南水北调中线京石段临时通水调度研究与实践

刘祥臻

一、南水北调中线京石段临时通水基本情况

南水北调中线京石段应急供水工程自石家庄古运河至北京团城湖。其中，石家庄古运河枢纽至北拒马河中支南段位于河北省，输水线路长227.4km，采用明渠输水；北拒马河至团城湖段位于北京市，输水线路长80.1km，采用PCCP管道和暗涵输水。

京石段应急工程临时通水的任务是将河北省岗南、黄壁庄水库、王快水库的3亿m3出库水量，按北京市的需水要求，安全送入北京。岗南、黄壁庄水库为串联水库，联合调蓄后由黄壁庄水库放水，经石津干渠连接工程进入中线总干渠；王快水库的水量经沙河干渠和连接工程进入中线总干渠。南水北调中线建设管理局负责总干渠输水调度运行工作。

二、京石段应急供水工程调度运行的特点

京石段应急供水工程调度运行特点是距离长，控制站点多，分布广，要求实行不间断供水，调度和控制十分复杂，任何调度运行的失误都可能造成严重的后果，轻则引起渠道的水位骤降、骤升，造成渠道衬砌破坏、渠堤滑坡，重则可能导致漫堤等严重影响工程安全的事故。其特点在于：

（1）渠线长，控制建筑物多。长距离调水工程要将整个渠道的水流从一种状态调节到另一种状态，并保持稳定，是十分困难的。而实际调度还要考虑紧急停水（如事故停电、停机及其他事故），上、下游流量的突然增大或减少等因素，这就需要研究响应快、反应灵敏的控制方法。

（2）明渠输水为无压自流形式，输水干渠上缺少调蓄水库，输水控制过程的可调节能力较差，控制难度也就更大。

（3）京石段工程由于各种原因，部分交通桥未能建成，不得不采取临时埋管措施，通水的水位要求应淹没临时埋管的进口。

（4）南水北调中线沿线有许多大型倒虹吸，北京段设有压管道，控制过程需要考虑有压管道进口淹没，北京段的暗渠段要避免造成明满交替流，对控制过程要求较严格。

（5）华北地区冬季输水存在冰期输水的问题，控制不当容易造成冰盖破裂，产生冰塞、冰坝等事故。

三、渠道调度运行控制

渠道运行控制是根据用水户的需求，通过改变一系列节制闸的状态，适时适量将水送到用户的过程。控制动作与渠道水力学响应密切相关，在保证水位变率不超过允许值前提下，力求将用户需要的水量通过逐渠段水体传递，迅速送到用户的取水口。

1.输水调度控制建筑物

京石段应急供水工程共设计有16座节制闸，其中15座节制闸均可参与调度运行；由于调水流量小于20m3/s,惠南庄泵站不参与调度使用；共有13座退水闸，只在事故工况下使用；20座分水闸不参与调度，水量全部通过团城湖末端闸进入团城湖；河北段渠道内有5处设有临时埋管的渠段；应急段临时通水期间，在不影响输水安全的前提下，为了简化调度过程，增强调度的可靠性，适当减少参与调度控制的节制闸数量。在满足临时埋管进口淹没要求的前提下，可减少4座节制闸参与运行。

2.渠道运行控制方式

渠道输水可以采用不同的运行控制方式，不同的方式有不同的渠道水流稳定特性。渠道采用何种运行方式，需要根据输水工程的具体条件、输水要求、经济合理性进行取舍。考虑到中线工程渠道长，增加渠堤高度会大量增加工程量，下游常水位能够满足供水的要求，不需要额外超高，工程量省，因此中线工程总干渠选用下游常水位（即闸前常水位）方式作为渠道的运行控制方式。

3.渠道运行约束条件

约束条件就是水流特征要素（水位、流速、流量等）变化时必须受到的限制。

（1）在流量变化的过渡过程中，水位在一定幅度内波动，但不能高于超高值（暂定为设计水位以上0.5m），并尽快达到控制水位。

（2）水位的降落速度不能突破设计允许值，因为过快的水位降落可能导致渠道边坡失稳破坏，南水北调中线干线工程按每天水位降幅不大于0.3m考虑。

（3）调节过程中不使用退水闸。

4.闸前常水位的确定

（1）非冰期目标水位

通常情况下，取闸前设计水位为渠道非冰期目标控制水位。根据水量调度成果，此次应急段临时通水最大流量设计过流能力小很多，适当降低目标控制水位仍能满足渠道过流能力要求；此外，渠道正常输水前需要预先向渠道中充水，降低各节制闸前目标控制水位可减小充水体积，有利于缩短充水过程。工程运行初期，低水位运行也较为安全。所以，在保证运行安全的情况下尽量降低目标控制水位。但闸前目标控制水位不可降得过低，主要受以下因素制约：

①闸前目标控制水位必须满足渠道过流能力的要求。

②总干渠上的部分有压建筑物（暗涵、PCCP管、临时埋管等）进口需低于水面。

③由于总干渠上存在5座临时埋管建筑物，水头损失较大，需要复核恒定流非均匀流水面线，以满足闸门正常过流的要求。

考虑以上因素，将河北段内闸前目标控制水位较设计水位降低0.47～1.68m。

（2）冰期目标控制水位

冰期目标控制水位（或蓄水量）较正常时期高。因为结冰以后，输水断面积较正常时期减少，湿周增加，过水能力减小，容易产生冰塞、冰坝，造成严重的后果。京石段应急供水工程冰期目标控制水位一般比非冰期目标水位相应高20～50cm。

5.节制闸闸门调节控制规则

节制闸闸门调节控制规则的关键参数是相邻节制闸流量变化的速率、节制闸动作的起始时间与结束时间（以下简称“控制参数”）。控制参数与节制闸下目标水位降幅、目标蓄水体积变幅、水位允许降速等因素密切相关，而且每一个渠段的控制参数对上下游相邻渠段的控制参数均会产生影响。初始控制方案就是根据不同的流量改变值、不同的目标水位、不同的工况、不同的目标蓄水体积等，确定上述的控制参数。然后每隔1小时（未稳定）或4小时（基本稳定）读报闸前、后水位；由水位、流量计算闸门开度；当由流量变化值计算的闸门开度调节量小于最小开度变化值时，闸门开度不变；当大于最小开度变化值时，才对闸门开度进行调整，并且开度的调整按闸门运行速度尽快完成。

四、紧急状态下的闸门操作

1.紧急状态下闸门操作的约束条件

紧急状态下闸门操作的约束条件不考虑水位降落速度的约束。因为在紧急状态下，首要的是尽快切断水流。虽然快速关闭可能会引起渠道衬砌的局部破坏，但与重大事故扩散相比，按照“两害相权取其轻”的原则处理。

此外，在紧急状态下不考虑“水位尽快恢复到控制水位”、“不使用退水闸”这两个约束条件。这是因为，要利用渠道的超高存贮多余的水量，没有必要恢复到控制水位状态。紧急关闭完成后，一般渠段下半段的水位将高于设计值。当渠道超高容不下多余水量时，就要启动退水闸退水。紧急关闭时，退水常常难以避免，尤其是大流量输水遇突发事件紧急关闭时。

2.紧急状态下闸门操作规则

（1）需紧急关闭的节制闸，应在20分钟内关死。

（2）紧急关闭闸上游各闸时应同时开始关闭，但关死的时间依次滞后30分钟，以尽量减小水位下降速度。

（3）闸前水位超设计+0.5m。

本渠段有退水闸，退水流量定为初始流量的80%来确定开度；本渠段无退水闸，节制闸开启至80%的初始流量；上述退水流量或节制闸回开流量，一直维持到水位回到设计水位以下，以避免闸门跳动。

五、结语

南水北调中线京石段应急供水工程通水调度结合工程特点和通水的实际情况，优化参与调度闸站数量，采取闸前常水位的输水调度控制方法，确定了冰期和非冰期目标水位，建立了正常输水和紧急情况下闸门操作的程序，有效地进行水位控制。实践证明京石段应急供水工程临时通水调度运行平稳有序，确保了临时通水安全、可靠、优质调度运行