南水北调东线胶东段运行模式探究

2018-03-25霍祥宇王成建

山东水利 2018年4期

关键词：渠段胶东南水北调

霍祥宇，周强，王成建

（南水北调东线山东干线有限责任公司，山东济南 250014）

南水北调东线胶东段工程线路长，控制建筑物和跨渠建筑物众多，自动化系统未完善，工程运行期短，许多控制参数未经实际运行检验。因此，优化控制运行方式对于节约电费、减少闸门启闭次数、削减闸站人力费用、降低输水成本具有现实意义。

1 常用渠道输水控制方法

现行的运行控制可分为上游常水位控制、下游常水位控制、等容积控制、控制容量法等，南水北调东线山东干线胶东段输水运行应根据自身工程现场实际情况从优选择控制方式。

上游常水位控制：上游常水位控制是保持渠道控制性水闸下游水位平稳，其水位监测控制点位于控制性水闸下游。这种方式的优点是能够根据渠道零流量和最大流量之间的调蓄量对下游或分水口的流量变化迅速作出反应，减少调节时间，满足输水及分水流量变化的要求。其缺点是为了保持上游水位稳定，要求渠道有较高的渠堤和衬砌，或者是渠堤设计为水平方式。

下游常水位控制：水位监测控制点位于控制性水闸上游，这种控制法适用于大多数渠道。此控制方式最大的优点是能够使渠道输水可按照设计流量运行，在平稳运行状态下渠道整体水位线不会超过设计水位。其缺点是不同流量输水时，该控制方式单个渠段的蓄水量变化大，流量调节时响应时间长。

等容积控制：这种控制方法是使每个输水渠段在任何时候都维持有一定相对稳定的蓄水量。当调节流量时，水面线围绕渠段中点附近变化，保持渠段中点水位稳定。渠段中点两侧存在储水楔形体，对于流量的变化，楔形体体积变化相等、方向相反，最终达到稳定状态。这种控制方式要求同时调节上下游闸门，需要管水员能够非常了解闸门开度与流量的对应关系，保证上、下游水闸调节后的流量对应稳定。其优点是能够迅速改变整个渠道的运行状态，减少流量调节的时间滞后性。缺点是渠道引水口需要位于渠段的中点附近，才能避免水位波动导致的引水口流量的变化。

控制容量：控制容量方式是通过控制不同渠段中的蓄水量来实现渠道输水调度的控制方式，这种控制方式可以将单个渠池看作为一个小型的调蓄水库，渠段的水面线可以升高和下降。这种控制方式可以很好的控制突然的流量大的变化，但应注意渠道的水位波动允许值。

2 胶东段渠道控制模式分析

南水北调东线山东干线胶东段上起明渠大沙溜倒虹下游章邹边界，下至引黄济青上节制闸，输水线路长85.522 km，其中新辟全断面现浇混凝土衬砌渠道长50.947 km，新开挖土渠29.175 km，利用小清河分洪道子槽输水长5.40 km；沿线12座控制建筑物，5座分水闸，2座泄水闸；设计流量50 m3/s，运行控制问题主要有滞后性、耦合性、扰动性、非线性四个方面。一是受水流速度限制，单个渠池内（按7 km估算）控制作用滞后长达1 h。二是沿线分水口或控制闸流量的变化会引起多个渠池内水位的波动，表现出很强的耦合性。三是渠道长存在不确定或未知性扰动因素，如局部突降暴雨、计量测算偏差、非法取水、应急事件等，影响渠道的安全运行和供水任务的完成。四是渠道系统存在多种非线性因素，如水利要素间的非线性关系、滞后事件的非线性变化、闸门过流系数的非线性变化等，给控制系统的设计及参数选取带来很大困难。解决这些问题，需要确定适合渠道的控制运行方式。

2.1 衬砌段控制方式

衬砌段运行控制主要是防止扬压力及水位下降过大导致衬砌板破坏。通过渠道地下水位监测装置测量地下水位，控制渠道水位高于地下水位运行，防止扬压力对渠道的破坏；通过合理的调度方式，保障渠道水位短时间内降落过快，破坏衬砌板，南水北调东线山东干线明渠段实测，水位下降20 cm/h和40 cm/d是安全的。

胶东段工程田家至入分洪道为衬砌段，实际运行控制中，精确控制倒虹涵闸和带有较大跌水的节制闸。根据历次调水数据，建立数据库，通过闸门开度公式其中：G为闸门开度；Q为过闸流量；μ为包含淹没系数的流量系数；b为闸门底宽；Zup为闸前水位；Zdn为闸后水位。推算出各控制性建筑物包含淹没系数的流量系数μ，在上游来水流量已知的情况下调节闸门开度。其他节制闸开度低于闸前水位30 cm。一是如果闸站全部控制，渠道过长、闸站控制难度大，水位长时间不能平稳；二是如果节制闸全都提到水面以上，使得单个渠池变长，调节时间滞后、抗扰动性差；三是水从较宽渠道流向节制闸过水断面减小导致不同水层流速不同，使过闸流态不稳定对建筑物形成淘刷。上游来水流量变化时，同步调节衬砌段沿线闸门，控制入渠变化流量与出渠变化流量相等，保持单个渠段内蓄水量不变。起初闸前水位下降，闸后水位上升，在较短时间内重新达到平衡。