远距离调水工程的调度运行探究

刘 伟

(山东省胶东调水工程胶州管理处，山东 胶州 266300)

远距离调水工程的调度运行探究

刘 伟

(山东省胶东调水工程胶州管理处，山东 胶州 266300)

本文细致分析了远距离调水调度运行过程中水位波动，并给出了相关水容量表，阐述了冰期输水主要注意事项，自动化控制水位的模拟输水的方便性、经济性、安全性。还介绍了闸门和泵站的自动控制的三种方法：上游定水深控制、等容积控制、控制容积法，给读者一些调度工作的借鉴。

远距离;调水工程;调度;探究

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.008

世界上有很多成功的调水工程案例，为人们带来了许多益处。然而调水工程庞大复杂，尤其是远距离的调水工程，其安全性、科学性、合理性均会对生态环境有较大影响，不合理的运行会为人民带来财产损失，甚至会影响生命安全。本文以引黄济青工程为例，在调度运行方面进行一些初步的探讨。

1 运行原则

1.1 安全性

远距离调水涉及多个环节，每一个环节都会对工程的安全性造成影响，例如水质受到污染、渠道被损坏、出现漫堤等现象，这些都会给调度工作带来安全隐患。因此，调度中心与各级执行部门要按照统一指令，协调调度，禁止各级各部门各自为政，不按指令执行工作;为使渠道稳定，操作员应根据上级调度中心下达的有关指令严肃认真执行，不得懈怠，不得私自调节闸门和开停机。

1.2 经济性

远距离调水工程耗资巨大，因此，整个提水系统应选择最优方案，选择资金耗费低且合理的调度方案。当系统处于最优运行环境，对每一个泵站来讲，也许不是最经济的，从而会降低方案的经济性效益。但调度应着眼全局，从系统出发，局部服从整体的原则;科学合理控制弃水;控制开停机的次数，延长泵站机组寿命。

1.3 自动化调度

利用计算机操作运行，实现泵站和闸站的自动化调度工作，能有效减少机组和设备的损伤，使控制更加精准，节约费用。

2 调度运行探究

现将国内部分著名的调水工程列举如表1。

表1 国内著名的跨流域调水工程

2.1 参数的测定

在输水环节，对渠系的实际值进行记录，掌握和设计参数存在的差距。这些参数有输水糙率参数、过流系数数据、渠道渗漏量、泵站的特性曲线和过流量等。

2.2 水位波动的限制

水位波动情况会带来安全问题，因此，需严格限制和管控。渠道经过混凝土或土质的衬砌，水质流经这些渠道，会造成过快的水位下降，从而导致渠坝的滑坡，受水的压力造成防渗薄膜的损坏。因此，应根据渠道自身各部分的情况进行水量承受能力的测算，根据美国的有关研究结果表明，≤0.15m/h的水位降速，连续2h内≤0.30m，全天≤0.45m的降速，最适合于土渠与薄膜衬砌渠，而其它填方渠道以及排水效果较优的渠段，水位降速可适当大些。对于分水口渠道，应限制水位的升速，以免造成巨大的流量冲击。不同运行调度控制方式下，各渠段水位调度区间的最大水位差比较表，如表2所示。

表2 各渠段水位调度区间的最大水位差比较表

2.3 自动控制研究

1.教学计划的调整是培养学生的蓝图，是教学工作的总体要求，制定好的计划是确保教学质量的中心环节。开课前，要求专业课老师制定出课程计划，在充分了解学生的基本情况下，实事求是地对课程计划作相应的调整，使课程设置体现出针对性和适应性。对“从事教师行业”的师范生在专业课上要重点培养，对“从事其他行业”的师范生可适当降低要求，做到重点突出，层析分明；为适应将来工作需要，注意强化手段，拓宽专业面，学习主体的横向内容广泛，把横向的综合知识和纵向的点面知识组合起来。

运用监测的相关水流量数据，在控制算法下达到对闸门和泵站的自动控制。通常用到的方法有下游、上游定水深控制，等容量、控制容量法和流量(Q)控制等方法。下游定水深控制即在渠道下游支枢点对水位进行恒定(如图1)。它对多数的渠道均是适用的，特别被应用于中小渠道，其优点是水流量按照最大来衡量，这样水位深度就不会比预设的流量更深，而棱柱体的渠道尺寸是最小的，以便减省建设费。缺点是不能对下游渠道的用水情况进行反应，体现出较差的渠道调节能力。这种控制法最适合用于供水型渠道，能高效体现出其经济效益性。

图1 下游定水深控制

上游定水深控制(如图2)，这和前一种控制方法的支枢点相反，它将支枢点设计在渠道上游，功能也就是控制上游渠道的水深。优点:利用渠道的水位的蓄量情况进行下游蓄水情况进行调整，随时满足水量需求。缺点是由于允许零水流量，为了测量水面线，因此，渠道岸被要求保持水平的，从而加大了渠岸的建设费。

图2 下游定水深控制

等容积控制(如图3)和前面两种控制方式一样，和支枢点的位置有关，这里是将支枢点设计在渠道的中点，顾名思义，即是在中点对水位进行恒定的控制方法。中点水位的取得是通过测量上游和下游的水位，然后将两水位线性化。相比前面两种方法，此方法针对小于中点的渠案建成水平，费用介于前两种方法，反应需水状况迅速，常用lBvAL算法。

图3 等容积控制

控制容积法是将少量的一个或者几个渠段进行蓄水量控制，从而掌控全部渠道。现阶段，我国的大型工程试验中较成功，是一种新控法。优点是可同时对多个闸门进行操控，使水位很快就恢复到预期的目标值，在模拟实验中，其恢复的速度高于其他控制法10倍以上;操控灵活，对正常预期和非预期的情况下均能实现快速控制，对水位的降幅也有了限制;控制方案有可选择的余地，将渠道槽蓄的调节功能充分运用起来，能对高峰期的抽水进行调节，从而降低了成本。缺点是需要对工程建立全线监控。

2.4 冰期输水分析

冰期输水主要是针对北方明渠。在冰冻期，北方的明渠一般要通过冰层下层进行输水，这减小了过水断面和输水量。受冰冻影响，对闸门操控有特殊的操作技巧和要求，若不能正确操作，将会引起冰层破裂，造成冰冻堵塞，或者形成冰坝，漫堤等，损坏建筑设施事故。对冰期输水进行可行性方案研究，调度运行原则总结如下。

(1)统一调度。根据我国当前成功运行的工程经验总结，在冬季，进行高水位、满负荷的调度运作，不能任意开机，否则将造成渠道下游水流量的暴增，引起漫堤，或者会撑破冰盖，当散落的冰块流动，就会形成冰塞，而泵站的上游水位非正常快速下降，也会造成踏冰现象，将严重破坏泵站渠道。也不能突然停机，否则会带来相同的破坏事故。

(3)严格控制闸门，将水位进行抬高，从而将冰盖下的过水面增大，避免冰盖不利于输水。

(4)切忌在低水位停水。

(5)禁止突然分水，否则会降低下游水位，破坏冰盖。

(6)忌骤增骤减水量，否则会在顷刻间将水位升降，造成渠道冰塞。

2.5 模拟输水过程

模拟输水过程是对已竣工的工程进行调度试运行的检验，以检测调水过程中存在的问题，一旦检测到问题将进行改进和调整。通常的方案一是直接测试，但耗费成本，二是物理模型试验，成本也很高，三是电子模拟方案稍微好些，但成本仍然较高，四是现代化的数字模拟方案，这是最经济最易操作的方案，成本较低。数字模拟通过计算机利用有限差分法实现的，能实现对正常和异常情况中运行的模拟，并且能够自动化的控制算法。假设沟渠如图4所示。

图4 仿真渠道示意图

其中主干渠的长度为17km，设有倒虹吸以及水泵站、闸门，北干渠的长度为21.5km，南干渠的长度为8.5km，渠道粗糙率为0.02，主干渠前8km为边坡，底部的宽度为12Km，底部的宽度为10.8m。可以将河流进行节点的划分，其中主干渠占据了1～47个节点，后续的21个节点为北干渠，而18个节点为南干渠。沟渠上的建筑物的分布如图5所示，主干渠中两个闸门的开度为0.8m和0.9m，南干渠中闸门的开度为0.9m，北干渠的闸门的开度为0.8m，如果在上述的情况下，水泵站中的3台机器出现停车故障，在这个过程发生之后将闸门的开度减小0.3m，然后对结点水流的变化进行了仿真的结果，如图6所示。

图5 第8节点处水位变化

图6 第19结点水位变化

2.5.1 正常输水情况下的研究

对于正常输水来讲，要求在输水期间输水应符合各项这几指标，输水状态要正常，水流量和速度应在规定的范围内，以免造成破坏。

2.5.2 紧急情况下的研究

在输水运行中，调度工作要对停电情况、设备出现意外的情况进行预备应对方案，并对有关损坏进行分析研究。当进行紧急关闸后，应对水位的波幅进行研究，观察其是否会超过初砌位置，而对于水位降速要求可取消限制。在水道水流量变化之后，紧急情况下水位和水流的仿真结果如图7和图8所示。

TV68

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1672-2469(2016)08-0021-03

2015-12-10

刘 伟(1982年—)，男，工程师。