南水北調(diào)東線膠東段運行模式探究

霍祥宇，周 強，王成建

（南水北調(diào)東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250014）

南水北調(diào)東線膠東段工程線路長，控制建筑物和跨渠建筑物眾多，自動化系統(tǒng)未完善，工程運行期短，許多控制參數(shù)未經(jīng)實際運行檢驗。因此，優(yōu)化控制運行方式對于節(jié)約電費、減少閘門啟閉次數(shù)、削減閘站人力費用、降低輸水成本具有現(xiàn)實意義。

1 常用渠道輸水控制方法

現(xiàn)行的運行控制可分為上游常水位控制、下游常水位控制、等容積控制、控制容量法等，南水北調(diào)東線山東干線膠東段輸水運行應根據(jù)自身工程現(xiàn)場實際情況從優(yōu)選擇控制方式。

上游常水位控制：上游常水位控制是保持渠道控制性水閘下游水位平穩(wěn)，其水位監(jiān)測控制點位于控制性水閘下游。這種方式的優(yōu)點是能夠根據(jù)渠道零流量和最大流量之間的調(diào)蓄量對下游或分水口的流量變化迅速作出反應，減少調(diào)節(jié)時間，滿足輸水及分水流量變化的要求。其缺點是為了保持上游水位穩(wěn)定，要求渠道有較高的渠堤和襯砌，或者是渠堤設計為水平方式。

下游常水位控制：水位監(jiān)測控制點位于控制性水閘上游，這種控制法適用于大多數(shù)渠道。此控制方式最大的優(yōu)點是能夠使渠道輸水可按照設計流量運行，在平穩(wěn)運行狀態(tài)下渠道整體水位線不會超過設計水位。其缺點是不同流量輸水時，該控制方式單個渠段的蓄水量變化大，流量調(diào)節(jié)時響應時間長。

等容積控制：這種控制方法是使每個輸水渠段在任何時候都維持有一定相對穩(wěn)定的蓄水量。當調(diào)節(jié)流量時，水面線圍繞渠段中點附近變化，保持渠段中點水位穩(wěn)定。渠段中點兩側(cè)存在儲水楔形體，對于流量的變化，楔形體體積變化相等、方向相反，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。這種控制方式要求同時調(diào)節(jié)上下游閘門，需要管水員能夠非常了解閘門開度與流量的對應關(guān)系，保證上、下游水閘調(diào)節(jié)后的流量對應穩(wěn)定。其優(yōu)點是能夠迅速改變整個渠道的運行狀態(tài)，減少流量調(diào)節(jié)的時間滯后性。缺點是渠道引水口需要位于渠段的中點附近，才能避免水位波動導致的引水口流量的變化。

控制容量：控制容量方式是通過控制不同渠段中的蓄水量來實現(xiàn)渠道輸水調(diào)度的控制方式，這種控制方式可以將單個渠池看作為一個小型的調(diào)蓄水庫，渠段的水面線可以升高和下降。這種控制方式可以很好的控制突然的流量大的變化，但應注意渠道的水位波動允許值。

2 膠東段渠道控制模式分析

南水北調(diào)東線山東干線膠東段上起明渠大沙溜倒虹下游章鄒邊界，下至引黃濟青上節(jié)制閘，輸水線路長85.522 km，其中新辟全斷面現(xiàn)澆混凝土襯砌渠道長50.947 km，新開挖土渠29.175 km，利用小清河分洪道子槽輸水長5.40 km；沿線12座控制建筑物，5座分水閘，2座泄水閘；設計流量50 m3/s，運行控制問題主要有滯后性、耦合性、擾動性、非線性四個方面。一是受水流速度限制，單個渠池內(nèi)（按7 km估算）控制作用滯后長達1 h。二是沿線分水口或控制閘流量的變化會引起多個渠池內(nèi)水位的波動，表現(xiàn)出很強的耦合性。三是渠道長存在不確定或未知性擾動因素，如局部突降暴雨、計量測算偏差、非法取水、應急事件等，影響渠道的安全運行和供水任務的完成。四是渠道系統(tǒng)存在多種非線性因素，如水利要素間的非線性關(guān)系、滯后事件的非線性變化、閘門過流系數(shù)的非線性變化等，給控制系統(tǒng)的設計及參數(shù)選取帶來很大困難。解決這些問題，需要確定適合渠道的控制運行方式。

2.1 襯砌段控制方式

襯砌段運行控制主要是防止揚壓力及水位下降過大導致襯砌板破壞。通過渠道地下水位監(jiān)測裝置測量地下水位，控制渠道水位高于地下水位運行，防止揚壓力對渠道的破壞；通過合理的調(diào)度方式，保障渠道水位短時間內(nèi)降落過快，破壞襯砌板，南水北調(diào)東線山東干線明渠段實測，水位下降20 cm/h和40 cm/d是安全的。

膠東段工程田家至入分洪道為襯砌段，實際運行控制中，精確控制倒虹涵閘和帶有較大跌水的節(jié)制閘。根據(jù)歷次調(diào)水數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫，通過閘門開度公式其中：G為閘門開度；Q為過閘流量；μ為包含淹沒系數(shù)的流量系數(shù)；b為閘門底寬；Zup為閘前水位；Zdn為閘后水位。推算出各控制性建筑物包含淹沒系數(shù)的流量系數(shù)μ，在上游來水流量已知的情況下調(diào)節(jié)閘門開度。其他節(jié)制閘開度低于閘前水位30 cm。一是如果閘站全部控制，渠道過長、閘站控制難度大，水位長時間不能平穩(wěn)；二是如果節(jié)制閘全都提到水面以上，使得單個渠池變長，調(diào)節(jié)時間滯后、抗擾動性差；三是水從較寬渠道流向節(jié)制閘過水斷面減小導致不同水層流速不同，使過閘流態(tài)不穩(wěn)定對建筑物形成淘刷。上游來水流量變化時，同步調(diào)節(jié)襯砌段沿線閘門，控制入渠變化流量與出渠變化流量相等，保持單個渠段內(nèi)蓄水量不變。起初閘前水位下降，閘后水位上升，在較短時間內(nèi)重新達到平衡。

2.2 土渠段控制方式

土渠運行技術(shù)核心為控制好流速和保持渠道水位穩(wěn)定?？刂坪昧魉俨淮笥谠O計流速，以防止水流對渠底和渠坡的沖刷；保持渠道水位穩(wěn)定，因土渠無防護，當水位變化幅度較大時，易引起渠坡坍塌。為保證土渠運行安全，必須控制好渠道水位和水流流速。

膠東段工程大張至博興城南為土渠段，實際運行中，將大張、趙家兩個節(jié)制閘開度低于閘前水位30 cm，著重控制博興城南節(jié)制閘閘前水位穩(wěn)定。土渠段渠道平穩(wěn)沒有跌水，最下游的博興城南節(jié)制閘閘前水位穩(wěn)定，大張和趙家水位變化不會過大，閘前水位穩(wěn)定。

優(yōu)化后襯砌段等容積控制、土渠段閘前常水位控制的調(diào)度方式，能夠有效減少輸水明渠的時間滯后、水位波動，保障輸水順利、平穩(wěn)進行。

3 結(jié)語

一種控制方法可能適應某個工程，但由于輸水工程的類型、水源、渠道的調(diào)蓄能力、渠段長度等的不同，卻不一定使用于另一個工程。需要對多個控制方法進行研究，優(yōu)選一種最能適合工程的輸水控制方式。

本文以南水北調(diào)東線膠東段工程為背景，分析了大型輸水工程的運行控制方式。所優(yōu)化的控制方式，減弱了長距離輸水控制帶來的時間滯后、擾動的影響。優(yōu)化的控制方式對于節(jié)約電費、減少閘門啟閉次數(shù)、削減閘站人力費用等降低輸水成本也具有現(xiàn)實意義。

對于一個實際的長距離調(diào)水工程，其輸水調(diào)度控制是一個相當復雜的系統(tǒng)工程，大量相關(guān)內(nèi)容還需要根據(jù)具體的渠道特性進行分析研究。

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