南水北調中線工程應急調度仿真及策略研究

孔 剛，喬 雨，陳曉楠，許新勇，孫瑞剛，茍少杰

(1.北京市水務局政務服務中心，北京 100071；2.南水北調中線干線工程建設管理局總調度中心，北京 100038；3.華北水利水電大學水利學院，鄭州 450045；4. 中國南水北調集團有限公司，北京 100142；5.西安理工大學西北旱區生態水利工程國家重點實驗室,西安 710048)

長距離輸水工程是緩解水資源短缺、改善水生態惡化的基礎設施，也是實現水資源“空間均衡”的重要措施[1]。南水北調中線工程全長1 432 km，沿線布設64座節制閘、97座分水口、54座退水閘、61座控制閘，其中惠南莊泵站作為南水北調中線工程唯一的加壓泵站，設計流量50 m3/s，位于總干渠末端，承擔著向首都北京供城市用水75%的任務，一旦惠南莊泵站突然故障，會嚴重影響南水北調中線工程安全運行和首都供水。如果惠南莊泵站突然故障后應急調度策略不當，不僅會產生不必要的水量損失，嚴重時可造成供水中斷，甚至危及受水區的社會穩定。

長距離輸水工程應急調度模擬是利用水力學模擬技術為應急調度提供決策支持，通過數學模型或軟件工具開展模擬預測，為應急響應和處置提供預案和依據。在面對突發事件時“有法可依有據可循”，將突發事件的影響和危害降至最低，并為事故清除爭取時間和便利，使工程能夠避免停水，是開展長距離輸水工程應急調度仿真研究的主要目的。國內外，眾多研究學者針對應急調度展開了一系列研究，如：德國、奧地利、捷克等9個國家研發了具有監測、預報、預警功能的多瑙河突發性污染事故應急預警系統[2]；法國研發了可以模擬和分析污染物進入地表水系后的輸移擴散過程的SeauS軟件系統[3]；歐盟開發了可實現多國協作、多專業協同、各警種相互配合、高效及時地開展應急響應的E-Risk系統[4]；孔令仲等[5]設計了適用于南水北調中線工程串聯渠池的線性預測控制算法，提出了實時調度控制策略；Ma[6]基于C++語言和Visual Studio平臺模擬分析了節制閘緊急快速關閉情況下的渠道水力特性；Long等[7]基于HEC-RAS建立一維水力學水質模型，模擬了南水北調中線工程突發水污染事故下的污染物擴散過程，分析了突發水污染事故下的應急調度策略；樊甲偉等[8]分析了鄂北水資源配置工程事故工況下長倒虹吸的水力響應過程，提出了一組節制閘應急調度策略；鄭和震[9]分析了大量南水北調中線工程突發水污染事故情景下的污染物輸移擴散過程，提出了“安全-經濟”多目標協同的閘門群應急調度方法；Qiao等[10]基于圣維南方程組建立了明渠一維水動力應急調度模型，模擬了不同暴雨類型影響下的串聯渠池的水動力響應過程，并給出了突發暴雨下的南水北調中線工程應急調度策略。

本文以世界上輸水距離最長的南水北調中線工程為例，針對總干渠末端的加壓泵站突然故障開展應急調度仿真及策略研究，為明渠調水工程應急調度提供參考。

1 研究區概況

南水北調中線工程規劃分兩期建設，2003年12月，南水北調中線一期工程正式開工建設， 2008年9月，南水北調中線工程京石段應急供水工程建成通水，2013年12月，南水北調中線工程主體工程完工，2014年12月，南水北調中線工程正式通水運行。南水北調中線工程總長1 432 km，從丹江口水庫引水入總干渠，經長江流域與淮河流域的分水嶺方城埡口，途徑黃淮海平原，全線自流到北京和天津，明渠段占總長的77%，沿線布設64座節制閘，54座退水閘，97個分水口，主要采用閘前常水位的渠系運行方式。為保證輸水水質不受沿途污染，總干渠與沿線水系、道路全部立交，封閉式運行。南水北調中線工程的建成通水運行有效推動了受水區(特別是華北地區)地下水壓采進程，大幅提高了受水區人民的用水品質。南水北調中線供水線路見圖1。

圖1 南水北調中線供水線路

惠南莊泵站作為南水北調中線總干渠唯一的加壓泵站，位于總干渠最末端，承擔著向首都城市供水75%的任務，一旦惠南莊泵站突然故障，會對南水北調中線工程產生嚴重影響。根據實際輸水調度經驗，若惠南莊泵站突然故障會導致總干渠末端上游若干渠段水位快速上漲，甚至渠道漫溢，由此可知，惠南莊泵站突然故障是南水北調中線工程當前面臨的重要調度隱患。為研究惠南莊泵站突然故障對上游水位影響以及應急調度策略，本文選取惠南莊泵站上游3個串聯渠池作為研究對象，包含J1瀑河節制閘、J2北易水節制閘、J3墳莊河節制閘、J4北拒馬河節制閘4座節制閘，F1北易水退水閘(生態補水)、F2荊軻山分水口、F3下車亭分水口、F4三岔溝分水口4座分水口，P惠南莊加壓泵站共1座。研究區串聯渠池縱剖面見圖2。

圖2 研究區串聯渠池縱剖面

2 應急調度系統開發

2.1 基本控制方程

明渠非恒定漸變流可描述明渠水流由某一恒定輸水狀態向另一恒定輸水狀態過渡的水動力過程，該過程可用一維圣維南方程組[11]進行計算，包括連續方程(1)和動量方程(2)：

(1)

(2)

公式(1)～(2)中:B是表面寬度，m；Z是水位，m；t是時間，s；Q是流量，m3/s；x是沿主流向的渠道縱向距離，m；q是旁側入流，m3/s；α是動量校正系數；A是過水斷面面積，m2；g是重力加速度，m/s2；Sf是摩阻比降。

2.2 方程離散化與線性化

本文采用收斂速度快、穩定性好的Preissmann四點隱式差分格式離散圣維南方程組，離散網格形式如圖3所示。

圖3 Preissmann四點隱式差分格式

Preissmann四點差分格式：

(3)

空間離散：

(4)

時間離散：

(5)

公式(3)～(5)中：θ為加權系數，0≤θ≤1.0；f表示函數值；下標i、i+1分別表示第i和第i+1個斷面；上標n、n+1分別表示第n和n+1時刻；Δt是時間離散步長，s；Δx是空間離散步長，m。

2.3 邊界條件處理

節制閘位置的連續方程和過閘流量公式可寫成：

Qi=Qi+1

(6)

(7)

公式(6)～(7)中:Qm和Qm+1分別是節制閘閘前斷面和閘后斷面的流量，m3/s；K=(q2/g)1/3，q是閘門的單寬流量，m2/s；e是閘門的開度，m；He是節制閘上下游的水位差，m；i和j是與閘門型式和過閘流量有關的經驗系數。

2.4 應急調度系統開發

應急調度系統采用C++語言開發，由工程參數、數值模擬、結果展示及分析處理4部分組成，具體操作界面如圖4所示。

圖4 應急調度系統界面

3 應急調度仿真

3.1 仿真工況設計

本文以惠南莊泵站柵前水位和流量、上游各節制閘的閘前設計水位和流量為初始運行條件，以惠南莊泵站流量的變化和上游各節制閘的閘門開度變化作為邊界條件，假定各節制閘閘前水位變幅速度預警值均為0.15 m/h。

為分析惠南莊泵站故障后不同應急調度策略下的上游水位變化過程，給出了6種典型應急調度策略：無操作、上游壓閘30%、開啟旁通管、開啟旁通管+開啟退水閘、開啟旁通管+開啟退水閘+上游壓閘30%、開啟旁通管+退水閘+上游壓閘50%，6種應急調度策略詳細信息見表1。

表1 應急調度策略信息

3.2 仿真結果分析

3.2.1水力響應分析

根據實際輸水調度經驗，惠南莊泵站突然故障后，其上游臨近的J4閘前水位影響最大，因此以J4閘前水位為研究對象，對比分析不同應急調度策略的控制效果。不同應急調度策略下J4閘前水位的變化過程見圖5。

圖5 不同應急調度策略下的J4閘前水位變化過程

從圖5中可以看出，無操作、調減上游流量、開啟旁通管的單獨應急調度策略下的J4閘前水位出現快速持續上漲，其中無操作和調減上游流量下的J4閘前水位上漲過程基本一致，水位上漲速度均為0.4 m/h左右，表明單獨調減上游流量不能緩解下游水位的上漲速度；相比于無操作和單獨調減上游流量，單獨開啟旁通管的J4閘前水位同樣呈現出持續上漲，但上漲速度有所減小，水位漲速約0.25 m/h，表明單獨開啟旁通管可在一定程度上緩解下游水位的上漲速度；開啟旁通管+開啟退水閘+調減上游流量的組合應急調度策略下J4閘前水位未出現快速持續上漲，上漲速度在0.05 m/h以內，表明開啟旁通管+開啟退水閘+調減上游流量的組合應急調度策略可有效控制惠南莊泵站上游水位的上漲速度。

3.2.2單獨應急調度策略分析

為進一步分析不同單獨應急調度策略的控制效果，查明單獨調減上游流量和單獨開啟旁通管未產生預期控制效果的原因，繪制無操作、調減上游流量、開啟旁通管3個單獨應急調度策略下J3閘前水位和過閘流量的變化過程曲線見圖6。

從圖6中可以看出，單獨調減上游流量下的J3閘前水位持續上漲，且上漲速度逐漸減小，平均上漲速度為0.1 m/h，過程中J3因快速減小閘門開度30%，J3過閘流量由57 m3/s先快速減小13～44 m3/s，再緩慢增加6 m3/s并穩定至50 m3/s。考慮到J3和J4之間距離22.8 km，J3調減的流量需要一定時間才能傳遞至J4，因此單獨調減上游流量短時間內不僅沒能有效控制下游水位的快速上漲，反而會造成J3閘前水位2 h內上漲0.2 m。

圖6 3種單獨應急調度策略下J3水力響應

3.2.3組合應急調度策略分析

為進一步分析不同組合應急調度策略的控制效果，查明不同組合應急調度策略控制效果差異，繪制3種組合應急調度策略下4 h 內的J4閘前水位變化過程曲線見圖7。

圖7 3種組合應急調度策略下J4水力響應過程

從圖7中可以看出，開啟旁通管+開啟退水閘兩者的組合應急調度策略下的J4閘前水位持續上漲，上漲速度為0.18 m/4 h表明開啟旁通管+開啟退水閘兩者的組合應急調度策略可有效緩解下游水位的上漲速度，但是不能使J4閘前水位恢復至原目標水位；開啟旁通管+開啟退水閘+調減上游J3流量30%下的J4閘前水位先上漲0.08 m，然后在1.3 h開始非常緩慢下降，下降速度0.01 m/2 h，開啟旁通管+開啟退水閘+調減上游J3流量 50%下的J4閘前水位先上漲0.08 m，然后在1.3 h左右開始下降，下降速度0.13 m/2 h，表明開啟旁通管+開啟退水閘+調減上游J3流量的組合應急調度策略可使下游水位逐漸恢復至目標水位，且上游調減的流量在1.3 h左右傳遞至J4。為進一步分析不同組合應急調度策略的控制效果，繪制3種組合應急調度策略下4 h 內的J3閘前水位和過閘流量的變化過程曲線如圖8所示。

從圖8中可以看出，開啟旁通管+開啟退水閘兩者的組合應急調度策略下的J3閘前水位無變化；開啟旁通管+開啟退水閘+調減上游J3流量30%三者的組合應急調度策略下的J3閘前水位持續上漲且上漲速度逐漸減小，其中J3過閘流量由57 m3/s先快速減小13～44 m3/s，再緩慢增加8 m3/s并穩定至52 m3/s，表明開啟旁通管+開啟退水閘+調減上游流量8～13 m3/s下的組合應急調度策略，可有效控制J4閘前水位，在1.3 h左右J4閘前水位開始以0.01/2 h的速度非常緩慢下降；開啟旁通管+開啟退水閘+調減上游J3流量50%下的J3閘前水位持續上漲且上漲速度逐漸減小，其中J3過閘流量由57 m3/s先快速減小23～34 m3/s，再緩慢增加10 m3/s并穩定至44 m3/s，表明開啟旁通管+開啟退水閘+調減上游流量13～23 m3/s，在1.3 h左右J4閘前水位開始以0.13 m/2 h的速度快速下降。

4 結 論

為有效應對南水北調中線工程總干渠末端惠南莊泵站突然故障，本文基于圣維南方程建立了由閘、泵、分水口、退水閘、旁通管等組成的復雜明渠一維水動力應急調度仿真系統，以惠南莊泵站流量50 m3/s突然故障為典型案例，模擬了開啟退水閘、開啟旁通管、調減上游流量等6種不同應急調度策略下的渠池水力響應特性，分析了應急調度策略下的水位變幅、水位恢復至原目標水位所需時間的相關關系，總結了惠南莊泵站突然故障下的應急調度策略。形成結論如下：

(1) 當惠南莊泵站故障前流量為50 m3/s時，且無任何操作的情況下，總干渠末端水位以0.4 m/h的漲速上漲，將突破假定的渠道水位變化速度閾值0.15 m/h，可能會造成上游渠道襯砌板破壞。

(2) 當惠南莊泵站故障前流量為50 m3/s時，開啟旁通管+開啟退水閘+調減上游流量的組合應急調度策略可使總干渠末端水位在1.3 h后開始下降。

(3) 當惠南莊泵站突然故障導致流量由50 m3/s減為0時，應立即開啟兩側旁通管和北拒馬河退水閘，同時減少上游流量25 m3/s并保持不變，直到下游水位恢復至目標水位時，此時可完全關閉北拒馬退水閘。

(4) 當惠南莊泵站具備恢復原供水條件時，應提前1.3 h逐步增加墳莊河節制閘流量30 m3/s并保持不變，直到上游增加的流量傳遞至惠南莊泵站時，再將旁通管過流切換至原供水狀態。