南水北調中線工程渠道輸水調度研究

劉洪超，潘好磊，王瑞卿

（南水北調中線干線建設管理局河南分局，河南 鄭州 450008）

南水北調中線工程是緩解京、津、豫、冀等地區(qū)水資源緊張，優(yōu)化我國國土和水資源配置的戰(zhàn)略性跨流域大型調水工程。擔負著向北京、天津、鄭州、石家莊等數(shù)十座城市供水任務。南水北調中線自2014年12月12日通水以來，實現(xiàn)了平穩(wěn)運行，完成了輸水任務，通過優(yōu)化調度實現(xiàn)生態(tài)補水。

1 概況

南水北調中線干線全長1432 km，沿線設97個分水口，64個節(jié)制閘。64個節(jié)制閘把渠道分隔為相當于63個串聯(lián)運行的小型水庫，各渠池蓄量2×106m3～10×106m3之間。輸水以明渠自流輸水為主、局部采用管涵。沿線暫無調蓄水庫，需利用自身調蓄能力，調度控制難度大。

國家水行政主管部門負責中線水量統(tǒng)一調度，下達年度水量調度計劃。國家防汛抗旱總指揮部負責組織實施水量應急調度。長江水利委員會統(tǒng)籌丹江口水庫來水預測、水庫蓄水量和本流域水資源情況提出陶岔（中線干線入渠）年度可調水量。受水區(qū)各?。ㄖ陛犑校┧姓鞴懿块T根據(jù)陶岔可調水量及本省用水情況，提出南水北調中線本省年度用水計劃需求；當需水計劃小于等于年度可調水量時按需水計劃供水。當需水計劃大于年度可調水量時，按照年度可調水量分配供水。各省(直轄市)按比例分水準則：以多年平均分水量為依據(jù)，各省市分水量執(zhí)行“豐增枯減”。盡量使受水區(qū)各省(直轄市)的分水量不小于基本水量。丹江口水庫南水北調中線陶岔渠首逐月優(yōu)化輸水調度，見圖1。

總干渠渠首閘多年平均調水量為95.0億m3（其中含河南省刁河灌區(qū)6.0億m3），受水區(qū)各?。ㄖ陛犑校┒嗄昶骄炙考氨壤?，見表1。

圖1 丹江口水庫陶岔渠首逐月優(yōu)化輸水調度圖

表1 受水區(qū)各省（直轄市）多年平均分水量表（渠首樞紐閘水量） 單位：億m3

2 輸水調度原理及要求

2.1 調度水位控制目標

2.1.1 閘前常水位控制

閘前常水位控制，是指每一渠段的下游端水深（水位）保持相對穩(wěn)定。即維持節(jié)制閘前恒定流狀態(tài)的某一水位不變（該水位一般為設計水位）。閘前常水位控制運行方式示意圖，見圖2。

圖2 閘前常水位運行方式示意圖

渠槽下游端水深（水位）保持相對穩(wěn)定，流量變化時水面線將繞節(jié)制閘閘前常水位為支點轉動。水位波動符合安全限幅每小時15 cm，或每天30 cm，并盡量減少閘門操作次數(shù)。

分水口通常位于渠段的下游端附近，使分水閘能按渠中最大的且穩(wěn)定的水深設計，也避免因水位太低或水面波動給用戶帶來的配水問題。渠道的尺寸可以按最大輸水流量設計，使渠道的尺寸和超高達到最小，從而降低了工程建設費用。

當來水量不足，或分水口加大分水量時，為了維持閘前水位恒定，閘門開度必須減小或全關，但會造成下游用戶供水不足。

2.1.2 閘后常水位控制

閘后常水位控制，使每一渠段的上游端水深保持相對穩(wěn)定。支樞點在閘后，也被稱為“水平渠堤”運行方法，響應特性較好，但工程土方量大。閘后常水位控制運行方式示意圖，見圖3。

圖3 閘后常水位控制運行示意圖

2.1.3 等體積控制

等體積控制就是在任意時間內，每一渠段都保持穩(wěn)定的蓄量。支樞點在渠池中間，能迅速改變整個渠系的水流狀態(tài)，但支點下游需設水平渠堤。等體積控制運行方式示意圖，見圖4。

圖4 等體積運行方式示意圖

綜合多因素比選后，南水北調中線工程渠道輸水絕大部分渠段采用閘前常水位控制的輸水調度模式。

2.2 節(jié)制閘運行方式

順序操作。從上游至下游順序操作閘門。首先改變渠首的入渠流量，然后依次向下游推進，流量變化到達的節(jié)制閘依次調節(jié)閘門。調度運行時需準確預測流量變化到達的位置，使供水滿足上下游各分水口用水需求。例如，分水口開啟后，為補償分走的流量，上游各閘門均需開啟，而下游渠池流量和水位不受影響，從而保證下游各個分水口正常分水。順序操作示意圖，見圖5。

圖5 順序操作示意圖

逆序操作。從下游至上游操作閘門。首先改變渠末的流量，然后依次向上游推進，流量變化到達的節(jié)制閘依次調節(jié)閘門。

同步操作。同時改變所有閘門的開度。能使一個渠槽在最短的時間內達到新的恒定流態(tài)。調度操作時必須檢查水位的變動，確保其水位的增加進入超高區(qū)的持續(xù)時間要短。

南水北調中線工程節(jié)制閘的運行根據(jù)調控需求，綜合運用順序操作和同步操作兩種方式。因南水北調渠線長，當需要做出小流量改變而不影響整個渠系時，可采用局部渠段同步操作的方式，即選擇性的操作部分節(jié)制閘閘門，達到鄰近渠道所要求的水位條件。

2.3 渠道輸水調度要求

各渠段運行水位應滿足渠段過流要求。正常運行時，運行水位不應高于加大水位，流量小于渠段設計流量，運行水位不宜高于設計水位。

各渠段最低運行水位應滿足分水口取水要求、有壓建筑物進口淹沒深度要求、高地下水位段高水平壓要求。

總干渠水位降幅一般不應大于0.3 m/d，也不應大于0.15 m/h。但對于渠道水位短時間上漲后水位下降、渠道襯砌排水條件良好等，經論證可適當放寬水位降幅限制的渠段，可按分析論證的水位降幅進行調度控制，且應急調度不受水位降幅限制。

總干渠水位漲幅一般不宜大于0.5 m/d，但總干渠低水位充水階段、地質條件較好渠段等，經論證可適當放寬水位漲幅限制的渠段，可按分析論證的水位漲幅進行調度控制。

3 輸水調度

3.1 輸水調度管理

南水北調中線通水調度，實施“統(tǒng)一調度、集中控制、分級管理”的調度管理模式，根據(jù)通水運行組織機構設置方案，全線共設三級調度機構。

1）總調中心代表一級運行管理機構（以下簡稱：中線局），負責組織實施全線運行調度相關的工作；

2）分調中心代表二級運行管理機構（以下簡稱：分局），負責組織實施轄區(qū)內運行調度相關的工作；

3）沿線各管理處調度科代表三級運行管理機構（以下簡稱：管理處），負責實施轄區(qū)內運行調度相關的工作。

全線各級輸水調度機構實行“5班2倒”工作制，調度場所24小時值班。調度工作按照《南水北調中線干線輸水調度管理工作標準》（Q/NSBDZX G030-2015）執(zhí)行。

3.2 調度自動化

南水北調中線建設了功能完備的調度管理系統(tǒng)、閘站監(jiān)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了水位采集、閘門控制等自動化，通過自動化的流量、水位測量測控設備實現(xiàn)對全線流量的動態(tài)變化、分水水量的實時自動監(jiān)控，為全線輸水運行水量平衡計算提供技術支撐。

總干渠正常輸水調度采取以集中監(jiān)控為主，人工控制為輔的方式。調度指令由總調度中心根據(jù)實時監(jiān)測信息擬定，或由自動化調度系統(tǒng)直接生成，通過遠控實現(xiàn)現(xiàn)地閘站的自動化操作，如自動化遠控不成功，可現(xiàn)地操作。

3.2.1 水情數(shù)據(jù)模塊

水情數(shù)據(jù)管理模塊中，總調、分調、管理處的功能包括：水情數(shù)據(jù)展示、調度數(shù)據(jù)分析、原始數(shù)據(jù)展示。見圖6。

水情數(shù)據(jù)主要展示水情的整體情況，分為節(jié)制閘空間分布、時間分布和分水口空間分布、時間分布，查看和管理其管轄范圍內的節(jié)制閘、分水口和退水閘的水情實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

空間分布為用戶提供查詢某一具體時間點的節(jié)制閘或分水口、退水閘的水情數(shù)據(jù)；時間分布為用戶提供查詢某一時間段和相應采集頻次的節(jié)制閘或分水口、退水閘水情數(shù)據(jù)，同時提供相應權限的數(shù)據(jù)審核的功能。

圖6 調度系統(tǒng)的水情監(jiān)控模塊

3.2.2 調度數(shù)據(jù)分析

調度數(shù)據(jù)分析包括：全線調度輔助分析、全線水體統(tǒng)計分析、全線流速統(tǒng)計、全線水深統(tǒng)計。

各節(jié)制閘基本信息包括：閘門名稱、目標水位、設計水位、當前水位、距目標水位、距設計水位、2 h漲幅、24 h漲幅、24 h閘前水位趨勢；獲得各節(jié)制閘24 h閘前水位趨勢圖?？梢圆樵儾⒔y(tǒng)計起始時間與截止時間段內全線水體相關信息；支持實時水體數(shù)據(jù)添加、修改、刪除等功能。

支持自定義查詢統(tǒng)計時間，以列表形式展示全線節(jié)制閘名稱、安裝位置和24小時流速、閘前渠底高程、閘后渠底高程、設計水位、閘前水位、閘后水位、閘前渠道水深、閘后渠道水深、當前水位與設計水位差等信息，各分水口流速、流量及累計流量查詢。

3.2.3 閘站監(jiān)控系統(tǒng)

閘站監(jiān)控系統(tǒng)中，總調、分調、管理處的功能包括：閘站信息、監(jiān)控點列表、趨勢圖、調度指令、數(shù)據(jù)列表、預警管理等功能模塊。見圖7。

通過閘站監(jiān)控系統(tǒng)，各級調度人員可掌握閘站閘門的開度、閘前閘后水深水位、過閘流量及流速，各類調度數(shù)據(jù)的動態(tài)趨勢圖、調度預警、水位預警、閘站各類設備的預警等功能。根據(jù)不同警情通知相關專業(yè)人員處理，處理完成后進行消警。

圖7 南水北調中線干線閘站監(jiān)控系統(tǒng)

4 結論

南水北調中線通過輸水調度管理模式，實現(xiàn)水位采集、閘門控制等操作的自動化；通過自動化的流量、水位測量測控設備實現(xiàn)對全線流量動態(tài)變化、分水水量的實時自動監(jiān)控，為全線輸水運行水量平衡計算提供技術支撐。

1）南水北調中線發(fā)揮著巨大的社會、生態(tài)和經濟效益，成為沿線城市的生命線。特別是利用丹江口水庫汛期洪水和汛限水位騰空庫容的時機，通過加強輸水調度工作，利用先進的輸水自動化調度系統(tǒng)，把多余的洪水通過沿線渠道及退水閘，實現(xiàn)對北方多條天然河道的生態(tài)補水8.65億m3，為洪水資源化利用提供了技術支撐。

2）通過對南水北調中線輸水調度的研究，揭示大斷面長距離輸水調度的工作原理和方法，為類似工程提供了參考。輸水調度工作實踐中對大流量輸水工況下，水體的流態(tài)平穩(wěn)、實測水位與設計水面線水位是否吻合以及渠道沿線調節(jié)水庫的建設等問題有待進一步研究。