南水北調(diào)中線京石段臨時通水調(diào)度研究與實踐

劉祥臻

一、南水北調(diào)中線京石段臨時通水基本情況

南水北調(diào)中線京石段應急供水工程自石家莊古運河至北京團城湖。其中，石家莊古運河樞紐至北拒馬河中支南段位于河北省，輸水線路長227.4km，采用明渠輸水；北拒馬河至團城湖段位于北京市，輸水線路長80.1km，采用PCCP管道和暗涵輸水。

京石段應急工程臨時通水的任務是將河北省崗南、黃壁莊水庫、王快水庫的3億m3出庫水量，按北京市的需水要求，安全送入北京。崗南、黃壁莊水庫為串聯(lián)水庫，聯(lián)合調(diào)蓄后由黃壁莊水庫放水，經(jīng)石津干渠連接工程進入中線總干渠；王快水庫的水量經(jīng)沙河干渠和連接工程進入中線總干渠。南水北調(diào)中線建設管理局負責總干渠輸水調(diào)度運行工作。

二、京石段應急供水工程調(diào)度運行的特點

京石段應急供水工程調(diào)度運行特點是距離長，控制站點多，分布廣，要求實行不間斷供水，調(diào)度和控制十分復雜，任何調(diào)度運行的失誤都可能造成嚴重的后果，輕則引起渠道的水位驟降、驟升，造成渠道襯砌破壞、渠堤滑坡，重則可能導致漫堤等嚴重影響工程安全的事故。其特點在于：

（1）渠線長，控制建筑物多。長距離調(diào)水工程要將整個渠道的水流從一種狀態(tài)調(diào)節(jié)到另一種狀態(tài)，并保持穩(wěn)定，是十分困難的。而實際調(diào)度還要考慮緊急停水（如事故停電、停機及其他事故），上、下游流量的突然增大或減少等因素，這就需要研究響應快、反應靈敏的控制方法。

（2）明渠輸水為無壓自流形式，輸水干渠上缺少調(diào)蓄水庫，輸水控制過程的可調(diào)節(jié)能力較差，控制難度也就更大。

（3）京石段工程由于各種原因，部分交通橋未能建成，不得不采取臨時埋管措施，通水的水位要求應淹沒臨時埋管的進口。

（4）南水北調(diào)中線沿線有許多大型倒虹吸，北京段設有壓管道，控制過程需要考慮有壓管道進口淹沒，北京段的暗渠段要避免造成明滿交替流，對控制過程要求較嚴格。

（5）華北地區(qū)冬季輸水存在冰期輸水的問題，控制不當容易造成冰蓋破裂，產(chǎn)生冰塞、冰壩等事故。

三、渠道調(diào)度運行控制

渠道運行控制是根據(jù)用水戶的需求，通過改變一系列節(jié)制閘的狀態(tài)，適時適量將水送到用戶的過程?？刂苿幼髋c渠道水力學響應密切相關，在保證水位變率不超過允許值前提下，力求將用戶需要的水量通過逐渠段水體傳遞，迅速送到用戶的取水口。

1.輸水調(diào)度控制建筑物

京石段應急供水工程共設計有16座節(jié)制閘，其中15座節(jié)制閘均可參與調(diào)度運行；由于調(diào)水流量小于20m3/s,惠南莊泵站不參與調(diào)度使用；共有13座退水閘，只在事故工況下使用；20座分水閘不參與調(diào)度，水量全部通過團城湖末端閘進入團城湖；河北段渠道內(nèi)有5處設有臨時埋管的渠段；應急段臨時通水期間，在不影響輸水安全的前提下，為了簡化調(diào)度過程，增強調(diào)度的可靠性，適當減少參與調(diào)度控制的節(jié)制閘數(shù)量。在滿足臨時埋管進口淹沒要求的前提下，可減少4座節(jié)制閘參與運行。

2.渠道運行控制方式

渠道輸水可以采用不同的運行控制方式，不同的方式有不同的渠道水流穩(wěn)定特性。渠道采用何種運行方式，需要根據(jù)輸水工程的具體條件、輸水要求、經(jīng)濟合理性進行取舍?？紤]到中線工程渠道長，增加渠堤高度會大量增加工程量，下游常水位能夠滿足供水的要求，不需要額外超高，工程量省，因此中線工程總干渠選用下游常水位（即閘前常水位）方式作為渠道的運行控制方式。

3.渠道運行約束條件

約束條件就是水流特征要素（水位、流速、流量等）變化時必須受到的限制。

（1）在流量變化的過渡過程中，水位在一定幅度內(nèi)波動，但不能高于超高值（暫定為設計水位以上0.5m），并盡快達到控制水位。

（2）水位的降落速度不能突破設計允許值，因為過快的水位降落可能導致渠道邊坡失穩(wěn)破壞，南水北調(diào)中線干線工程按每天水位降幅不大于0.3m考慮。

（3）調(diào)節(jié)過程中不使用退水閘。

4.閘前常水位的確定

（1）非冰期目標水位

通常情況下，取閘前設計水位為渠道非冰期目標控制水位。根據(jù)水量調(diào)度成果，此次應急段臨時通水最大流量設計過流能力小很多，適當降低目標控制水位仍能滿足渠道過流能力要求；此外，渠道正常輸水前需要預先向渠道中充水，降低各節(jié)制閘前目標控制水位可減小充水體積，有利于縮短充水過程。工程運行初期，低水位運行也較為安全。所以，在保證運行安全的情況下盡量降低目標控制水位。但閘前目標控制水位不可降得過低，主要受以下因素制約：

①閘前目標控制水位必須滿足渠道過流能力的要求。

②總干渠上的部分有壓建筑物（暗涵、PCCP管、臨時埋管等）進口需低于水面。

③由于總干渠上存在5座臨時埋管建筑物，水頭損失較大，需要復核恒定流非均勻流水面線，以滿足閘門正常過流的要求。

考慮以上因素，將河北段內(nèi)閘前目標控制水位較設計水位降低0.47～1.68m。

（2）冰期目標控制水位

冰期目標控制水位（或蓄水量）較正常時期高。因為結冰以后，輸水斷面積較正常時期減少，濕周增加，過水能力減小，容易產(chǎn)生冰塞、冰壩，造成嚴重的后果。京石段應急供水工程冰期目標控制水位一般比非冰期目標水位相應高20～50cm。

5.節(jié)制閘閘門調(diào)節(jié)控制規(guī)則

節(jié)制閘閘門調(diào)節(jié)控制規(guī)則的關鍵參數(shù)是相鄰節(jié)制閘流量變化的速率、節(jié)制閘動作的起始時間與結束時間（以下簡稱“控制參數(shù)”）?？刂茀?shù)與節(jié)制閘下目標水位降幅、目標蓄水體積變幅、水位允許降速等因素密切相關，而且每一個渠段的控制參數(shù)對上下游相鄰渠段的控制參數(shù)均會產(chǎn)生影響。初始控制方案就是根據(jù)不同的流量改變值、不同的目標水位、不同的工況、不同的目標蓄水體積等，確定上述的控制參數(shù)。然后每隔1小時（未穩(wěn)定）或4小時（基本穩(wěn)定）讀報閘前、后水位；由水位、流量計算閘門開度；當由流量變化值計算的閘門開度調(diào)節(jié)量小于最小開度變化值時，閘門開度不變；當大于最小開度變化值時，才對閘門開度進行調(diào)整，并且開度的調(diào)整按閘門運行速度盡快完成。

四、緊急狀態(tài)下的閘門操作

1.緊急狀態(tài)下閘門操作的約束條件

緊急狀態(tài)下閘門操作的約束條件不考慮水位降落速度的約束。因為在緊急狀態(tài)下，首要的是盡快切斷水流。雖然快速關閉可能會引起渠道襯砌的局部破壞，但與重大事故擴散相比，按照“兩害相權取其輕”的原則處理。

此外，在緊急狀態(tài)下不考慮“水位盡快恢復到控制水位”、“不使用退水閘”這兩個約束條件。這是因為，要利用渠道的超高存貯多余的水量，沒有必要恢復到控制水位狀態(tài)。緊急關閉完成后，一般渠段下半段的水位將高于設計值。當渠道超高容不下多余水量時，就要啟動退水閘退水。緊急關閉時，退水常常難以避免，尤其是大流量輸水遇突發(fā)事件緊急關閉時。

2.緊急狀態(tài)下閘門操作規(guī)則

（1）需緊急關閉的節(jié)制閘，應在20分鐘內(nèi)關死。

（2）緊急關閉閘上游各閘時應同時開始關閉，但關死的時間依次滯后30分鐘，以盡量減小水位下降速度。

（3）閘前水位超設計+0.5m。

本渠段有退水閘，退水流量定為初始流量的80%來確定開度；本渠段無退水閘，節(jié)制閘開啟至80%的初始流量；上述退水流量或節(jié)制閘回開流量，一直維持到水位回到設計水位以下，以避免閘門跳動。

五、結語

南水北調(diào)中線京石段應急供水工程通水調(diào)度結合工程特點和通水的實際情況，優(yōu)化參與調(diào)度閘站數(shù)量，采取閘前常水位的輸水調(diào)度控制方法，確定了冰期和非冰期目標水位，建立了正常輸水和緊急情況下閘門操作的程序，有效地進行水位控制。實踐證明京石段應急供水工程臨時通水調(diào)度運行平穩(wěn)有序，確保了臨時通水安全、可靠、優(yōu)質(zhì)調(diào)度運行