论文无忧 | 论文发表 | 手机版 | 二维码

《人民长江》杂志
本刊往期
您当前的位置:首页 杂志文章 南水北调中线一期工程输水调度方案研究
南水北调中线一期工程输水调度方案研究_杂志文章
南水北调中线一期工程输水调度方案研究
发布时间:2020-02-25浏览次数:141返回列表

黄 会 勇1,2,毛 文 耀2,范杰2,唐 景 云2 (1.中国水利水电科学研究院 水资源所,北京 100038;2.长江勘测规划设计研究院 规划处,湖北 武汉 430010)

摘要:为了给南水北调中线一期工程的长距离明渠输水工程提供高效的输水调度方案,使之成为中线工程安全运行的基础,也是及时、准确完成供水任务的保障,研究提出了调度过程中充水、正常运行、应急调度和退水4个阶段的调度目标、约束条件、调度方案,并在2010年南水北调中线京石段临时通水中进行了运用,取得很好的效果。

关键词:调度方案; 充水; 退水; 应急调度; 南水北调中线一期工程; 京石段

中图法分类号: TV67文献标志码: A

南水北调中线工程输水线路长约1 432 km,其中总干渠引水渠首至北京团城湖长1 276.4 km,天津干线长155.5 km(从河北省徐水县西黑山至天津外环河)。总干渠以明渠输水为主,北京、天津段采用管涵输水。总干渠输水由61个节制闸控制,沿线布置有分水口门71个,退水闸51个。中线工程的输水调度具有调水距离长,控制站点多,控制闸站分布范围广,调度、管理和控制复杂的特点。本文主要研究了充水、正常运行、应急调度和退水4个阶段的调度目标、约束条件和调度方案,并以2010年京石段临时通水调度方案为例,在实际调水运行中得到了验证。

1充水阶段调度方案南水北调中线总干渠初次运行或者全线检修后再次运行,渠道内无水,在正式运行开始前需要先将总干渠充至目标水位,这一过程称为充水阶段。

1.1调度目标在保证总干渠运行安全的前提下,考虑渠道冲洗、供水计划、渠道运行等要求,将各节制闸控制渠段内的水体体积及闸前水位在一定的时间内充至目标状态。

1.2约束条件(1) 充渠流量不能超过各渠段的设计流量;(2) 充渠过程中,渠道水位不能超过渠道设计水位;(3) 充渠过程中,水位降幅不能超过渠道设计要求,即0.3 m/d。

1.3调度方案充水阶段采用逐段递推充水方案。该方案为自上而下逐渠段完成对渠道充水,即首先将渠首段水位充至启动水位,然后开启下游节制闸,对下一渠段充水,同时利用渠首段进出流量差对渠首段继续充水。待第二渠段充至启动水位,开启第二渠段下游节制闸,依此类推,最后各渠段同时达到目标状态,开始对用水户进行供水。该方案调度控制的关键在于制定各渠段的充渠流量、节制闸开启滞后时间及各渠段的启动水位,以保证各渠道同时达到充水目标状态。逐段递推充水方案自上而下逐段充水,便于充水过程、带水调试、水力学测试等工作的组织管理和充水过程中的事故处理,充水过程的可控性强。

1.4充水阶段调度实例(1) 2010年京石段临时通水运行基本情况。充水水源为黄壁庄水库,最大充水流量19.8 m3/s(入渠)。充水范围为石津干渠入总干渠口至北拒马河节制闸(包括惠南路泵站前池)。充渠过程中的洗渠总水量为150万m3,分别通过唐河退水闸、北易水退水闸、北拒马河退水闸退出总干渠,本文根据各退水闸间的渠段长度,取各退水闸退出的洗渠水量分别为75万,48万,27万m3。充水结束时向北京供水流量为8.5 m3/s。充水过程中,自总干渠入口至北京团城湖的水量水利用系数取为0.88。经过分析比较,本次参与运行的节制闸及闸前目标控制水位见表1。

2) 2010年京石段临时通水充水调度成果 。根据2010年临时通水的供水计划、供水目标及用水户要求,本次临时通水充水阶段采用递推充水方案。根据计算,完成此次充水约需水量为1 362.6万m3,其中惠南庄泵站前池约26万m3,洗渠水量约150万m3。充水过程为从上游石津闸至北拒马节制闸,逐级开启闸门。

图1充水过程各闸门流量过程从充水初始时刻开始,石津闸入总干渠流量按每15 min增长1 m3/s的速率增加,直至达到最大充水流量19.8 m3/s为止。磁河节制闸滞后渠首约23.83 h开启,由滞后时间及石津闸流量可以计算出石津闸至磁河节制闸渠段内的总水体体积,通过水体体积可以反算出磁河节制闸的启动水位为71.18 m(其他节制闸启动水位制定方法与此相同,详细启动水位见表2)。磁河节制闸以同样速率增加流量达到其要求的充水流量。依此类推,各节制闸均滞后其上游节制闸开启,直至达到要求的流量。北拒马河节制闸在充水开始后第8天开启,流量逐渐增加到10.5 m3/s。自开始充水后的8.16 d开始,各节制闸在2 d时间内逐步从初始充水流量转变至试运行阶段各节制闸目标流量,其中团城湖闸在试运行阶段的目标流量为8.5 m3/s,全部充水过程完成。充水过程参数见表2。

充水过程总时间约为10.16 d,充水完成后可向北京市供水8.5 m3/s。整个充水期间,石津干渠入总干渠水量为1 633.3万m2(包括洗渠的150万m3),向北京市供水量150.1万m3。第16期黄会勇,等:南水北调中线一期工程输水调度方案研究 人民长江2010年2正常运行调度方案

2.1调度目标当输水流量发生变化时,需要对节制闸的开度进行调整。正常运行阶段的控制目标就是在满足渠道运行安全的情况下,使渠道输水流量快速而平稳地过渡到目标流量,调整过程必须满足正常运行下的各项约束条件。

2.2调度约束条件(1) 在流量变化的过渡过程中,水位可短时间超过控制水位,但不能高于警戒水位(设计水位以上0.5 m),并尽快回到目标控制水位;(2) 渠道水位的降落速度不能突破设计允许值,因为过快的水位降落可能导致渠道边坡失稳破坏,根据南水北调中线工程设计要求,每天水位降幅不大于0.3 m;(3) 正常调度运行中不使用退水闸;(4) 闸门操作不能过于频繁,要求在一个流量变化过程中闸门不回调。

2.3调度方案正常运行调度方案主要由南水北调中线非恒定流调度模型自动生成,其调度方案主要通过程序内的控制规则自动实现。模型正常运行调度规则由两部分组成,一部分是根据目标水流状态制订闸门启闭过程的规则,称为初始控制规则;另一部分是根据渠道水力响应的实测值进行闸门开度修正的规则,称为反馈控制规则。对于前者,只要渠道系统的初始状态和目标状态确定,所制订的开启过程就是确定的。但这一过程并不精确,必须根据实测的水力要素(水位、流量等)与目标值的差,对闸门的开度过程进行修正。(1) 初始控制规则。控制规则的关键参数是相邻节制闸流量变化的速率k1与k2、节制闸动作的起始时间Tc与结束时间Tb(以下简称“控制参数”)。控制参数与节制闸下目标水位降幅、目标蓄水体积变幅、水位允许降速等因素密切相关,而且每一个渠段的控制参数对上下游相邻渠段的控制参数均会产生影响。初始控制方案就是根据不同的目标流量改变值、目标水位、工况和目标蓄水体积等,确定上述的控制参数。由控制规则计算控制参数的过程十分繁杂,实际运行时,控制方案的计算由一个计算机软件来完成。只要输入实测信息和水量调度的结果,计算机会很快确定出全部的控制参数。(2) 反馈控制规则。在制订控制方案时,假设过闸流量为分段线性变化。但实际操作中,由于非恒定流水位的波动特征以及闸门开度调节采用“步进”方式,与精确的流量分段线性变化存在差别。闸门“步进”方式,是指当由流量变化值计算的闸门开度调节量小于最小开度变化值(采用0.02 m)时,闸门开度不变;当大于最小开度变化值时,才对闸门开度进行调整,并且开度的调整按闸门运行速度尽快完成。2.4调度实例(1) 正常运行基本情况。供水水源为黄壁庄水库,入北京流量由8.5 m3/s增加至9.7 m3/s的过程,各节制闸闸前目标控制水位见表1。(2) 正常运行调度成果。设计运行工况下各节制闸参数见表3,闸门开度过程见图2。

在开启过程中,节制闸由上游向下游依次开启,1号节制闸最先开启,9号节制闸最后开启。全部节制闸达到目标开度的时间约需225 min(0.16 d),之后渠道系统进入调整期,节制闸一般不再动作。 图2设计运行工况节制闸调度过程 3应急调度方案一个或数个渠段发生了重大事故,需要使系统快速关闭,该过程的调度方案称为应急调度方案。

3.1调度目标紧急状态下,运行调度的控制目标是尽快将事故段的闸门关闭,减少事故造成的影响。在此基础上,尽可能避免快速关闭事故段节制闸对其他渠段和建筑物造成危害,尽量减少退水量[1]。

3.2约束条件(1) 渠道最高水位不能突破警报水位。在紧急状态下,由于需要在短时间内关闭事故段上下游的节制闸,因此,必然会造成事故段以上渠道的壅水,渠道最高壅水位定得过高,容易出现渠道漫溢的危险;定得过低,则会降低渠段自身的调蓄能力,减少调度的灵活性,增加退水量。因此,紧急状态下的渠道最高允许水位应在保证渠道安全的前提下,尽可能高,以此为警报水位。本方案研究将警报水位定为渠道加大水位以上0.5 m,节制闸警报水位见表4。

(2) 闸门启闭不能过于频繁。在紧急状态下,考虑到渠道运行安全及减少退水的因素,节制闸允许适当回调,但启闭不能过于频繁,否则容易造成渠道水位的较大波动。闸门的启闭不过于频繁也是紧急状态下的约束条件。(3) 不考虑水位降落速度限制。紧急状态下首要任务是尽快切断水流。比如,当某渠段发生严重污染事故时,下游闸要快速关闭,以防止受污染水体向下游扩散;上游闸也要快速关闭,否则事故渠段将很快漫溢,造成受污染水体向渠道外扩散。虽然快速关闭可能会引起渠道衬砌的局部破坏,但与重大事故扩散相比,应按照“两害相权取其轻”的原则处理。此外,在紧急状态下不考虑“水位尽快恢复到控制水位”、“不使用退水闸”这两个约束条件。这是因为要利用渠道的超高存贮多余的水量,没有必要恢复到控制水位。

3.3调度方案紧急关闭时,事故段上、下端节制闸进入连续关闭程序,事故闸门在规定的时间内均匀关闭。事故闸下游各节制闸一般与事故闸同步关闭,事故闸上游各节制闸关闭过程持续的时间较长,且在事故闸上游越远,关闭持续时间越长。当闸前水位高于警戒值时,上游退水闸开始退水。退水流量根据渠段过水流量确定,最大值为设计退水流量。警戒水位(设计水位以上0.5 m,见表4)是设计水位与警报水位之间的值,其作用是在水位尚未达到警报水位之前便采取相应控制措施,防止水位超越最高允许值。如果渠段没有退水闸而闸前水位高于警戒值时,渠段前后节制闸不能关闭,需要由其他渠段退水或临时贮水[2]。应急调度方案是由基于上述要求编写的闸门紧急关闭程序自动生成的,可适用于应急段各段发生事故工况时调用。实际运行时,输入发生事故的渠段位置以及各监测点的水位,程序将生成全线各节制闸及退水闸的开度过程。

3.4调度实例(1) 应急调度基本情况。紧急关闭前,渠道内入北京流量为18.1 m3/s,各节制闸闸前水位见表1,选取北拒马河节制闸前渠段作为事故发生渠段。此紧急关闭情况可以涵盖其他节制闸紧急关闭的情况,这是因为北拒马河节制闸以下进入北京段,基本上全为有压流,一旦发生事故,首先就需要关闭北拒马河节制闸;北拒马河节制闸以上段发生事故时,由于渠道蓄水容积相对较大,上游节制闸紧急关闭所受到的限制均比北拒马河节制闸紧急关闭所受的限制小。只要北拒马河节制闸紧急关闭满足要求,相同控制规则下其他节制闸紧急关闭过程也能满足要求。(2) 应急调度方案模拟成果。对北拒马河节制闸前渠段发生事故,需要紧急关闭全线闸门的非恒定流情况进行了模拟,入北京流量在20 min内由18.1 m3/s快速减为0;其上游节制闸关闭时间初拟以30 min的间隔依次递增,磁河节制闸将在200 min内关闭,但在实际运行过程中,需考虑渠道内水位的实际壅水情况,放缓关闭速度;北拒马河下游节制闸初步拟定在20 min内关闭,但考虑永定河控制闸后是有压倒虹吸,为防止出现负压,其较团城湖闸关闭慢20 min。由于模拟计算关闭过程中水位超警戒水位,实际关闭时间均比计划长。北拒马河节制闸紧急关闭非恒定流模拟结果见表5。从事故工况紧急关闭模拟过程可以看出:(1) 事故段上游节制闸关闭时间较长,越往上游节制闸关闭越慢。(2) 模拟结果显示,紧急关闭非恒定流过程中,只有北拒马河节制闸前最高水位超设计水位0.25 m,但低于闸前警戒水位,不会危及渠道安全,也不需要弃水。团城湖末端闸前最高水位超设计水位0.55 m,超过了闸前警戒水位,由于此段无退水闸,需要在闸门关闭过程中短时提高闸门开度以将渠段内多余水量泄入团城湖。永定河控制闸前最高水位(大宁调节池内水位)达到59.95 m,低于大宁调节池最高蓄水位61.07 m,满足安全要求。其余各闸前水位均未超过设计水位。(3) 紧急关闭工况,各闸前最终稳定水位高

4退水调度方案南水北调中线工程在正常输水结束或遇到渠道全线放空检修时,需要将渠道内的水全部排出总干渠,该过程的调度运行方案称为退水调度方案。

4.1调度目标在满足渠道运行安全的前提下,将渠道内的余水尽可能地排出南水北调总干渠,供水在退水过程中应尽可能地满足沿线用水户的需求并减少弃水。

4.2约束条件(1) 渠道水位最大日降幅不超过0.3 m,以满足渠道安全运行要求;(2) 尽可能保证退水过程中对沿线用水户供水的稳定性;(3) 尽可能减少闸门操作次数。

4.3调度方案退水调度方案需要根据开始调度前供水流量、渠道内总水体体积、渠道内的水位、退水阶段用水户的受水能力等因素综合制定。退水调度方案根据供水流量、渠道运行水位等分几个阶段进行。(1) 第1阶段,在渠道开始退水的初始阶段,渠道供水流量比较大、渠道运行水位相对比较高时,可以先按正常调度运行调度方案以降低渠道供水流量和渠道运行水位;(2) 第2阶段,利用引水渠道内的余水维持入总干渠流量的稳定,保证向用水户稳定供水,如引水渠道内没有足够的余水,此阶段可以跳过,直接进入下一阶段;(3) 第3阶段,将入总干渠流量逐步减至零,同时利用总干渠内的余水保证供水流量的稳定,如引水渠道内没有足够的余水,此阶段可以跳过,直接进入下一阶段;(4) 第4阶段,在保证渠道水位降幅不超过0.3 m/d的情况下,完全利用总干渠内的余水保持供水流量的稳定;(5) 第5阶段,在保证渠道水位降幅不超过0.3 m/d的情况下,根据各渠段的余水向用水户供水,此阶段供水流量不稳定,逐渐减少。退水调度方案制定的关键在于根据渠道内的总水量及各渠段水体体积,制定第2~4阶段的供水流量,同时合理分配各渠段内的供水流量,在保证渠道安全的情况下,自上而下的将各渠段余水退完。

4.4调度实例京石段正常输水完成后,渠道中总共约有1 330.1万m3余水。考虑到水资源的有效利用及下阶段京石段建筑物的建设需要,应尽可能地把渠道中的余水退至北京。(1) 退水时渠道运行基本情况。根据供水计划,正常输水完成时入北京流量为18.1 m3/s;供水水源为王快水库,入渠流量19.5 m3/s;上游端为孟良河倒虹吸检修闸挡水,退水前渠道运行参数见表6。第2阶段,王快水库在10 h内均匀关闭,入沙河 干渠水量为18.9万m3,根据2008年临时通水统计,沙河干渠内有约400万m3水量可以退入总干渠,扣除沙河段水量损失(按18%的损失系数考虑),可退入总干渠的水量约为343.5 万m3。利用沙河干渠内的余水维持入总干渠流量为8.6 m3/s,入北京流量为8.0 m3/s。该阶段共持续约2.6 d,入总干渠水量约为194.9万m3,北京收到水量约为180.5万m3,沙河干渠内剩余可退入总干渠的水量为148.6万m3。

图3退水工况第一阶段节制闸调度过程第3阶段,分3 d将沙河干渠入总干渠的流量从8.6 m3/s减少到零。第1天沙河干渠入总干渠平均流量为8.6 m3/s,至北京流量为8.0 m3/s;第2天沙河干渠入总干渠平均流量控制为5.73 m3/s,总干渠各渠段利用本身渠道蓄水量分段提供流量,保证入北京流量为8.0 m3/s;第3天沙河干渠入总干渠平均流量控制为2.87 m3/s,总干渠各渠段利用本身渠道蓄水量分段提供流量,保证入北京流量为8.0 m3/s。第3阶段沙河干渠入总干渠总水量约为148.6万m3,入北京水量约为207.4万m3。第4阶段,完全利用渠道蓄水为北京提供共7 d的稳定流量(8.0 m3/s)。总共为北京提供水量约为483.8万m3。第5阶段,总干渠沿线渠段逐步完成退水,退出运行。为北京提供的日平均流量自6.7 m3/s逐渐减少至零,该阶段运行时间为17 d,入北京水量约为361.7万m3。该阶段结束后,临时通水退水结束,渠道内共有约215.8万m3水量不能退入北京。根据以上退水方案,整个退水时间需要约33.7 d,总共可向北京提供水量约1 767.3万m3。

参考文献:

[1]董延军,蒋云钟,王浩,等. 南水北调京石段应急供水水力控制模型研究[J].人民长江,2007,38(1):32-33.

[2]陈文学,刘之平,吴一红,等.南水北调中线工程运行特性及控制方式研究[J].南水北调与水利科技,2009,7(6):8-12.

(编辑:李 慧)

您对《南水北调中线一期工程输水调度方案研究》一文的评论