浐灞河库坝联合调度系统论证分析和应用

董旭荣,付曼蓉

(陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001)

第十四届全国运动会已于2021年9月15日至27日在西安成功举办,开闭幕式展演了大型水幕光影秀《常来长安》,全运湖(即灞河1#液压坝)宽阔的水面作为展演舞台。

全运湖位于浐灞河交汇口下游,坝顶过水高度控制在8 cm～15 cm。全运会期间湖水的水质至关重要,组委会对湖水景观的要求是“水质优良水量充足”和“一河清水”,水质达到地表水Ⅲ类标准,争取达到Ⅱ类标准。

统计多年平均水资源量满足运行条件,九月中下旬可能存在洪水、干旱、事故溢流、水体浑浊等情况,分析后认为只有建设浐灞河库坝群联合调度系统才能达到组委会对水质水量的要求。搭建平台并接入水文、气象、水质、雨量、视频、等数据后,运行后基本实现了预测、预报、预演、预案即“四预”功能,全运会开幕式满足了景观水量要求[1-13],达到了30年来最佳水质,9月下旬连续降雨,平台很好地起到防洪调度作用。目前是国内调控库坝数量最多、调控水质水量最复杂的工程[14-16]。

1 基本情况

1.1 库坝群布置

浐河入灞、灞河入渭,浐灞河为西安市城中河。灞河流域位于西安东南部,全长104.1 km,流域面积2 581 km2,非汛期河水清澈见底,洪水时因挟带泥沙而浑浊,上游蓝田区建有李家河水库。浐河穿浐灞生态区入灞河,流域面积760 km2,全长66.4 km,洪水挟沙量较大,冬春季节较清澈,上游长安区建有汤峪等6座水库。浐河和灞河流域建有30多座梯级坝,库坝位置见图1。

图1 浐灞河流域库坝位置示意图

1.2 工程现状

1.2.1 水资源现状

浐河、灞河年均径流量分别为1.02亿m3、4.84亿m3。浐灞河流域降水量年际变化大,具有峰高量大、陡涨陡落的特点,汛期洪水携沙大;年径流量的55%左右集中于7月—10月,最大月径流量出现在9月、占年径流量18.1%,最小出现在2月、占年径流量1%。以灞河为例,年径流量变化大于8倍,变差系数Cv约0.47。

表1 灞河径流量年际变化统计表

浐河、灞河多年平均悬移质输沙量131.39万t、216.80万t,两河泥沙特征相似,河道来水年际变化大、水大沙多、水小沙少。输沙主要集中在7月—10月,占全年输沙量的84.43%,与径流变化一致。浐、灞河径流量比0.21,沙量比0.61,浐河含沙量更高更浑浊。

1.2.2 水工程现状

本次调度核心为全运湖,蓄水量200万m3,坝长403 m,沿河道长度4.56 km,1#坝原采用橡胶坝,本次改为液压坝,见图2、图3。改建后的液压坝沿河道宽度设60扇,液压坝高3 m,闸顶水位高370.5 m、闸前底槛高程367.75 m,有效调节高2.75 m。右岸设有两孔3 m×4.8 m调节闸用以泄洪,最大泄量40 m3/s。

图2 灞河1#坝剖面图

图3 灞河1#坝运行图

灞河上游建有水库1座,浐河上游建有水库6座。浐灞河流域建有30多座景观坝,为橡胶坝、液压坝及混凝土坝三种形式,形成景观水面,闸前有一定量沉沙。分析计算后确定3座水库、17座坝参与调控,经计算汤峪和岱峪水库扣减供水后可用水量约350万m3,李家河水库扣减城市供水后可用水量900万m3,坝群可用水量1 890万m3,见表2、表3。

表2 参与调节的水库信息统计表

表3 参与调控的坝群信息统计表

1.2.3 水环境现状

浐灞河流域共有多处水源地、6处湖泊及湿地公园、5座城市再生水厂及35处入河排水口。监测结果显示:全运湖水质为Ⅳ类,2020年实测水质达标率为45%,化学需氧量最大超标0.6倍、氨氮最大超标4.82倍。浐灞河流域常规监测断面位置图如图4所示,浐灞河水质时空变化图如图5所示。

图4 浐灞河流域常规监测断面位置图

图5 浐灞河水质时空变化图

要满足组委会关于化学需氧量、氨氮等指标外,同时还应聚焦于浊度。浊度是衡量水质良好程度的一个重要物理特征指标,水中含有泥土、粉砂、微细有机物、无机物、浮游生物等悬浮物和胶体物都可以使水质变浑浊,水质分析中规定:1 L水中含有1 mg SiO2所构成的浊度为一个标准浊度单位,简称1 NTU。浐灞河水体浊度升高的主要因素为水土流失,减轻浊度主要依靠自然沉降的方式。视觉对浊度并不敏感,从轻微含沙量增加到很高含沙量,直观感受都觉得水体混浊。

坝群立坝后形成多级沉淀池连续沉沙,沉淀过程中上清下浊,上部含沙量较低的清水过坝溢流向下一级,越往下游水越清。据观察,汛后河水由浊变清时长需5 d～7 d。

1.2.4 信息化现状

浐灞河流域有水文站3座(马渡王、常家湾、罗李村水文站)及部分雨量站,水质监测断面5处,水文信息可自动上报。坝群均不能自动控制,李家河实可自动控制,其余水库没有自控装置。

1.3 基础数据

水文:水文站的流量、水位数据可适时上传至市水务局,上传共享。

气象:流域范围卫星云图数据上传到市气象局,上传共享。

视频:河道沿线110处、自建5处视频数据,上传共享。

水质:流域内再生水厂、排污口、水质监测数据,人工上报。

雨量:李家河水库45个雨量站数据,上传共享。

其余数据人工上报。

2 需求分析及策略

2.1 需求分析

根据景观要求全运湖钢坝顶溢水高度8 cm～15 cm,对应流量18 m3/s～40 m3/s。

据水文资料分析,9月平均降水概率38%,中、下旬降水量分别为52.6 mm、18.6 mm。九月逐日流量为1 m3/s～500 m3/s,平均天然径流31.5 m3/s,大于全运湖运行最低流量18 m3/s。虽径流分配不均,水资源量具备全运湖运行基本条件。建设联调联控系统,做好上游库坝群水资源管理与调配,解决水多、水少、水混及水脏等问题。结合水景观和防洪要求,调度内容如下:

(1)洪水调度:(Q≥100 m3/s概率10.67%);

(2)滞水调度:(40 m3/s

(3)蓄水调度:(18 m3/s

(4)补水调度:(1 m3/s

(5)水质调度;

(6)拦沙调度;

(7)拦污调度;

(8)应急调度。

其中第(6)、(7)、(8)为水质调度,其余为水量调度。

2.2 调控策略和构架

2.2.1 调控策略

库坝群调控按照防洪安全、及时预警、实时调控三原则。调控策略为:

(1) 执行浐灞河流域防洪预案。

(2) 除保障坝外,其余以水质保障为主,特别是浐河坝群。

(3) 遇到极枯工况,及时启动库坝群对保障坝补水。

(4) 研判水雨情测报,全运会前至少一周、最好两周立坝充水。

2.2.2 调度构架

全运期间水景观保障可分为三个阶段,即开幕式、中间期、闭幕式。开闭幕当日保障流量取40 m3/s、时长约18 h,日需水量259.2万m3;中间期流量18 m3/s、时长6 h/d,40 m3/s、时长6 h/d,日需水量155.52 m3。依据库坝空间位置,坝群类型、可用调控水量及控制方式等,构建浐灞河调度模型,灞河A坝为基本保障坝、B坝为间接保障坝,10#、16#坝为调控坝。调度拓扑关系如图6。

图6 浐灞河库坝群调度拓扑关系

2.2.3 水量调度模型

(1) 产汇流连续演算模型

选择改进的 SCS 模型建立产汇流方案[1],根据每个DEM 网格得到子区间CN 值,引入区域调整系数提高模拟精度,坡面汇流和河道汇流采用滞后演算法再分别进行参数率定,根据水雨情资料采用自适应随机搜索算法率定参数,直到与流域内有三个水文站实测流量基本吻合。支流来水按照河道汇流演算,子区间产流按照坡面汇流演算,叠加支流和区间产汇流得到河流汇流结果;橡胶坝或液压坝根据闸门立坝、 塌坝状态计算得到出流过程。以此计算出产汇流、汇流节点、河道水流演进、控制坝出流全过程,并进行率定和验证,利用遍历算法、 自下到上反推控制坝调度方式。

(2) 水量调度算法

运行期三阶段水量分配和时长构成了独立又关联耦合系统,在粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO) 基础上[2],采用并行性协同粒子群优化算法 (Coordinated Particle Swarm Optimization,CPSO)[3],求解三阶段子系统各自目标函数,耦合得到系统最优解,最终确定水景观调控方式[4]。水景观流量计算如下:

(1)

联合调度模型需满足水景观与库坝群的动态平衡,考虑直接和间接控制坝、上游库坝、立坝状态、库容等因素,具体影响如下:

1) 水景观流量

(2)

2) 直接控制坝灞河A坝水量平衡

(3)

3) 间接控制坝灞河B坝水量平衡

(4)

4) 上游库坝群水量平衡

(5)

2.2.4 水质调度模型

(1)泥沙成因和沉降模型

土壤侵蚀是造成河流汛期浊度上升的首要因素,加剧汛期产沙,造成浐灞河浊度在汛期上升,严重影响水质和景观效果。

土壤侵蚀研究中,国内外学者建立了许多数学模型[1],应用最广泛的是USLE(Universal Soil Loss Equation)土壤侵蚀模型。影响土壤侵蚀的因子有降雨侵蚀力(R)、坡度(S)、坡长(L)、土壤可蚀性因子(K)、植被与作物管理因子(C)、水土保持措施(P)等,国内学者根据我国实验资料不断改进修正,得到适用于我国的计算方法[5]。

1) 推移质沉降模型

推移质泥沙沉降速度:

(6)

式中:ω为泥沙沉降速度;ν为水的运动粘度;γs1为泥沙的重度;γ为水的重度;D为泥沙粒径;g为重力加速度。

2) 悬移质沉降模型

悬移质为重力和水流紊动共同作用,计算公式如下:

(7)

式中:εs为悬移质竖向扩散系数;γs2为床沙干重度;S为含沙量。

3) 库坝泥沙沉降运移模型

悬移运动的泥沙粒径很小,随水流而紊动。库坝悬移质泥沙随沿程变化的运移模型公式如下:

(8)

据库坝泥沙的运动规律建立悬移泥沙的沉降模型和运移模型,得出悬移泥沙在不同位置的空间分布特征,具体为:悬移泥沙浓度沿水流方向逐渐减少,垂直方向的浓度从上到下逐渐增加,泥沙沉降后出现的上清下浑现象,计算后一般需5 d～7 d可以澄清。

(2) 水体纳污稀释模型

据全运湖水质要求,结合现状水质及入湖污染物推算稀释需水量,公式如下:

(9)

式中:Qi为稀释需水量;Ls为单位湖水面积磷的水域纳污能力;V为湖体库容;Ra为磷在湖中的滞留系数;Ps为湖中磷的年平均控制浓度;h为湖平均水深。

经计算全运湖受第三污水厂污染后稀释需水量为457万m3/a。

丹麦水力研究所研发的DHI系列软件是目前广泛应用并经工程验证模型软件,MIKE 21是其中的水动力学软件,采用MIKE 21中的水动力模型(HD)模拟水流流动,采用水质模型(TR)模拟污染物的迁移扩散。主要应用模型如下:

1)水动力数学模型

二维水动力数学模型的控制方程是由质量守恒方程和垂向积分的动量方程组成。

质量守恒方程:

(10)

x方向动量方程:

(11)

y方向动量方程:

(12)

式中:ζ为水位;t为时间;x和y为空间坐标;d为随时间变化的水深;h为水深;p、q分别为单宽流量在x与y方向上的分量;C为谢才系数;g为重力加速度;f为风摩擦系数;V、Vx和Vy分别为风速及其在x与y方向上的分量;Ωp与Ωq分别为x、y方向的科氏系数;pa为大气压强;ρw为水的密度;τxx,τxy,τyy为有效切应力分量。

2) 水质数学模型

采用MIKE21的对流扩散模块(TR模块)计算污染物浓度分布,建立的水质数学模型的控制方程为:

(13)

式中:Dx、Dy分别为x和y方向上的扩散系数;c为污染物浓度;F为衰减系数;S为源汇项;其它符号含义同水动力模型控制方程。

3) 模型计算区域及模型建立

采用Mesh Generator将边界地形文件导入并进行边界平滑处理,对全运湖进行非结构化网格单元划分生成网格文件,将水深差值网络划分插入后得到地形图,见图7,计算时间15 d。

图7 网格划分及污染扩散示意图

第三污水厂总溢流量30 000 m3、时长28 h,此时河道流量7.95 m3/s,经计算需要14 h,可达到地表水Ⅱ类。

3 水量水质调控方案

8月29日开始向灞河A、B坝充水,开幕式前平台投入运行,运行期一年。

3.1 水量调控

3.1.1 洪水调度

流量为Q>100 m3/s时,坝群塌坝运行,执行“浐河灞河防洪预案”。当罗李村、常家湾流量水文站流量减到30 m3/s、马渡王水文站流量减到50 m3/s时,坝群自下向上逐级立坝。并考虑携沙量等因素,选择全立或半立。

3.1.2 滞水调度

流量为40 m3/s80 m3/s时不能满足景观要求。

3.1.3 蓄水调度

流量为18 m3/s

3.1.4 补水调度

流量为1 m3/s≤Q<18 m3/s时,其中流量4 m3/s≤Q<18 m3/s发生概率为57.63%,坝群下泄补水满足景观流量;流量小于4 m3/s发生概率为13.7%,为应急工况,坝群和李家河水库联合调度加大补水,满足景观最小流量。净补水量最大约1 016.08万m3,其中水库最大补水量为622.08万m3。

3.1.5 应急调度

遇突发涉水事件,分析水雨情势,研判调度方案,保障防洪和水环境安全。

3.2 水环境调度

3.2.1 水质调度

考虑河道排污口超排、第三再生水厂雨污溢流工况,采用MIKE 21中的水动力模型(HD)模拟水流,采用水质模型(TR)模拟污染物的迁移扩散。通过水质分析计算,结合联合调度计算,根据不同工况调控上游清水补给量。

以近十年来排放最差的水质作为计算边界,稀释后达标时间见表4。

表4 最差水质时水质达标时间表

雨污溢流时A坝蓄满稀释更快,以2020年9月20号雨污溢流最为严重,总溢流量30 000 m3、时长28 h,平均q=0.298 m3/s,此时全运湖边界条件:COD浓度为15 mg/L、NH3-N浓度为0.5mg/L,以此为边界条件进行计算,结果见表5。

表5 雨污溢流时水质达标时间表

3.2.2 拦沙调度

随着洪水下泄河水浊度逐渐升高,达不到景观要求。洪水过后,根据坝群运行状态和流量,调度坝群,分级、分时立坝拦沙,加速泥沙沉淀,减少泥沙进入全运湖,经5 d～7 d沉沙后水体浊度小于40 NTU,可满足景观要求。

3.2.3 截污拦漂

浐灞河道汛期随洪水飘下较多树枝、生活垃圾等漂浮物,从高铁桥下依据桥墩建有拦污网拦截污物,网格尺寸100 mm×100 mm,人工打捞、保持湖面清洁。

4 调度效果验证

浐灞河库坝联合调度系统的调度指挥中心设在五常驿,调度工作组在自5月份起进行了5次演练,平台运行后进行多次参数率定,精度从55%提高到接近80%。2021年为近60年来降雨量最大的一年,多个水文站水流量超警戒线。先后经历了“8.19”、“8.31”、“9.06”、“9.16”、“9.23” 等多次强降雨过程,很好地调度了5场洪水。

以“9.06”洪水调度为例,实时监测洪水衰减及强降雨过程,9月2日起浐河水浊度一直维持1000+NTU,9月3日—4日降雨后,灞河水浊度在6日也达到1000+NTU,河水非常浑浊。经预测未来一周不会有降雨,对李家河水库、灞河坝群、浐河坝群实施“库坝联调、河库错峰”、“由上至下,梯级立坝”、“半坝滞洪、分级沉沙”的调度方式,7日晚8时开始浐河灞河逐级立坝,李家河水库不再泄洪,13日湖水浊度已由1000+NTU降至20NTU,全运会开幕式当日湖水清澈见底,达到了“水量充足、水质优良”、“一河清水”的目标,水质达到地表为三十年来最佳,地表水质达到Ⅱ类标准,浊度时空变化见图8、图9,说明调度效果非常好。

图8 调度期浐灞河浊度时空变化趋势图

图9 调度期浐灞河浊度变化实景

9月23日至26日持续降雨,洪水达到40年一遇。25日8时测得浐河流量271 m3/s、灞河259 m3/s,灞河小于浐河概率1%,可见浐河防洪压力很大。李家河水库库水位距离正常蓄水位仅0.5 m,通过云图预测到25日大雨,结合水雨情预报,测算李家河水库库区降雨量1 100万m3～1 500万m3,根据预报确定方案后进行预演,并确定预案,以120 m3/s的流量提前泄洪,腾出库容1 200万m3,25日晚入库流量持续下降,水库安全度过洪水。河道坝群于24日早8点全部塌坝放空迎汛,李家河控泄流量控制在200 m3/s左右,错开与浐河汇流时间,避免最大洪水值汇合,减轻了下游河道防洪压力。防洪过程中调度系统的预测、预报、预演、预案起到关键性指导作用。预测趋势正确,预测流雨量、流量值有一定误差,准确率接近80%,以后还需要继续加强率定。

5 结 语

该系统为在全运会期间出色完成了调控任务,同时在代运营一年中出色完成了防洪任务。本次研究进行了水库和梯级坝联合水量精准调度,分析了泥沙成因和泥沙沉降机理,进行了污染后水质达标计算,平台主要发挥了以下作用:

(1) 大大提高了流域防洪能力。控制平台纳入全流域水文、雨量、水库、坝群信息,结合各自运行方式,分级调控,提高流域整体防洪能力。

(2) 提高了流域水资源利用效率。充分利用水资源,实时统一调度,发挥水库调蓄作用,解决用水与水景观需求之间矛盾。

(3) 节约流域巡防成本,提高了管理效率。控制平台作为库、坝、河的监控和调度管理中心,实现了对流域内各涉水工程梯级调度管理,精简了调度和巡视作业,优化了管理方式。

本次研究是国内联调联控数量最多、研究内容最丰富、调控最严格的研究,并取得了成功,在国内起到很好的示范作用。考虑下一步扩展为数字孪生平台,可用于水资源调配和精确控制、河道防洪、调水调沙、城市景观等智慧化水利建设。