遠距離調水工程的調度運行探究

劉 偉

(山東省膠東調水工程膠州管理處，山東 膠州 266300)

遠距離調水工程的調度運行探究

劉 偉

(山東省膠東調水工程膠州管理處，山東 膠州 266300)

本文細致分析了遠距離調水調度運行過程中水位波動，并給出了相關水容量表，闡述了冰期輸水主要注意事項，自動化控制水位的模擬輸水的方便性、經濟性、安全性。還介紹了閘門和泵站的自動控制的三種方法：上游定水深控制、等容積控制、控制容積法，給讀者一些調度工作的借鑒。

遠距離;調水工程;調度;探究

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.008

世界上有很多成功的調水工程案例，為人們帶來了許多益處。然而調水工程龐大復雜，尤其是遠距離的調水工程，其安全性、科學性、合理性均會對生態環境有較大影響，不合理的運行會為人民帶來財產損失，甚至會影響生命安全。本文以引黃濟青工程為例，在調度運行方面進行一些初步的探討。

1 運行原則

1.1 安全性

遠距離調水涉及多個環節，每一個環節都會對工程的安全性造成影響，例如水質受到污染、渠道被損壞、出現漫堤等現象，這些都會給調度工作帶來安全隱患。因此，調度中心與各級執行部門要按照統一指令，協調調度，禁止各級各部門各自為政，不按指令執行工作;為使渠道穩定，操作員應根據上級調度中心下達的有關指令嚴肅認真執行，不得懈怠，不得私自調節閘門和開停機。

1.2 經濟性

遠距離調水工程耗資巨大，因此，整個提水系統應選擇最優方案，選擇資金耗費低且合理的調度方案。當系統處于最優運行環境，對每一個泵站來講，也許不是最經濟的，從而會降低方案的經濟性效益。但調度應著眼全局，從系統出發，局部服從整體的原則;科學合理控制棄水;控制開停機的次數，延長泵站機組壽命。

1.3 自動化調度

利用計算機操作運行，實現泵站和閘站的自動化調度工作，能有效減少機組和設備的損傷，使控制更加精準，節約費用。

2 調度運行探究

現將國內部分著名的調水工程列舉如表1。

表1 國內著名的跨流域調水工程

2.1 參數的測定

在輸水環節，對渠系的實際值進行記錄，掌握和設計參數存在的差距。這些參數有輸水糙率參數、過流系數數據、渠道滲漏量、泵站的特性曲線和過流量等。

2.2 水位波動的限制

水位波動情況會帶來安全問題，因此，需嚴格限制和管控。渠道經過混凝土或土質的襯砌，水質流經這些渠道，會造成過快的水位下降，從而導致渠壩的滑坡，受水的壓力造成防滲薄膜的損壞。因此，應根據渠道自身各部分的情況進行水量承受能力的測算，根據美國的有關研究結果表明，≤0.15m/h的水位降速，連續2h內≤0.30m，全天≤0.45m的降速，最適合于土渠與薄膜襯砌渠，而其它填方渠道以及排水效果較優的渠段，水位降速可適當大些。對于分水口渠道，應限制水位的升速，以免造成巨大的流量沖擊。不同運行調度控制方式下，各渠段水位調度區間的最大水位差比較表，如表2所示。

表2 各渠段水位調度區間的最大水位差比較表

2.3 自動控制研究

1.教學計劃的調整是培養學生的藍圖，是教學工作的總體要求，制定好的計劃是確保教學質量的中心環節。開課前，要求專業課老師制定出課程計劃，在充分了解學生的基本情況下，實事求是地對課程計劃作相應的調整，使課程設置體現出針對性和適應性。對“從事教師行業”的師范生在專業課上要重點培養，對“從事其他行業”的師范生可適當降低要求，做到重點突出，層析分明；為適應將來工作需要，注意強化手段，拓寬專業面，學習主體的橫向內容廣泛，把橫向的綜合知識和縱向的點面知識組合起來。

運用監測的相關水流量數據，在控制算法下達到對閘門和泵站的自動控制。通常用到的方法有下游、上游定水深控制，等容量、控制容量法和流量(Q)控制等方法。下游定水深控制即在渠道下游支樞點對水位進行恒定(如圖1)。它對多數的渠道均是適用的，特別被應用于中小渠道，其優點是水流量按照最大來衡量，這樣水位深度就不會比預設的流量更深，而棱柱體的渠道尺寸是最小的，以便減省建設費。缺點是不能對下游渠道的用水情況進行反應，體現出較差的渠道調節能力。這種控制法最適合用于供水型渠道，能高效體現出其經濟效益性。

圖1 下游定水深控制

上游定水深控制(如圖2)，這和前一種控制方法的支樞點相反，它將支樞點設計在渠道上游，功能也就是控制上游渠道的水深。優點:利用渠道的水位的蓄量情況進行下游蓄水情況進行調整，隨時滿足水量需求。缺點是由于允許零水流量，為了測量水面線，因此，渠道岸被要求保持水平的，從而加大了渠岸的建設費。

圖2 下游定水深控制

等容積控制(如圖3)和前面兩種控制方式一樣，和支樞點的位置有關，這里是將支樞點設計在渠道的中點，顧名思義，即是在中點對水位進行恒定的控制方法。中點水位的取得是通過測量上游和下游的水位，然后將兩水位線性化。相比前面兩種方法，此方法針對小于中點的渠案建成水平，費用介于前兩種方法，反應需水狀況迅速，常用lBvAL算法。

圖3 等容積控制

控制容積法是將少量的一個或者幾個渠段進行蓄水量控制，從而掌控全部渠道。現階段，我國的大型工程試驗中較成功，是一種新控法。優點是可同時對多個閘門進行操控，使水位很快就恢復到預期的目標值，在模擬實驗中，其恢復的速度高于其他控制法10倍以上;操控靈活，對正常預期和非預期的情況下均能實現快速控制，對水位的降幅也有了限制;控制方案有可選擇的余地，將渠道槽蓄的調節功能充分運用起來，能對高峰期的抽水進行調節，從而降低了成本。缺點是需要對工程建立全線監控。

2.4 冰期輸水分析

冰期輸水主要是針對北方明渠。在冰凍期，北方的明渠一般要通過冰層下層進行輸水，這減小了過水斷面和輸水量。受冰凍影響，對閘門操控有特殊的操作技巧和要求，若不能正確操作，將會引起冰層破裂，造成冰凍堵塞，或者形成冰壩，漫堤等，損壞建筑設施事故。對冰期輸水進行可行性方案研究，調度運行原則總結如下。

(1)統一調度。根據我國當前成功運行的工程經驗總結，在冬季，進行高水位、滿負荷的調度運作，不能任意開機，否則將造成渠道下游水流量的暴增，引起漫堤，或者會撐破冰蓋，當散落的冰塊流動，就會形成冰塞，而泵站的上游水位非正常快速下降，也會造成踏冰現象，將嚴重破壞泵站渠道。也不能突然停機，否則會帶來相同的破壞事故。

(3)嚴格控制閘門，將水位進行抬高，從而將冰蓋下的過水面增大，避免冰蓋不利于輸水。

(4)切忌在低水位停水。

(5)禁止突然分水，否則會降低下游水位，破壞冰蓋。

(6)忌驟增驟減水量，否則會在頃刻間將水位升降，造成渠道冰塞。

2.5 模擬輸水過程

模擬輸水過程是對已竣工的工程進行調度試運行的檢驗，以檢測調水過程中存在的問題，一旦檢測到問題將進行改進和調整。通常的方案一是直接測試，但耗費成本，二是物理模型試驗，成本也很高，三是電子模擬方案稍微好些，但成本仍然較高，四是現代化的數字模擬方案，這是最經濟最易操作的方案，成本較低。數字模擬通過計算機利用有限差分法實現的，能實現對正常和異常情況中運行的模擬，并且能夠自動化的控制算法。假設溝渠如圖4所示。

圖4 仿真渠道示意圖

其中主干渠的長度為17km，設有倒虹吸以及水泵站、閘門，北干渠的長度為21.5km，南干渠的長度為8.5km，渠道粗糙率為0.02，主干渠前8km為邊坡，底部的寬度為12Km，底部的寬度為10.8m。可以將河流進行節點的劃分，其中主干渠占據了1～47個節點，后續的21個節點為北干渠，而18個節點為南干渠。溝渠上的建筑物的分布如圖5所示，主干渠中兩個閘門的開度為0.8m和0.9m，南干渠中閘門的開度為0.9m，北干渠的閘門的開度為0.8m，如果在上述的情況下，水泵站中的3臺機器出現停車故障，在這個過程發生之后將閘門的開度減小0.3m，然后對結點水流的變化進行了仿真的結果，如圖6所示。

圖5 第8節點處水位變化

圖6 第19結點水位變化

2.5.1 正常輸水情況下的研究

對于正常輸水來講，要求在輸水期間輸水應符合各項這幾指標，輸水狀態要正常，水流量和速度應在規定的范圍內，以免造成破壞。

2.5.2 緊急情況下的研究

在輸水運行中，調度工作要對停電情況、設備出現意外的情況進行預備應對方案，并對有關損壞進行分析研究。當進行緊急關閘后，應對水位的波幅進行研究，觀察其是否會超過初砌位置，而對于水位降速要求可取消限制。在水道水流量變化之后，緊急情況下水位和水流的仿真結果如圖7和圖8所示。

TV68

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1672-2469(2016)08-0021-03

2015-12-10

劉 偉(1982年—)，男，工程師。