南水北調中線工程應急調度目標水位研究

聶艷華+黃國兵+崔旭+劉孟凱

摘要：以南水北調中線工程為例，建立一維應急調度數值模型，選取典型渠段作為算例，研究中線工程總干渠突發事故應急調度時輸水明渠節制閘閘前目標水位的設定對渠道節制閘水位壅高、渠段退水量等參數指標的影響。研究表明：目標水位的設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。為提高應急調度的安全經濟性應在保證不發生漫頂事故的前提下，盡量加大事故上游渠段節制閘前目標水位。研究成果可為中線工程應急預案的建立提供參考。

關鍵詞：南水北調中線工程；應急調度；目標水位；數值模型

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

南水北調中線工程是平衡水資源空間分布不均，優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、工業供水為主，兼顧生態和農業用水。總干渠渠首陶岔閘多年平均調水量95億m3，渠首引水設計流量為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節水庫的特點，渠道設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度的控制建筑物主要包括：63座節制閘、55座退水閘、1座泵站和81座分水閘。沿線節制閘將總干渠分割為63個串聯渠段，整個渠系是一個串聯系統，各渠段為串聯系統中的元件。當渠道發生突發事故需要段時間大幅度改變流量時，需要采取相應的應急調度閘門控制措施進行閘門調度。

1.2 應急調度研究

目前關于輸水工程調度的研究運用數值模擬的手段較多，主要是結合實際工程，研究不同的運行方式、結構特征條件下渠道的水力響應過程。在應急調度方面，張成[1]以南水北調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特征及退水閘的退水作用。研究發現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急調度中的關鍵作用，但僅對發生事故的單個渠段閘門關閉時產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閉才能對應急調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過程，得到節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論。該研究考慮了節制閘前控制水位的影響，但并不全面，在串聯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聯相互影響的，渠道水位壅高與閘門的關閉速率、退水閘的開啟關閉方式都有關系，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閉輸水渠道閘門前饋算法，這種方法基于序貫二次規劃，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、渠段閘門聯合應急控制進行闡述；楊敏[4]對節制閘聯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，該研究對下游應急關閉的減流量過程有一定闡述，但研究僅包括節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制閘緊急關閉時寬淺渠道內水力特征參數的變化，但研究僅限于單個渠段的節制閘關閉方式，未對多閘門聯動的水力響應特征進行研究。總之，現有關于渠道應急調度的研究成果較少，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，在應急調度的渠道非恒定流響應過程中，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先根據渠道的實際情況設定，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，緩解事故段節制閘前的水位上漲壓力，便于事故段閘門快速關閉；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，本文即以南水北調中線一期工程總干渠為例，重點研究應急工況下渠道目標水位對調度過程中渠道水力特性的影響。

2 數學模型

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的節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性，對一些特殊情況下仍然存在的不連續現象通過將流量系數劃分為更多分段函數的方式處理。

2.2 基本方程的離散

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

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事故的輸水明渠，因而模型的初始條件應為正常輸水時渠道上下游的水位流量條件，即穩定流狀態。事故發生后的應急調度需要一個調度目標，此目標也應為穩定狀態，應急調度的本質應是從一個穩定狀態向另一個目標穩定狀態過渡的非恒定流過程。合理邊界條件的選取是數學模型計算的前提，直接影響計算結果的正確性。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制閘過閘流量可根據其下游渠道的需水過程進行調節，即可確定模擬計算的上下游流量邊界條件。渠道應急調度時的流量邊界是人為調控的前饋量，需要通過分水閘、退水閘的配合，制定各節制閘前饋流量邊界計劃。總的來說應急調度模擬的模型邊界條件必須根據不同的閘門控制組合和控制方式來最終確定。

3 數值計算分析

經過分析發現，節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急調度影響較大，尤其是對渠道閘前水位變化、最大水位壅高、渠道退水量等應急調度關鍵性控制指標的影響。在對南水北調中線工程設計參數分析后發現，以穿黃倒虹吸工程為分段，在穿黃節制以南渠道設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、工程結構等特點有關，在選擇節制閘前目標水位時，考慮到渠道控制中波動及水力傳遞滯后性等因素，一般建議取值應小于加大水位。

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

3.1 澎河節制閘[STBZ]（10號）-沙河節制閘（11號）案例

事故渠段臨近上下游各渠段參數如表1所示。

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

表3為澎河閘至沙河閘渠段突發事故時，按不同的閘前目標水位進行應急調度，總干渠內的閘前水位最大壅高值及出現時間，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，事故段上節制閘前水位（澎河節制閘）的最大壅高值隨節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制閘前（澎河節制閘）水位變化過程。可以看到，在節制閘緊急關閉過程中，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，在工程應急調度過程中，期望得到的調度結果是閘前水位雍高更低，渠道總退水量更小。結合上述模擬結果來看，兩者規律正好相反，綜合考量安全及經濟性，設計水位+0.3 m的目標水位方案更為合理。

3.2 漠倒溝節制閘（10號）-唐河節制閘（11號）案例

事故渠段臨近上下游各渠段參數見表4。

表5為渠道下游漠倒溝閘至唐河閘渠段突發事故時，選用兩種不同閘前目標水位方案，分別為設計水位、設計水位+0.3 m。（渠道下游設計水位與加大水位差值僅為0.3 m）。為便于比較，事故段節制閘關閉時間也均取為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果基本相同。僅就此兩種方案比較而言，設計水位+0.3的目標水位方案更合理。

在突發事故后渠道的應急調度過程中，節制閘前水位壅高與渠道安全控制息息相關，渠道總退水量則是經濟考量參數，兩者之間存在博弈，一般認為應在保證工程安全的前提下盡量考慮調度方案的經濟性。結合上述數值模擬結果及分析，可得到結論如下：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），應盡量加大事故上游渠段節制閘前目標水位，將事故上游渠段內多余的水盡量蓄在渠道內，減小退水量，提高應急調度措施的經濟性。根據中線工程的結構特點，結合本文的模擬分析，在本文模擬工況下推薦采用節制閘閘前設計水位+0.3 m的目標水位方案，可兼顧工程安全和經濟性。實際運用中需利用工程運行數據對數學模型進行反復率定，并結合后的渠道反饋特點對該目標水位進行調整優化。

4 結論

本文以南水北調中線一期工程總干渠為例，采用數值模擬的手段，通過案例計算及數據分析，研究了應急工況下渠道目標水位的設定對渠道各項水力參數的影響，研究表明：目標水位的設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度中應在保證不發生漫頂事故的前提下，盡量加大事故上游渠段節制閘前目標水位，將事故上游渠段內多余的水盡量蓄在渠道內，減小退水量，提高應急調度措施的經濟性。通過對本文模擬工況的比較分析，在當前條件下，推薦設計水位+0.3 m的閘前目標水位方案。

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