引江濟淮梯級泵站事故停泵應(yīng)急響應(yīng)時間分析

李夢軒 田雨 雷曉輝

摘要：引江濟淮工程是一項溝通長江、淮河兩大水系的跨流域、跨區(qū)域重大戰(zhàn)略性水資源配置工程和綜合利用工程，其中西淝河線承擔(dān)著淮北渦河以西和河南省受水區(qū)的供水任務(wù)。為了使受水區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水和居民生活用水得到保障，以及為了確保泵站群的正常運行，用MIKE11模型建立了一維水力學(xué)模型，對西淝河線梯級泵站進行非恒定流數(shù)值模擬。分別研究了各泵站間的正/反向響應(yīng)時間和應(yīng)急停泵工況下區(qū)間水位超出限制范圍的最長時間，從而得到了最大調(diào)控可允許間隔（響應(yīng)時間）。在此基礎(chǔ)上，分析了響應(yīng)時間與初始水位的關(guān)系，得到了各泵站在停機事故下的最大調(diào)控可允許間隔表，并提出了泵站正常運行中的注意事項。分析研究結(jié)果具有實用性和借鑒價值，可為工程調(diào)控方案的制定提供參考和科學(xué)依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：

事故停泵; 應(yīng)急響應(yīng)時間; 水力學(xué)模型; 梯級泵站; 引江濟淮工程

中圖法分類號： TV43

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.034

引江濟淮工程是溝通長江、淮河兩大水系的跨流域、跨區(qū)域重大戰(zhàn)略性水資源配置工程和綜合利用工程。其中的江水北送段西淝河線對渦河以西及河南省受水區(qū)的供水至關(guān)重要。該線由五級泵站組成，區(qū)間無蓄水建筑物，水位受流量變化影響大。若不考慮滯后響應(yīng)時間和最大調(diào)控可允許間隔（響應(yīng)時間），則會影響調(diào)度時機，降低供水保證率;或變工況時水位波動大，影響正常運行，造成經(jīng)濟損失。響應(yīng)時間的確定可為應(yīng)急工況和大流量變化的正常工況下的調(diào)控方案制定提供參考。響應(yīng)時間在南水北調(diào)入密云水庫工程中應(yīng)用較廣：比如鄭和震等[1]通過建立流量-水位-蓄量關(guān)系得到了水位-時間變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出了控制策略;雷曉輝等[2]、吳輝明等[3]計算出了各泵站的調(diào)控流量和時間，實現(xiàn)了梯級泵站節(jié)能;盧龍彬等[4]在對糙率的影響進行研究的基礎(chǔ)上，開展了停泵事故模擬分析。

響應(yīng)時間的確定也可為梯級泵站群經(jīng)濟優(yōu)化提供邊界條件。比如，針對南水北調(diào)入密云水庫工程，吳怡[5]、鄭和震[6]、吳輝明[3]、劉波波[7]以響應(yīng)時間為控制約束，結(jié)合分時電價和運行效率分別進行了旬和日優(yōu)化調(diào)度以及梯級流量揚程優(yōu)化;此外，王敬[8]、黃會勇[9]、桑國慶[10]等在泵站群輸水系統(tǒng)優(yōu)化、水量調(diào)度模型研究等方面將響應(yīng)時間作為了邊界之一。

本文對引江濟淮工程西淝河線的運行工況進行了細化，能涵蓋大部分正常運行時的水位區(qū)間。在此基礎(chǔ)上研究了響應(yīng)時間，并給出了各泵站停機事故下的響應(yīng)時間推薦表和泵站運行建議。

本文借助于MIKE11軟件進行一維水力學(xué)建模。MIKE11軟件在國內(nèi)外應(yīng)用十分廣泛，比如，吳天蛟等[11]和Niranjan Pramanik等[12]運用MIKE11分別進行了三峽庫區(qū)和印度東部婆羅門尼河流域三角洲河段的洪水演進模擬;許春東等[13]運用該軟件進行了河道糙率靈敏度分析;Panda[14]、Jouzdani[15]、Cox[16]、Ermolaeva等[17]利用MIKE11模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等其他模型進行耦合、對比，均證明了MIKE11的模擬能力。

1 研究區(qū)域

引江濟淮工程主要任務(wù)是向安徽省沿淮及淮北地區(qū)補充水源，并為向河南省的商丘、開封和周口地區(qū)相機供水創(chuàng)造條件。供水范圍涉及安徽省9個市和河南省3個市。主體工程分為三大段：引江濟巢段（引長江水補給菜子湖、巢湖流域）、江淮溝通段（將長江水輸送至淮河）、江水北送段（將長江水送至淮北）。

本次研究對象為引江濟淮工程江水北送段西淝河線（安徽段）河段：自西淝河站上的淮河口起，沿途經(jīng)西淝河站、闞疃南站、西淝河北站、朱集站、龍德站，最終抵達皖豫省界，全長185.5 km。上游起點為淮河，常水位為17.4 m，下游終點省界處為練溝河倒虹吸，設(shè)計水位為30.9 m，設(shè)計流量為45 m3/s。

由于設(shè)計水位為最大設(shè)計流量下運行的水位，西淝河線沿途及受水區(qū)無湖泊水庫等蓄水工程，對于這種情況往往是按需調(diào)水，正常調(diào)水期間一般位于設(shè)計水位之下。而且根據(jù)引江濟淮2040年安徽渦河以西片的水量供需平衡分析結(jié)果，汛期時，淮北渦河以西需要引江濟淮供水較少甚至無需供水，因而不需要予以考慮。經(jīng)綜合考慮、分析，本次研究內(nèi)容僅對正常調(diào)水情況下的梯級泵站事故停泵的最大響應(yīng)時間（即初始水位均小于等于設(shè)計水位）進行研究。研究區(qū)域如圖1所示。

如圖1所示，西淝河站至闞疃南站段設(shè)取水口d1，該取水口位于原始河道和襯砌河道交點處（樁號30+281），取水流量設(shè)為上下游泵站的流量差5 m3/s，以確保渠段流量平衡;同理，西淝河北站至朱集站設(shè)取水口d2，該取水口位于西淝河北站后茨淮新河口（樁號74+000），設(shè)計流量為25 m3/s;朱集站至龍德站設(shè)取水口d3，該取水口位于界洪新河口（樁號141+215），設(shè)計流量為10 m3/s。

各級泵站特征水位和渠道的具體參數(shù)分別如表1～2所列。

2 一維水力學(xué)仿真模型

本文研究的模擬范圍為西淝河線全程185.5 km，共設(shè)置有314個斷面，平均斷面間隔為600 m。上游邊界為淮河，可視其為常水位，故設(shè)置為定水位邊界（h（t）=C），將下游省界處設(shè)置為定流量邊界（Q（t）=C）。

3 工況及模擬結(jié)果

3.1 泵站間滯后響應(yīng)時間計算

影響滯后響應(yīng)時間的因素包含渠道運行方式、渠道長、流量變化量等[18]。在渠長相同的前提下，控制流量變化量，研究不同渠道運行水位下的滯后響應(yīng)時間。

模擬初始時刻各樞紐、分水口門都按照設(shè)計流量運行。通過改變某一樞紐的流量，讓流量發(fā)生小幅變化來分析流量變化后的水力響應(yīng)特性。選取的流量變化情況為樞紐的流量在0時刻增加10%的設(shè)計流量。

同時，通過改變計算開始時刻樞紐的進、出口水位的初始值，得到不同水位下的水面線情況。以此可分析在不同水面線下的水力響應(yīng)特性。

由于各泵站出、入水口的水位區(qū)間不等，工況設(shè)置也不盡相同，根據(jù)各渠段上下游泵站的正常運行水位區(qū)間，基于以下原則確定工況：工況1為泵站運行最低水位+0.2 m;工況2為設(shè)計水位與最低運行水位的中值;工況3為設(shè)計水位;另外，根據(jù)試算結(jié)果設(shè)置工況4，工況4為最高運行水位（模擬事故停泵后區(qū)間水位即將超出上限水位時的工況）。

具體工況的設(shè)置和模擬結(jié)果分別如表3和表4所列。

3.2 事故停泵工況下最大調(diào)控可允許間隔的計算

事故停泵下的水力調(diào)控方案，是分析在泵站應(yīng)急突然掉電情況下，泵站的流量瞬間變?yōu)榱愫蟊谜厩?、后渠池中水位的突變情況，并以此來制定樞紐的調(diào)控方案。

江水北送段泵站有西淝河站、闞疃南站、西淝河北站、朱集站和龍德站。因此需要對以上幾個泵站工況的突發(fā)停泵情況進行分析。分析段為西淝河站—闞疃南站—西淝河北站—朱集站—龍德站，分別按照表3中工況1～3的設(shè)置初始水位進行分析。

3.3 方案驗證

根據(jù)表6設(shè)計6個最不利的工況：分別在工況1、工況2和工況3的初始水位下，第一級泵站西淝河站停機，經(jīng)過最大響應(yīng)時間后，相鄰泵站依次停機，直至全線停機，共計3個工況;以及在工況1、工況2和工況3的初始水位下，最后一級泵站龍德站停機，經(jīng)過最大響應(yīng)時間后，相鄰泵站依次停機，直至全線停機，共計3個工況。主要是研究在最不利工況下渠道水位是否超出各泵站進出水口安全運行水位區(qū)間。

以工況1的初始水位下西淝河站至龍德站依次停機工況為例（停泵時間依次為：0，5.78，9.33，9.85 h和9.85 h），模擬結(jié)果表明，在最不利工況下，闞疃南站前站和后站、西淝河北站后3處水位都將在到達下限水位（時間分別為5.78，10.58 h和11.8 h）后的1 min內(nèi)回升至安全范圍內(nèi);朱集站后水位即使在朱集站和龍德站同時停機的情況下，仍在10.92 h時下降至下限水位以下且不會回升;其余各關(guān)鍵節(jié)點水位均在安全運行水位區(qū)間內(nèi)。

以上結(jié)果證明：在最大響應(yīng)時間之內(nèi)關(guān)閉相鄰泵站，能防止水位超出安全運行區(qū)間;通過滯后響應(yīng)時間和最大可允許調(diào)控間隔推求最大響應(yīng)時間的方法是合理的。

3.4 結(jié)果分析

由上述分析可以看出：西淝河站-闞疃南站、西淝河北站-朱集站段的響應(yīng)時間受初始水位的影響較大，前者在不同工況下的響應(yīng)時間最大差距可達18.00 h，后者在不同工況下的響應(yīng)時間最大差距可達24.00 h;而闞疃南站-西淝河北站段河渠受初始水位影響較小，響應(yīng)時間始終在4.00～8.00 h左右的區(qū)間內(nèi);值得注意的是，朱集站-龍德站段由于朱集站出水口和龍德站入水口的正常運行水位區(qū)間較?。ǚ謩e為0.65 m和0.80 m），加上該站段大部分為較狹窄的人工渠道，槽蓄量較小，一旦上下游某個泵站停機，另一個泵站需立即響應(yīng)，但即使如此，也不能保證水位不超出正常的運行區(qū)間。此外，西淝河北站-朱集站段由于是逆坡輸水，朱集站停機后西淝河北站仍能運行很長時間，反之則不然，表現(xiàn)為正向和反向的響應(yīng)時間差較大（約18.00～59.00 h）。

此外，根據(jù)方案驗證的模擬結(jié)果，由于西淝河站～闞疃南站、西淝河北站-朱集站和朱集站-龍德站段均存在分水口，因此停泵后這3個區(qū)間的水位將持續(xù)下降。由于西淝河站-闞疃南站區(qū)間d1=5 m3/s，水位受分水口影響較小，在西淝河站和闞疃南站停泵后3 d之內(nèi)水位仍保持在17.53 m以上，處于安全范圍。由于西淝河北站-朱集站段d2=25 m3/s，水位受分水口影響較大，在西淝河北站和朱集站停機后5.15 h（工況1西淝河站至龍德站依次按最大響應(yīng)時間停機）時，西淝河北站站后水位將下降至下限水位23.87 m。由于朱集站-龍德站段水位區(qū)間較小，可調(diào)控蓄量也較?。ㄏ孪藓蜕舷匏坏男盍坎畈蛔?00 萬m3），在朱集站和龍德站停機后1.08 h時，朱集站后水位將下降至下限水位27.35 m。因此，西淝河北站-朱集站和朱集站-龍德站區(qū)間分水口在上下游泵站停機后也應(yīng)立即降低分水流量，否則區(qū)間水位將會超出安全運行區(qū)間。

4 結(jié) 論

本文選取了引江濟淮工程江水北送段西淝河線的五級串聯(lián)梯級泵站作為研究對象，利用非恒定流數(shù)值模型來模擬單機泵站事故停機工況，并分析了水位隨時間變化過程、突破上下限水位的時間等參數(shù)，得出以下結(jié)論。

（1） 當(dāng)區(qū)間在高水位運行時，各級泵站需要更關(guān)注其下一級泵站的運行狀況;區(qū)間在低水位運行時，各級泵站則需要更關(guān)注上一級泵站的運行狀況。

（2） 朱集站和龍德站在另一泵站事故停泵時應(yīng)立即響應(yīng)，或是共同調(diào)整機組流量，適當(dāng)延長流量變化的時間，以防區(qū)間水位急劇變化，在高水位運行時也能減少壅水。

（3） 朱集站需要及時關(guān)注西淝河北站的運行狀況，尤其是低水位運行時更需要及時作出響應(yīng);與此相反，西淝河北站對朱集站流量變化的響應(yīng)時間很長，有充足的時間調(diào)整。

（4） 西淝河北站-朱集站和朱集站-龍德站段在渠段上下游泵站均停機后，區(qū)間分水口門也應(yīng)盡快降低分水流量直至0 m3/s，否則水位將持續(xù)下降直至低于下限水位，泵站恢復(fù)運行后將處于安全運行區(qū)間以外，存在風(fēng)險。

以上結(jié)論不僅適用于事故停泵工況，也適用于正常輸水時各泵站的機組流量切換工況。

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（編輯：趙秋云）