南水北調(diào)中線工程渠道輸水調(diào)度研究

劉洪超，潘好磊，王瑞卿

（南水北調(diào)中線干線建設(shè)管理局河南分局，河南 鄭州 450008）

南水北調(diào)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(diào)水工程。擔(dān)負(fù)著向北京、天津、鄭州、石家莊等數(shù)十座城市供水任務(wù)。南水北調(diào)中線自2014年12月12日通水以來，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)運(yùn)行，完成了輸水任務(wù)，通過優(yōu)化調(diào)度實(shí)現(xiàn)生態(tài)補(bǔ)水。

1 概況

南水北調(diào)中線干線全長1432 km，沿線設(shè)97個(gè)分水口，64個(gè)節(jié)制閘。64個(gè)節(jié)制閘把渠道分隔為相當(dāng)于63個(gè)串聯(lián)運(yùn)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(diào)蓄水庫，需利用自身調(diào)蓄能力，調(diào)度控制難度大。

國家水行政主管部門負(fù)責(zé)中線水量統(tǒng)一調(diào)度，下達(dá)年度水量調(diào)度計(jì)劃。國家防汛抗旱總指揮部負(fù)責(zé)組織實(shí)施水量應(yīng)急調(diào)度。長江水利委員會(huì)統(tǒng)籌丹江口水庫來水預(yù)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(diào)水量。受水區(qū)各?。ㄖ陛犑校┧姓鞴懿块T根據(jù)陶岔可調(diào)水量及本省用水情況，提出南水北調(diào)中線本省年度用水計(jì)劃需求；當(dāng)需水計(jì)劃小于等于年度可調(diào)水量時(shí)按需水計(jì)劃供水。當(dāng)需水計(jì)劃大于年度可調(diào)水量時(shí)，按照年度可調(diào)水量分配供水。各省(直轄市)按比例分水準(zhǔn)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(diào)中線陶岔渠首逐月優(yōu)化輸水調(diào)度，見圖1。

總干渠渠首閘多年平均調(diào)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(diào)度圖

表1 受水區(qū)各?。ㄖ陛犑校┒嗄昶骄炙勘恚ㄇ讟屑~閘水量） 單位：億m3

2 輸水調(diào)度原理及要求

2.1 調(diào)度水位控制目標(biāo)

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(duì)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(shè)計(jì)水位）。閘前常水位控制運(yùn)行方式示意圖，見圖2。

圖2 閘前常水位運(yùn)行方式示意圖

渠槽下游端水深（水位）保持相對(duì)穩(wěn)定，流量變化時(shí)水面線將繞節(jié)制閘閘前常水位為支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。水位波動(dòng)符合安全限幅每小時(shí)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(shè)計(jì)，也避免因水位太低或水面波動(dòng)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(shè)計(jì)，使渠道的尺寸和超高達(dá)到最小，從而降低了工程建設(shè)費(fèi)用。

當(dāng)來水量不足，或分水口加大分水量時(shí)，為了維持閘前水位恒定，閘門開度必須減小或全關(guān)，但會(huì)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(duì)穩(wěn)定。支樞點(diǎn)在閘后，也被稱為“水平渠堤”運(yùn)行方法，響應(yīng)特性較好，但工程土方量大。閘后常水位控制運(yùn)行方式示意圖，見圖3。

圖3 閘后常水位控制運(yùn)行示意圖

2.1.3 等體積控制

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

圖4 等體積運(yùn)行方式示意圖

綜合多因素比選后，南水北調(diào)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(diào)度模式。

2.2 節(jié)制閘運(yùn)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(jìn)，流量變化到達(dá)的節(jié)制閘依次調(diào)節(jié)閘門。調(diào)度運(yùn)行時(shí)需準(zhǔn)確預(yù)測流量變化到達(dá)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(bǔ)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(gè)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(jìn)，流量變化到達(dá)的節(jié)制閘依次調(diào)節(jié)閘門。

同步操作。同時(shí)改變所有閘門的開度。能使一個(gè)渠槽在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到新的恒定流態(tài)。調(diào)度操作時(shí)必須檢查水位的變動(dòng)，確保其水位的增加進(jìn)入超高區(qū)的持續(xù)時(shí)間要短。

南水北調(diào)中線工程節(jié)制閘的運(yùn)行根據(jù)調(diào)控需求，綜合運(yùn)用順序操作和同步操作兩種方式。因南水北調(diào)渠線長，當(dāng)需要做出小流量改變而不影響整個(gè)渠系時(shí)，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(dá)到鄰近渠道所要求的水位條件。

2.3 渠道輸水調(diào)度要求

各渠段運(yùn)行水位應(yīng)滿足渠段過流要求。正常運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行水位不應(yīng)高于加大水位，流量小于渠段設(shè)計(jì)流量，運(yùn)行水位不宜高于設(shè)計(jì)水位。

各渠段最低運(yùn)行水位應(yīng)滿足分水口取水要求、有壓建筑物進(jìn)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(yīng)大于0.3 m/d，也不應(yīng)大于0.15 m/h。但對(duì)于渠道水位短時(shí)間上漲后水位下降、渠道襯砌排水條件良好等，經(jīng)論證可適當(dāng)放寬水位降幅限制的渠段，可按分析論證的水位降幅進(jìn)行調(diào)度控制，且應(yīng)急調(diào)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(zhì)條件較好渠段等，經(jīng)論證可適當(dāng)放寬水位漲幅限制的渠段，可按分析論證的水位漲幅進(jìn)行調(diào)度控制。

3 輸水調(diào)度

3.1 輸水調(diào)度管理

南水北調(diào)中線通水調(diào)度，實(shí)施“統(tǒng)一調(diào)度、集中控制、分級(jí)管理”的調(diào)度管理模式，根據(jù)通水運(yùn)行組織機(jī)構(gòu)設(shè)置方案，全線共設(shè)三級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)。

1）總調(diào)中心代表一級(jí)運(yùn)行管理機(jī)構(gòu)（以下簡稱：中線局），負(fù)責(zé)組織實(shí)施全線運(yùn)行調(diào)度相關(guān)的工作；

2）分調(diào)中心代表二級(jí)運(yùn)行管理機(jī)構(gòu)（以下簡稱：分局），負(fù)責(zé)組織實(shí)施轄區(qū)內(nèi)運(yùn)行調(diào)度相關(guān)的工作；

3）沿線各管理處調(diào)度科代表三級(jí)運(yùn)行管理機(jī)構(gòu)（以下簡稱：管理處），負(fù)責(zé)實(shí)施轄區(qū)內(nèi)運(yùn)行調(diào)度相關(guān)的工作。

全線各級(jí)輸水調(diào)度機(jī)構(gòu)實(shí)行“5班2倒”工作制，調(diào)度場所24小時(shí)值班。調(diào)度工作按照《南水北調(diào)中線干線輸水調(diào)度管理工作標(biāo)準(zhǔn)》（Q/NSBDZX G030-2015）執(zhí)行。

3.2 調(diào)度自動(dòng)化

南水北調(diào)中線建設(shè)了功能完備的調(diào)度管理系統(tǒng)、閘站監(jiān)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水位采集、閘門控制等自動(dòng)化，通過自動(dòng)化的流量、水位測量測控設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)全線流量的動(dòng)態(tài)變化、分水水量的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控，為全線輸水運(yùn)行水量平衡計(jì)算提供技術(shù)支撐。

總干渠正常輸水調(diào)度采取以集中監(jiān)控為主，人工控制為輔的方式。調(diào)度指令由總調(diào)度中心根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測信息擬定，或由自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)直接生成，通過遠(yuǎn)控實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地閘站的自動(dòng)化操作，如自動(dòng)化遠(yuǎn)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(diào)、分調(diào)、管理處的功能包括：水情數(shù)據(jù)展示、調(diào)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(shí)間分布和分水口空間分布、時(shí)間分布，查看和管理其管轄范圍內(nèi)的節(jié)制閘、分水口和退水閘的水情實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

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

圖6 調(diào)度系統(tǒng)的水情監(jiān)控模塊

3.2.2 調(diào)度數(shù)據(jù)分析

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

各節(jié)制閘基本信息包括：閘門名稱、目標(biāo)水位、設(shè)計(jì)水位、當(dāng)前水位、距目標(biāo)水位、距設(shè)計(jì)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(jì)起始時(shí)間與截止時(shí)間段內(nèi)全線水體相關(guān)信息；支持實(shí)時(shí)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(jì)時(shí)間，以列表形式展示全線節(jié)制閘名稱、安裝位置和24小時(shí)流速、閘前渠底高程、閘后渠底高程、設(shè)計(jì)水位、閘前水位、閘后水位、閘前渠道水深、閘后渠道水深、當(dāng)前水位與設(shè)計(jì)水位差等信息，各分水口流速、流量及累計(jì)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(diào)、分調(diào)、管理處的功能包括：閘站信息、監(jiān)控點(diǎn)列表、趨勢圖、調(diào)度指令、數(shù)據(jù)列表、預(yù)警管理等功能模塊。見圖7。

通過閘站監(jiān)控系統(tǒng)，各級(jí)調(diào)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(diào)度數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)趨勢圖、調(diào)度預(yù)警、水位預(yù)警、閘站各類設(shè)備的預(yù)警等功能。根據(jù)不同警情通知相關(guān)專業(yè)人員處理，處理完成后進(jìn)行消警。

圖7 南水北調(diào)中線干線閘站監(jiān)控系統(tǒng)

4 結(jié)論

南水北調(diào)中線通過輸水調(diào)度管理模式，實(shí)現(xiàn)水位采集、閘門控制等操作的自動(dòng)化；通過自動(dòng)化的流量、水位測量測控設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)全線流量動(dòng)態(tài)變化、分水水量的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控，為全線輸水運(yùn)行水量平衡計(jì)算提供技術(shù)支撐。

1）南水北調(diào)中線發(fā)揮著巨大的社會(huì)、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)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(shí)機(jī)，通過加強(qiáng)輸水調(diào)度工作，利用先進(jìn)的輸水自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)，把多余的洪水通過沿線渠道及退水閘，實(shí)現(xiàn)對(duì)北方多條天然河道的生態(tài)補(bǔ)水8.65億m3，為洪水資源化利用提供了技術(shù)支撐。

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