调水系统突发断电情况下应急处置方案研究

张 泽 玉，王 金 山，李 念 平

(1.山东省调水工程运行维护中心，山东 济南 250100； 2.山东省水利勘测设计院有限公司，山东 济南 250013)

0 引 言

调水系统在运行中发生系统断电或某级泵站断电是泵站系统运行中常见的突发不利情况之一[1]。此时如不采取适当的运行控制方式，明渠段易出现水位骤升、骤降、甚至漫顶溢流的情况，造成渠道破坏[2-3]。管道段产生激烈振动和水锤现象，严重时会造成压力管道开裂，另外水倒流也会对水泵机组造成损伤。

山东省胶东调水工程沿程共设置7级泵站进行提水或加压，输水线路由明渠、泵站、暗渠、水闸等多种水工单元构成。其中前3级泵站以明流输水为主，后4级以管道输水为主[4]。工程具有距离长、扬程高、管道段地形多起伏、泵站机组调节能力不强等特点，运行条件十分复杂。为确保调水系统的工程安全、运行安全及周边环境安全，有必要对运行中可能出现的突发断电情况进行研究，提出可行的运行控制策略，制定相应的泵站及沿程闸站的关闭方案，以消除或减弱突发断电情况对系统输水造成的不利影响。

针对输水系统突发事故情况的运行控制，国内学者曾开展了大量相关研究。如杨开林等对调水工程的水力控制理论及明渠非恒定流解析模型进行了研究[5-8]；树锦等针对输水渠道突发水质污染、渠道及交叉建筑物结构破坏等情况，采用Preissmann隐格式差分法[9]进行计算分析，制定了事故段闸门的控制规则[10]；章晋雄以渠道系统模型为基础，建立南水北调中线渠道的一维非恒定流仿真开发平台，并对工程调度运行提出了建议[11]；穆祥鹏等[12-13]针对复杂输水工程的水力控制及事故情况下的水力过渡过程进行了研究。随着数字三维虚拟现实仿真技术的发展和普及，杨开林[14]、胡孟等[15]、郭新蕾等[16]、崔巍等[17-18]、郭永鑫等[19]、周龙才[20]等研究了输水工程水力控制过程的数值模拟与虚拟现实的三维仿真技术。

本文以山东省胶东调水工程典型渠段(辛庄泵站～黄水河泵站)为例，搭建一维非恒定渐变流数学模型，对全系统突发断电、上级泵站突发断电、下级泵站突发断电3种情况进行模拟分析，在保证输水安全的目标下，分析对应的应急处置方案，确定上、下级泵站停机及沿程节制闸关闸最优方案。

1 数学模型

1.1 基本方程

对于明渠段工程，基于一维非恒定流圣维南方程组[1，3-4](Saint-Venant)建立数学模型。

连续性方程：

(1)

运动方程：

(2)

式中：t为时间；x为沿程距离；g为重力加速度；A为过流断面的面积；R为水力半径；Q为过流断面的流量；z为水位；n为渠道糙率；v为过流断面平均速度；q为单位长度上的侧入流量；vqx为侧入流在x方向的初速度。

1.2 边界条件

对输水渠道几何形状不连续或水力特性不连续点进行边界条件设置，主要包括分水口边界、倒虹吸边界、泵站进出水池边界等，水流经过这些建筑物时流态会变的非常复杂，因此必须根据其水力特性做特殊的处理，通常包含两个相容条件：①流量连续性条件；②能量守恒条件[3]。

1.3 模型求解

为避免调水过程中流量误差随计算时间增加而累积导致的系统不平衡现象，本次研究采用显式蛙跳格式对明渠渐变流进行数值求解。差分格式如下所述。

1.3.1运动方程的差分格式

(3)

式中：Z0，i+1为i+1断面的渠底高程；2Δx为i+1断面与i-1断面之间的距离差值；2Δt为i断面处n+1与n-1时刻之间的时间差值。

1.3.2连续性方程的差分格式

(4)

1.3.3整体计算流程

(1) 水深和流速分别在每间隔Δx的断面上计算，在一个断面上只求其中之一，并相互错开。

图1 计算程序流程Fig.1 Flow chart of calculation program

图1中，J为时段编号，Jend为最终时段，M为渠段编号，ME为最后一个渠段编号，MES为ME-1。

(3) 计算稳定性条件。显式蛙跳格式求解的稳定性条件为

(5)

式中，vmax为最大断面流速，m/s；hmax为最大断面水深，m。

2 泵站突发断电情况应急处置研究

本次研究以辛庄泵站～黄水河泵站间渠段为例，对全系统突发断电、上级泵站突发断电、下级泵站突发断电3种情况制定不同的应急处置方案，并根据建立的非恒定流仿真模型对方案的处置效果进行了仿真模拟，最后确定最优的应急处置方案。

2.1 研究区概况

山东省胶东调水工程是远距离、跨流域、跨区域大型水资源调配工程，是实现山东水资源优化配置的重大战略性、基础性、保障性民生工程，是南水北调东线山东“T”字形调水大动脉的骨干工程，工程示意图见图2。工程建有灰埠、东宋、辛庄、黄水河、温石汤、高疃、星石泊7级泵站，其中宋庄分水闸～黄水河泵站段输水明渠设计流量为22.0～12.6 m3/s，校核流量为29.0～16.4 m3/s。

图2 山东省胶东调水工程示意Fig.2 Schematic diagram of Jiaodong water diversion project in Shandong Province

辛庄泵站(桩号116+730)设计流量为17.0 m3/s，校核流量为22.1 m3/s，泵站最高净扬程Hst.max=33.30 m，设计净扬程Hst.d=32.01 m，最低净扬程Hst.min=31.66 m；黄水河泵站(桩号159+816.5)设计流量为12.6 m3/s，泵站最高净扬程Hst.max=67.19 m，设计净扬程Hst.d=64.39 m，最低净扬程Hst.min=63.39 m。

辛庄泵站～黄水河泵站段沿程共5座渡槽，有关设计指标见表1。

表1 辛庄～黄水河段沿程渡槽设计指标

2.2 全系统突发断电应急处置

输水系统在设计工况运行时，其输水流量最大，相应的水位较高，该工况稳定运行时全系统断电是系统出现的最不利情况之一。对设计和运行管理而言，需要确定全系统断电后沿程是否会出现漫顶或溢流，并制定相应的工程措施或运行控制措施。

2.2.1初始条件设置

以辛庄泵站抽送流量17.0 m3/s，黄水河泵站抽送流量12.6 m3/s，沿程分流3.768 m3/s，渗漏流量0.632 m3/s 的稳定运行状态作为输水道内的水位和流量初始条件，突发断电情况下设定上、下级泵站的总流量在15 s内线性变化到0。

2.2.2应急处置方案

根据实际运行情况，设置沿程不关闸、节制闸紧急关闸、节制闸延缓关闸等4种应急控制方案。

(1) 沿程不关闸。为保证系统安全，考虑分水口处分流流量仍为设计分流流量，以降低输水道内水位，此时辛庄泵站～黄水河泵站渠段中不同位置最高、最低水位线及典型时刻流量线如图3所示，断电约3.0 h后下游出现漫顶现象。图3中H表示某一断面的水面高程，Q表示某一断面的流量，下同。

图3 沿程不关闸情况下辛庄泵站～黄水河泵站典型时刻沿程水位及流量Fig.3 Flow and water level along the route from Xinzhuang Pumping Station to Huangshuihe Pumping Station at typical times without closing any gates

(2) 节制闸紧急关闸。各节制闸在全系统断电5 min后开始关闭，关闭用时1 min。各分水口处分流仍为设计分流流量，模拟结果如图4所示，可以看出因关闸过早过快，在局部渠段(淘金河渡槽)发生漫顶现象。

图4 节制闸紧急关闸下辛庄泵站～黄水河泵站典型时刻沿程水位及流量Fig.4 Flow and water level along the route from Xinzhuang Pumping Station to Huangshuihe Pumping Station at typical times with control gate emergency closing

(3) 节制闸延缓关闸A。各节制闸在全系统断电10 min后开始关闭，关闭用时10 min。各分水口处分流仍为设计分流流量，模拟结果如图5所示，输水道内无漫顶现象，闸前涌浪也较低，表明该方案可行。

图5 节制闸在系统断电10 min后关闸辛庄泵站～黄水河泵站典型时刻沿程水位及流量Fig.5 Flow and water level along the route from Xinzhuang Pumping Station to Huangshuihe Pumping Station at typical times with control gate closed in 10 minutes after power off

(4) 节制闸延缓关闸B。各节制闸在全系统断电0.5 h后开始关闭，关闭用时10 min。各分水口处仍以设计分流流量分流，模拟结果如图6所示，输水道内无漫顶现象，闸前涌浪也较低，表明该方案也可行。

图6 节制闸在系统断电半小时后关闸辛庄泵站～黄水河泵站典型时刻沿程水位及流量Fig.6 Flow and water level along the route from Xinzhuang Pumping Station to Huangshuihe Pumping Station at typical times with control gate closed in 30 minutes after power off

2.2.3处置方案模拟成果分析

对4种情况进行模拟仿真，并对此过程中的水位、流量进行分析，以下游渠道不出现漫顶、渠道中排水时间短、系统安全等为目标，确定最优应急控制方案。

由图3～6可知：全系统断电后若不采取关闸措施，在断电后3 h渠段下游会出现漫顶现象，因此必须采取沿程节制闸关闸蓄水以降低下游水位。仿真模拟确定的最佳应急控制方案为：全系统断电后，各分水口继续分水，各节制闸在10～30 min后开始关闭，关闭用时10 min。

2.3 下级泵站黄水河泵站突发断电应急处置

由于渠段的调蓄容积是一定的，当下级泵站停电时，如上级泵站不及时响应，则输水渠道内将会出现溢流的现象，造成水量损失及突发安全事故。因此，下级泵站断电停机后，上级泵站必须按一定的方案停机，并及时关闭沿程的节制闸，最大限度地保留输水渠道内水量。

2.3.1初始条件设置

初始条件与2.2.1节相同，计算开始后，下游黄水河泵站总流量在15 s内线性变化到0。

2.3.2应急处置方案

(1) 方案1。上级辛庄泵站在下级黄水河泵站断电5 min后开始逐台正常停机，各机组停机间隔为5 min，停机时单泵流量在15 s内线性变化到0。各节制闸在黄水河泵站断电10 min后开始关闭，关闭用时10 min，分水口以设计流量分流。由于节制闸关闸时辛庄泵站停泵机组少，泵站流量还较大，在淘金河渡槽内发生了漫顶现象。

(2) 方案2。上级辛庄泵站在下级黄水河泵站断电5 min后开始逐台正常停机，各机组停机间隔为5 min，停机时单泵流量在15 s内线性变化到0。各节制闸在黄水河泵站断电20 min后开始关闭，关闭用时10 min，分水口以设计流量分流。输水道内无漫顶现象，闸前涌浪也较低，表明该方案可行。

(3) 方案3。上级辛庄泵站在下级黄水河泵站停泵10 min后开始逐台正常停机，各机组停机间隔为10 min，停机时单泵流量在15 s内线性变化到0。各节制闸在黄水河泵站断电30 min后开始关闭，关闭用时10 min，分水口仍以设计流量分流。由于关闸时上游辛庄泵站停泵机组少，泵站流量还较大，故在淘金河渡槽内发生了漫顶现象。

(4) 方案4。上级辛庄泵站在下级黄水河泵站停泵10 min后开始逐台正常停机，各机组停机间隔为10 min，停机时单泵流量在15 s内线性变化到0。各节制闸在黄水河泵站断电40 min后开始关闭，关闭用时10 min，分水口仍以设计流量分流。输水道内无漫顶现象，闸前涌浪也较低，表明该方案可行。

2.3.3处置方案模拟成果分析

对4种情况进行模拟仿真(见图7)，并对全过程的水位、流量进行分析，以渠道不出现漫顶、渠道中排水时间短、最大限度地保留输水渠道内水量、系统安全等为目标，确定最优应急控制方案。

图7 黄水河泵站断电后辛庄站～黄水河站沿程水面线Fig.7 Water level along the route from Xinzhuang Pumping Station to Huangshuihe Pumping Station after power off in Huangshuihe Pumping Station

由图7可知：辛庄泵站～黄水河泵站段明渠正常运行时上游水位较高，发生断电情况时在上级泵站流量没有减小到一定程度之前，上游不能关闸，以防在局部渠段(尤其是淘金河渡槽)发生漫顶现象；但若关闸太迟，渠道中的水会流向下游，导致下游渠段出现过高水位。因此，对上级站停泵时间、沿程关阀时间，以及是否关闭分水口等需要综合考虑后决策。经过模拟：发生突发断电时，上级泵站应尽早停机，停机反应时间取5～10 min，逐台停机时间间隔取5～10 min。为减少流量浪费，上游渠段可在停泵同时紧急关闭沿程各节制闸，并以向泄水口泄水为后备保护方案。

2.4 上级泵站辛庄泵站突发断电应急处置

对明渠流输水系统上级泵站断电后，沿程不放闸，下级泵站继续运行，按一定的停机水位正常停机情况进行非恒定流仿真，以确定上级泵站断电后下级泵站停机过程。

2.4.1初始条件设置

系统以稳定状态运行，设置突发断电情况，其中黄水河泵站以2，3，4，5，6，7，8，9号机组稳态运行，辛庄泵站流量在15 s内由17.0 m3/s变为0。

2.4.2黄水河泵站停机过程

设黄水河泵站按照其进水池水位进行开停机，停机过程为：6号机组在辛庄泵站断电后T=10.66 h时停机，5号机组在T=10.84 h时停机，9号机组在T=11.05 h时停机，2号机组在T=11.36 h时停机，8号机组在T=11.89 h时停机，3号机组在T=13.13 h时停机，7号机组在T=15.45 h时停机，4号机组在T=21.22 h时停机。机组流量过程如图8所示。

图8 黄水河泵站机组流量过程Fig.8 Flow process of different units in Huangshuihe Pumping Station

2.4.3明渠段典型时刻沿程水位

图9为辛庄泵站至黄水河泵站明渠段仿真模拟的典型时刻水位线。各线时间间隔为0.5 h，由于没有采取沿程关闸，最终上游部分明渠段见底。

图9 辛庄泵站～黄水河泵站典型时刻沿程水位线Fig.9 Water level along the route from Xinzhuang Pumping Station to Huangshuihe Pumping Station

2.4.4沿程不同节点水位(水头)及流量

辛庄泵站突发断电情况下辛庄泵站至黄水河泵站明渠段沿程不同节点水位(水头)、流量过程线如图10所示，其中T表示不同时间，S=0节点表示该段输水道起始位置辛庄泵站，S=L/8节点表示该段输水道总长度的1/8断面位置，下同。由于沿程没有关闸，部分渠段见底，未见底部分最后稳定在同一水位。

图10 辛庄泵站～黄水河泵站不同节点处水位及流量过程线Fig.10 Water level and flow at different nodes from Xinzhuang Pumping Station to Huangshuihe Pumping Station

由图8～10可知：辛庄泵站突然断电后，黄水河泵站仍可继续运行较长时间，该泵站按设定的进水池水位正常停机时系统安全。从模拟结果可见，上级泵站突发断电停机后，各下级泵站均能正常运行一段时间，然后按设定的进水池水位正常停机。因此，突发停电泵站的下级各泵站都可按设定的进水池水位正常停机。

3 结 论

(1) 全系统突发断电时，为了减小涌浪，不出现漫顶，沿程各节制闸应及时关闭，但不能过快，一般以断电后10～30 min后关闭，关闭用时10 min为宜。

(2) 下级泵站突发断电时，其上级泵站应尽早停机，停机反应时间取5～10 min，逐台停机时间间隔取5～10 min。为减少流量浪费，上游渠段可在停泵同时紧急关闭沿程各节制闸，并以向泄水口泄水为后备保护方案。

(3) 上级泵站突发停电后，各下级泵站可以继续运行一段时间，然后按设定的进水池水位正常停机。