模型試驗研究了節(jié)制閘緊急關(guān)閉時寬淺渠道內(nèi)水力特征參數(shù)的變化，但研究僅限于單個渠段的節(jié)制閘關(guān)閉方式，未對多閘門聯(lián)動的水力響應(yīng)特征進行研究?？傊F(xiàn)有關(guān)于渠道應(yīng)急調(diào)度的研究成果較少，有待進一步深入研究。

中線工程總干渠是采用“閘前常水位”的控制方式，在應(yīng)急調(diào)度的渠道非恒定流響應(yīng)過程中，要求閘前水位壅高不超過壅高安全水位（一般為閘前加大水位+0.3 m超高），且渠道穩(wěn)定時的閘前水位要達到控制目標水位。此目標水位是人工預(yù)先根據(jù)渠道的實際情況設(shè)定，在事故段上游渠段，可適當抬高目標水位，上游渠段充分利用部分渠道蓄容收納部分下泄水體，減少進入事故渠段的水量，緩解事故段節(jié)制閘前的水位上漲壓力，便于事故段閘門快速關(guān)閉；事故段下游可適當降低目標水位，當上游來流切斷后可利用渠段本身的部分蓄容水量延長下游各分水口門的供水時間。然而如何選擇合適的目標水位，還有待深入研究，本文即以南水北調(diào)中線一期工程總干渠為例，重點研究應(yīng)急工況下渠道目標水位對調(diào)度過程中渠道水力特性的影響。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 基本方程

采用描述渠道非恒定流的Saint-Venant 方程組作為基本方程，將描述過閘水流狀態(tài)的節(jié)制閘過閘流量方程作為耦合條件加入處理。過閘流量方程擬采用Henrry 公式，基本可以保證在各種開度下流量的連續(xù)性，對一些特殊情況下仍然存在的不連續(xù)現(xiàn)象通過將流量系數(shù)劃分為更多分段函數(shù)的方式處理。

2.2 基本方程的離散

采用收斂快、穩(wěn)定性好的普萊士曼（preissmann）隱式差分格式進行離散，建立求解域網(wǎng)格方程組，結(jié)合渠道上下游邊界條件聯(lián)立求解。

2.3 初始條件與邊界條件處理

論文研究對象是正常運行條件下突發(fā)事故的輸水明渠，因而模型的初始條件應(yīng)為正常輸水時渠道上下游的水位流量條件，即穩(wěn)定流狀態(tài)。事故發(fā)生后的應(yīng)急調(diào)度需要一個調(diào)度目標，此目標也應(yīng)為穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)急調(diào)度的本質(zhì)應(yīng)是從一個穩(wěn)定狀態(tài)向另一個目標穩(wěn)定狀態(tài)過渡的非恒定流過程。合理邊界條件的選取是數(shù)學(xué)模型計算的前提，直接影響計算結(jié)果的正確性。本模型模擬的輸水渠道上游源頭為丹江口水庫，在正常工況下，由于水庫水位變化速度遠慢于渠道水位的變化速度，且渠首流量變化所引起的水庫水位變化基本可以忽略，因此可作為一個恒定值。若模擬中需要考慮渠首水位變化時，也可用實際的渠首閘閘前水位變化過程做為邊界條件。下邊界條件可以是已知的末端水位，也可以是已知的流量過程。另外，正常狀態(tài)下渠系的水力波動主要由分水閘流量變化引起，而分水口的流量變化一般由下游用水需求計劃確定，因此，渠首取水口的引水流量及各節(jié)制閘過閘流量可根據(jù)其下游渠道的需水過程進行調(diào)節(jié)，即可確定模擬計算的上下游流量邊界條件。渠道應(yīng)急調(diào)度時的流量邊界是人為調(diào)控的前饋量，需要通過分水閘、退水閘的配合，制定各節(jié)制閘前饋流量邊界計劃。總的來說應(yīng)急調(diào)度模擬的模型邊界條件必須根據(jù)不同的閘門控制組合和控制方式來最終確定。

3 數(shù)值計算分析

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，節(jié)制閘前目標水位特別是事故上游渠段閘前目標水位對渠道應(yīng)急調(diào)度影響較大，尤其是對渠道閘前水位變化、最大水位壅高、渠道退水量等應(yīng)急調(diào)度關(guān)鍵性控制指標的影響。在對南水北調(diào)中線工程設(shè)計參數(shù)分析后發(fā)現(xiàn)，以穿黃倒虹吸工程為分段，在穿黃節(jié)制以南渠道設(shè)計水位與加大水位相差0.5 m左右，穿黃閘以北各閘較小均為0.3 m左右，這與渠道沿線的地質(zhì)、工程結(jié)構(gòu)等特點有關(guān)，在選擇節(jié)制閘前目標水位時，考慮到渠道控制中波動及水力傳遞滯后性等因素，一般建議取值應(yīng)小于加大水位。

本文利用建立的南水北調(diào)中線工程應(yīng)急調(diào)度數(shù)學(xué)模型，分別選取中線渠道上游10號澎河節(jié)制閘至11號沙河節(jié)制閘以及下游51號漠道溝節(jié)制閘至52號唐河節(jié)制閘之間的兩段渠池發(fā)生事故來進行應(yīng)急調(diào)度模擬。模擬工況下總干渠渠首按設(shè)計流量350 m3/s供水，事發(fā)段上游各分水口門正常供水。

3.1 澎河節(jié)制閘[STBZ]（10號）-沙河節(jié)制閘（11號）案例

事故渠段臨近上下游各渠段參數(shù)如表1所示。

本文設(shè)定了5種工況，模擬在中線工程上游澎河節(jié)制閘至沙河節(jié)制閘渠池發(fā)生突發(fā)事件時，事故段以上節(jié)制閘前目標水位分別選取設(shè)計水位、設(shè)計水位+0.3 m及設(shè)計水位+0.5 m三種不同方案；下游漠道溝節(jié)制閘至唐河節(jié)制閘之間渠池發(fā)生事故時，分別選取閘前目標水位為設(shè)計水位、設(shè)計水位+0.3 m兩種不同方案。事故段及下游渠段閘前目標水位均保持設(shè)計水位。為使模擬結(jié)果有相同參照點，上游3種工況下渠道事故段節(jié)制閘關(guān)閉時間均取為40 min，下游三種工況關(guān)閉時間取為30 min。其他分水閘、退水閘控制規(guī)則亦相同。具體模擬方案見表2。

表3為澎河閘至沙河閘渠段突發(fā)事故時，按不同的閘前目標水位進行應(yīng)急調(diào)度，總干渠內(nèi)的閘前水位最大壅高值及出現(xiàn)時間，圖1為不同工況下渠道總退水量。由表中不同方案下閘前水位最大雍高趨勢可以看出，事故段上節(jié)制閘前水位（澎河節(jié)制閘）的最大壅高值隨節(jié)制閘前目標水位的增高而增大，且達到最大壅高所需時間較為接近。圖1中則給出了渠道總退水量隨控制水位變化的趨勢，即隨控制水位增高而減小，并且減小幅度顯著。

圖2為上游事故案例中事故段上節(jié)制閘前（澎河節(jié)制閘）水位變化過程?？梢钥吹剑诠?jié)制閘緊急關(guān)閉過程中，閘前水位快速上升，啟用退水閘后，閘前水位回落至控制水位附近。閘前目標水位越低，閘前水位上升速率及壅高越小，降落幅度越大。

一般來說，在工程應(yīng)急調(diào)度過程中，期望得到的調(diào)度結(jié)果是閘前水位雍高更低，渠道總退水量更小。結(jié)合上述模擬結(jié)果來看，兩者規(guī)律正好相反，綜合考量安全及經(jīng)濟性，設(shè)計水位+0.3 m的目標水位方案更為合理。

3.2 漠倒溝節(jié)制閘（10號）-唐河節(jié)制閘（11號）案例

事故渠段臨近上下游各渠段參數(shù)見表4。

表5為渠道下游漠倒溝閘至唐河閘渠段突發(fā)事故時，選用兩種不同閘前目標水位方案，分別為設(shè)計水位、設(shè)計水位+0.3 m。（渠道下游設(shè)計水位與加大水位差值僅為0.3 m）。為便于比較，事故段節(jié)制閘關(guān)閉時間也均取為30 min。由該表可以看出，隨著目標水位的增大，渠道退水量大幅度減少，但渠道上游最大水位壅高雖有所升高，但升高幅度較小，這與同上游事故案例模擬所得結(jié)果基本相同。僅就此兩種方案比較而言，設(shè)計水位+0.3的目標水位方案更合理。

在突發(fā)事故后渠道的應(yīng)急調(diào)度過程中，節(jié)制閘前水位壅高與渠道安全控制息息相關(guān)，渠道總退水量則是經(jīng)濟考量參數(shù)，兩者之間存在博弈，一般認為應(yīng)在保證工程安全的前提下盡量考慮調(diào)度方案的經(jīng)濟性。結(jié)合上述數(shù)值模擬結(jié)果及分析，可得到結(jié)論如下：在不影響渠道安全的前提下（渠道水位最大壅高不超過安全水位，保證渠道不漫溢），應(yīng)盡量加大事故上游渠段節(jié)制閘前目標水位，將事故上游渠段內(nèi)多余的水盡量蓄在渠道內(nèi)，減小退水量，提高應(yīng)急調(diào)度措施的經(jīng)濟性。根據(jù)中線工程的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合本文的模擬分析，在本文模擬工況下推薦采用節(jié)制閘閘前設(shè)計水位+0.3 m的目標水位方案，可兼顧工程安全和經(jīng)濟性。實際運用中需利用工程運行數(shù)據(jù)對數(shù)學(xué)模型進行反復(fù)率定，并結(jié)合后的渠道反饋特點對該目標水位進行調(diào)整優(yōu)化。

4 結(jié)論

本文以南水北調(diào)中線一期工程總干渠為例，采用數(shù)值模擬的手段，通過案例計算及數(shù)據(jù)分析，研究了應(yīng)急工況下渠道目標水位的設(shè)定對渠道各項水力參數(shù)的影響，研究表明：目標水位的設(shè)置直接影響到渠道退水量、渠道最高水位壅高。閘前目標水位越高，渠道水位壅高越高，但渠道退水量越小。因而在實際的工程調(diào)度中應(yīng)在保證不發(fā)生漫頂事故的前提下，盡量加大事故上游渠段節(jié)制閘前目標水位，將事故上游渠段內(nèi)多余的水盡量蓄在渠道內(nèi)，減小退水量，提高應(yīng)急調(diào)度措施的經(jīng)濟性。通過對本文模擬工況的比較分析，在當前條件下，推薦設(shè)計水位+0.3 m的閘前目標水位方案。

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