自流型渠道流态主动控制技术研究

赵天宇，吴同强，张翼鹏

（南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南250109）

南水北调东线山东段工程全长1 191 km，分为南北、东西两大输水干线，形成“T”字形输水大动脉，东西输水干线自东平湖渠首闸起，自西向东一路自流，干线长704 km，沿线新建节制闸及倒虹涵闸作为控制节点进行流态调控，设计流量50 m3/s，加大流量60 m3/s，形成梯级平稳流态，确保干渠沿线各受水单位的分水口引水安全，稳定可靠。自2013 年11 月15 日南水北调东线山东段工程正式通水以来，经济效益、社会效益、生态效益显著，对山东省社会经济的可持续发展具有重大的战略意义。

1 自流型渠道调度运行现状

1.1 现有调度计算方法

自流型渠道调度运行管理要求渠道内水位保持梯级平稳流态，以保障运行安全、降低运行成本为基本原则进行科学调度，在运行期尽量避免不必要的流量增减及大范围闸门调控。自正式通水以来，现场管理局及管理处根据所辖工程实际情况，逐渐摸索出三种较为实用的闸门开度计算方法，并在历年通水任务中进行反复调整和细化，但尚未完全形成一套具有统一理论和标准的调度控制技术，仍需要进一步研究和提升。

1.1.1 经验公式计算方法

济南局济东渠道管理处于“2013-2014 年度第二阶段供水任务”期间率先提出并使用“淹没出流经验公式”计算方法作为闸门调控测算依据，同步开展了与率定经验公式中变量值取值范围相配套的水情整理分析工作，根据研究数据率先提出了“唯一变量”经验公式概念，并形成了相关的论文成果。

2019 年，南水北调自动化调度运行管理系统项目中委托黄委设计院对南水北调东线山东段工程自流型渠道进行了“单闸模型”研究，根据工程特点明确了“唯一变量”经验公式的计算理论依据，并进一步简化了经验公式为：

1.1.2 比例分析测算方法

南水北调东线山东段工程在2020 年之前采取“三级调度、三级管理”调度运行模式，在实际调度运行值班工作中，受人力资源所限，各管理局及管理处普遍采取全员调水值班方式，专业人员与业余人员交替混杂着开展调水工作，存在诸多不便与隐患。这一模式在2020 年后优化为了“二级调度、三级管理”，将专业人员集中于二级调度的分调中心，以管理局所辖工程为单位集中调度管理，大幅提升了调度水平的专业性，进一步保障了工程调度运行安全可靠。

济南局济东渠道管理处研究编制了“济东渠道段工程闸门开度与水深流量关系对应细分表”（详见表1），该表研究制定了济东渠道管理处所辖工程在单一流态下各控制节点水情的对应关系，在日常调度运行值班工作中为非专业人员提供了保障性参考依据，切实提升和保障了调度运行安全。

表1 济东渠道段工程闸门开度与水深流量关系对应细分表

1.2 存在的主要问题及建议

1.2.1 唯一变量公式未测算μ 值单闸边界范围

“唯一变量”的单闸模型计算公式，目前尚处于通用阶段，计算误差较大，需要根据历史水情数据和单闸流量监测确定每座闸站变量μ 的取值范围，并进一步关联每座闸站μ 的变化联系，才能真正具备应用水平。建议组建专题研究课题组，对每座闸站变量μ 值的边界范围取值方法进行试验设计并实施，将现有通用公式进一步细化为“单闸唯一变量公式”。

1.2.2 比例分析测算仅适用于单一流态

比例分析测算方法在阶梯级平稳流态小流量微调时具有较高的便利优势，例如流量变化小于10 m3/s 时，仅对渠首闸进行测算达到预期调整后流量后，按增减变化开度与原开度的比例关系便可以粗算其他各闸门的调整幅度，进一步可以推算总结出各闸门在固定流态下的闸门开度与流量比例关系，最终形成如表1 一样的对应细分表。但是该方法具有很大局限性，闸门开度与水深流量关系对应细分表成立的前提是同一流态不变，若是出现短时间内反复小流量微调时，将会使流态误差倍增，最终无法套用原比例对应关系，只能通过短时间内部分水位超限增减强行恢复初始流态，或者待平稳后重新建立新比例关系的方式率定解决。

2 主动控制流态方式方法

2.1 主动控制流态的技术要素

2.1.1 理论计算

通过使用“淹没出流经验公式”或“唯一变量经验公式”粗算单座闸门在不同流量时闸门的上下限范围，由于粗算误差较大，为避免上下限范围过多重叠，可设计为每增加5 m3/s 的流量进行一次计算，计算结果将用于分析不同平稳流态时各闸门开度的边界范围取值。

2.1.2 流态分析

当自流型渠道渠首闸流量计至渠道末端流量计连续对应平稳3 d 以上，且期间没有任何闸门调整的情况下，可以将此期间内的流态视作为该流量下的一种平稳流态，并可以提取其进入流态数据集进行下一步优化筛选。

2.1.3 最优流态筛选

最优单一流态主要根据设计流量、设计水深以及历年平均流量三项参数进行筛选，在设计流量以内提取平稳流态时，要同时优先选择瞬时流量与历年平均流量基本相同，以及各闸闸前水深均处在设计水深时的水情资料。由这种流态下分析统计出来的各闸站闸门开度与流量对应关系，在日常微调中最为稳定。

2.2 流态设计

通过满足主动控制流态技术要素筛选而出的最优流态，局部渠段也可能存在不科学、不经济等问题，特别是沿线分布有分水口的渠段，存在分水与不分水两个状态的局部最优流态。此时将通过流态设计将整体最优流态下的局部进行二次设计优化，形成以整体最优流态为基础的不同局部最优流态方案，根据实际分水情况选择对应整体最优流态控制。

2.3 选定特殊调蓄控制节点方法

在自流型渠道供水运行过程中，受沿线分水口设备故障及临时停电检修等影响，会出现以小时或天为单位的短时间增减微调流量，一般这种小流量变化幅度在5 m3/s 左右。由于微调具有变化流量小，微调后间隔时间不长便需恢复变化前流量的特点，所以在分水口上游选定2～3 段渠段作为特殊调蓄控制节点，以不节制低水位运行控制，当有需要时再进行节制逐渐增加槽蓄量提高闸前水位，可以避免因小流量短时期微调造成的全线闸门开度调整。待分水口恢复流量后，特殊调蓄控制节点逐步恢复至不节制低水位运行状态，让多余水量以误差级别稳定缓慢消减，即可以最小的调度规模应对小流量短时期微调。

3 结 语

南水北调东线山东段工程正式通水以来，历经7 个调水年度，已积累大量珍贵的水情数据。通过流态设计和主动控制自流型渠道流态，可以更加科学、精准、节省的进行闸门调整，对南水北调自流型渠道调度运行规范化、标准化、精细化具有重要意义。