南水北调中线工程渠道输水调度研究

刘洪超，潘好磊，王瑞卿

（南水北调中线干线建设管理局河南分局，河南 郑州 450008）

南水北调中线工程是缓解京、津、豫、冀等地区水资源紧张，优化我国国土和水资源配置的战略性跨流域大型调水工程。担负着向北京、天津、郑州、石家庄等数十座城市供水任务。南水北调中线自2014年12月12日通水以来，实现了平稳运行，完成了输水任务，通过优化调度实现生态补水。

1 概况

南水北调中线干线全长1432 km，沿线设97个分水口，64个节制闸。64个节制闸把渠道分隔为相当于63个串联运行的小型水库，各渠池蓄量2×106m3～10×106m3之间。输水以明渠自流输水为主、局部采用管涵。沿线暂无调蓄水库，需利用自身调蓄能力，调度控制难度大。

国家水行政主管部门负责中线水量统一调度，下达年度水量调度计划。国家防汛抗旱总指挥部负责组织实施水量应急调度。长江水利委员会统筹丹江口水库来水预测、水库蓄水量和本流域水资源情况提出陶岔（中线干线入渠）年度可调水量。受水区各省（直辖市）水行政主管部门根据陶岔可调水量及本省用水情况，提出南水北调中线本省年度用水计划需求；当需水计划小于等于年度可调水量时按需水计划供水。当需水计划大于年度可调水量时，按照年度可调水量分配供水。各省(直辖市)按比例分水准则：以多年平均分水量为依据，各省市分水量执行“丰增枯减”。尽量使受水区各省(直辖市)的分水量不小于基本水量。丹江口水库南水北调中线陶岔渠首逐月优化输水调度，见图1。

总干渠渠首闸多年平均调水量为95.0亿m3（其中含河南省刁河灌区6.0亿m3），受水区各省（直辖市）多年平均分水量及比例，见表1。

图1 丹江口水库陶岔渠首逐月优化输水调度图

表1 受水区各省（直辖市）多年平均分水量表（渠首枢纽闸水量） 单位：亿m3

2 输水调度原理及要求

2.1 调度水位控制目标

2.1.1 闸前常水位控制

闸前常水位控制，是指每一渠段的下游端水深（水位）保持相对稳定。即维持节制闸前恒定流状态的某一水位不变（该水位一般为设计水位）。闸前常水位控制运行方式示意图，见图2。

图2 闸前常水位运行方式示意图

渠槽下游端水深（水位）保持相对稳定，流量变化时水面线将绕节制闸闸前常水位为支点转动。水位波动符合安全限幅每小时15 cm，或每天30 cm，并尽量减少闸门操作次数。

分水口通常位于渠段的下游端附近，使分水闸能按渠中最大的且稳定的水深设计，也避免因水位太低或水面波动给用户带来的配水问题。渠道的尺寸可以按最大输水流量设计，使渠道的尺寸和超高达到最小，从而降低了工程建设费用。

当来水量不足，或分水口加大分水量时，为了维持闸前水位恒定，闸门开度必须减小或全关，但会造成下游用户供水不足。

2.1.2 闸后常水位控制

闸后常水位控制，使每一渠段的上游端水深保持相对稳定。支枢点在闸后，也被称为“水平渠堤”运行方法，响应特性较好，但工程土方量大。闸后常水位控制运行方式示意图，见图3。

图3 闸后常水位控制运行示意图

2.1.3 等体积控制

等体积控制就是在任意时间内，每一渠段都保持稳定的蓄量。支枢点在渠池中间，能迅速改变整个渠系的水流状态，但支点下游需设水平渠堤。等体积控制运行方式示意图，见图4。

图4 等体积运行方式示意图

综合多因素比选后，南水北调中线工程渠道输水绝大部分渠段采用闸前常水位控制的输水调度模式。

2.2 节制闸运行方式

顺序操作。从上游至下游顺序操作闸门。首先改变渠首的入渠流量，然后依次向下游推进，流量变化到达的节制闸依次调节闸门。调度运行时需准确预测流量变化到达的位置，使供水满足上下游各分水口用水需求。例如，分水口开启后，为补偿分走的流量，上游各闸门均需开启，而下游渠池流量和水位不受影响，从而保证下游各个分水口正常分水。顺序操作示意图，见图5。

图5 顺序操作示意图

逆序操作。从下游至上游操作闸门。首先改变渠末的流量，然后依次向上游推进，流量变化到达的节制闸依次调节闸门。

同步操作。同时改变所有闸门的开度。能使一个渠槽在最短的时间内达到新的恒定流态。调度操作时必须检查水位的变动，确保其水位的增加进入超高区的持续时间要短。

南水北调中线工程节制闸的运行根据调控需求，综合运用顺序操作和同步操作两种方式。因南水北调渠线长，当需要做出小流量改变而不影响整个渠系时，可采用局部渠段同步操作的方式，即选择性的操作部分节制闸闸门，达到邻近渠道所要求的水位条件。

2.3 渠道输水调度要求

各渠段运行水位应满足渠段过流要求。正常运行时，运行水位不应高于加大水位，流量小于渠段设计流量，运行水位不宜高于设计水位。

各渠段最低运行水位应满足分水口取水要求、有压建筑物进口淹没深度要求、高地下水位段高水平压要求。

总干渠水位降幅一般不应大于0.3 m/d，也不应大于0.15 m/h。但对于渠道水位短时间上涨后水位下降、渠道衬砌排水条件良好等，经论证可适当放宽水位降幅限制的渠段，可按分析论证的水位降幅进行调度控制，且应急调度不受水位降幅限制。

总干渠水位涨幅一般不宜大于0.5 m/d，但总干渠低水位充水阶段、地质条件较好渠段等，经论证可适当放宽水位涨幅限制的渠段，可按分析论证的水位涨幅进行调度控制。

3 输水调度

3.1 输水调度管理

南水北调中线通水调度，实施“统一调度、集中控制、分级管理”的调度管理模式，根据通水运行组织机构设置方案，全线共设三级调度机构。

1）总调中心代表一级运行管理机构（以下简称：中线局），负责组织实施全线运行调度相关的工作；

2）分调中心代表二级运行管理机构（以下简称：分局），负责组织实施辖区内运行调度相关的工作；

3）沿线各管理处调度科代表三级运行管理机构（以下简称：管理处），负责实施辖区内运行调度相关的工作。

全线各级输水调度机构实行“5班2倒”工作制，调度场所24小时值班。调度工作按照《南水北调中线干线输水调度管理工作标准》（Q/NSBDZX G030-2015）执行。

3.2 调度自动化

南水北调中线建设了功能完备的调度管理系统、闸站监控系统和视频监控系统，实现了水位采集、闸门控制等自动化，通过自动化的流量、水位测量测控设备实现对全线流量的动态变化、分水水量的实时自动监控，为全线输水运行水量平衡计算提供技术支撑。

总干渠正常输水调度采取以集中监控为主，人工控制为辅的方式。调度指令由总调度中心根据实时监测信息拟定，或由自动化调度系统直接生成，通过远控实现现地闸站的自动化操作，如自动化远控不成功，可现地操作。

3.2.1 水情数据模块

水情数据管理模块中，总调、分调、管理处的功能包括：水情数据展示、调度数据分析、原始数据展示。见图6。

水情数据主要展示水情的整体情况，分为节制闸空间分布、时间分布和分水口空间分布、时间分布，查看和管理其管辖范围内的节制闸、分水口和退水闸的水情实时监测数据。

空间分布为用户提供查询某一具体时间点的节制闸或分水口、退水闸的水情数据；时间分布为用户提供查询某一时间段和相应采集频次的节制闸或分水口、退水闸水情数据，同时提供相应权限的数据审核的功能。

图6 调度系统的水情监控模块

3.2.2 调度数据分析

调度数据分析包括：全线调度辅助分析、全线水体统计分析、全线流速统计、全线水深统计。

各节制闸基本信息包括：闸门名称、目标水位、设计水位、当前水位、距目标水位、距设计水位、2 h涨幅、24 h涨幅、24 h闸前水位趋势；获得各节制闸24 h闸前水位趋势图。可以查询并统计起始时间与截止时间段内全线水体相关信息；支持实时水体数据添加、修改、删除等功能。

支持自定义查询统计时间，以列表形式展示全线节制闸名称、安装位置和24小时流速、闸前渠底高程、闸后渠底高程、设计水位、闸前水位、闸后水位、闸前渠道水深、闸后渠道水深、当前水位与设计水位差等信息，各分水口流速、流量及累计流量查询。

3.2.3 闸站监控系统

闸站监控系统中，总调、分调、管理处的功能包括：闸站信息、监控点列表、趋势图、调度指令、数据列表、预警管理等功能模块。见图7。

通过闸站监控系统，各级调度人员可掌握闸站闸门的开度、闸前闸后水深水位、过闸流量及流速，各类调度数据的动态趋势图、调度预警、水位预警、闸站各类设备的预警等功能。根据不同警情通知相关专业人员处理，处理完成后进行消警。

图7 南水北调中线干线闸站监控系统

4 结论

南水北调中线通过输水调度管理模式，实现水位采集、闸门控制等操作的自动化；通过自动化的流量、水位测量测控设备实现对全线流量动态变化、分水水量的实时自动监控，为全线输水运行水量平衡计算提供技术支撑。

1）南水北调中线发挥着巨大的社会、生态和经济效益，成为沿线城市的生命线。特别是利用丹江口水库汛期洪水和汛限水位腾空库容的时机，通过加强输水调度工作，利用先进的输水自动化调度系统，把多余的洪水通过沿线渠道及退水闸，实现对北方多条天然河道的生态补水8.65亿m3，为洪水资源化利用提供了技术支撑。

2）通过对南水北调中线输水调度的研究，揭示大断面长距离输水调度的工作原理和方法，为类似工程提供了参考。输水调度工作实践中对大流量输水工况下，水体的流态平稳、实测水位与设计水面线水位是否吻合以及渠道沿线调节水库的建设等问题有待进一步研究。