引江济淮梯级泵站事故停泵应急响应时间分析

李梦轩 田雨 雷晓辉

摘要：引江济淮工程是一项沟通长江、淮河两大水系的跨流域、跨区域重大战略性水资源配置工程和综合利用工程，其中西淝河线承担着淮北涡河以西和河南省受水区的供水任务。为了使受水区的工农业生产用水和居民生活用水得到保障，以及为了确保泵站群的正常运行，用MIKE11模型建立了一维水力学模型，对西淝河线梯级泵站进行非恒定流数值模拟。分别研究了各泵站间的正/反向响应时间和应急停泵工况下区间水位超出限制范围的最长时间，从而得到了最大调控可允许间隔（响应时间）。在此基础上，分析了响应时间与初始水位的关系，得到了各泵站在停机事故下的最大调控可允许间隔表，并提出了泵站正常运行中的注意事项。分析研究结果具有实用性和借鉴价值，可为工程调控方案的制定提供参考和科学依据。

关 键 词：

事故停泵; 应急响应时间; 水力学模型; 梯级泵站; 引江济淮工程

中图法分类号： TV43

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.034

引江济淮工程是沟通长江、淮河两大水系的跨流域、跨区域重大战略性水资源配置工程和综合利用工程。其中的江水北送段西淝河线对涡河以西及河南省受水区的供水至关重要。该线由五级泵站组成，区间无蓄水建筑物，水位受流量变化影响大。若不考虑滞后响应时间和最大调控可允许间隔（响应时间），则会影响调度时机，降低供水保证率;或变工况时水位波动大，影响正常运行，造成经济损失。响应时间的确定可为应急工况和大流量变化的正常工况下的调控方案制定提供参考。响应时间在南水北调入密云水库工程中应用较广：比如郑和震等[1]通过建立流量-水位-蓄量关系得到了水位-时间变化规律，在此基础上提出了控制策略;雷晓辉等[2]、吴辉明等[3]计算出了各泵站的调控流量和时间，实现了梯级泵站节能;卢龙彬等[4]在对糙率的影响进行研究的基础上，开展了停泵事故模拟分析。

响应时间的确定也可为梯级泵站群经济优化提供边界条件。比如，针对南水北调入密云水库工程，吴怡[5]、郑和震[6]、吴辉明[3]、刘波波[7]以响应时间为控制约束，结合分时电价和运行效率分别进行了旬和日优化调度以及梯级流量扬程优化;此外，王敬[8]、黄会勇[9]、桑国庆[10]等在泵站群输水系统优化、水量调度模型研究等方面将响应时间作为了边界之一。

本文对引江济淮工程西淝河线的运行工况进行了细化，能涵盖大部分正常运行时的水位区间。在此基础上研究了响应时间，并给出了各泵站停机事故下的响应时间推荐表和泵站运行建议。

本文借助于MIKE11软件进行一维水力学建模。MIKE11软件在国内外应用十分广泛，比如，吴天蛟等[11]和Niranjan Pramanik等[12]运用MIKE11分别进行了三峡库区和印度东部婆罗门尼河流域三角洲河段的洪水演进模拟;许春东等[13]运用该软件进行了河道糙率灵敏度分析;Panda[14]、Jouzdani[15]、Cox[16]、Ermolaeva等[17]利用MIKE11模型与神经网络等其他模型进行耦合、对比，均证明了MIKE11的模拟能力。

1 研究区域

引江济淮工程主要任务是向安徽省沿淮及淮北地区补充水源，并为向河南省的商丘、开封和周口地区相机供水创造条件。供水范围涉及安徽省9个市和河南省3个市。主体工程分为三大段：引江济巢段（引长江水补给菜子湖、巢湖流域）、江淮沟通段（将长江水输送至淮河）、江水北送段（将长江水送至淮北）。

本次研究对象为引江济淮工程江水北送段西淝河线（安徽段）河段：自西淝河站上的淮河口起，沿途经西淝河站、阚疃南站、西淝河北站、朱集站、龙德站，最终抵达皖豫省界，全长185.5 km。上游起点为淮河，常水位为17.4 m，下游终点省界处为练沟河倒虹吸，设计水位为30.9 m，设计流量为45 m3/s。

由于设计水位为最大设计流量下运行的水位，西淝河线沿途及受水区无湖泊水库等蓄水工程，对于这种情况往往是按需调水，正常調水期间一般位于设计水位之下。而且根据引江济淮2040年安徽涡河以西片的水量供需平衡分析结果，汛期时，淮北涡河以西需要引江济淮供水较少甚至无需供水，因而不需要予以考虑。经综合考虑、分析，本次研究内容仅对正常调水情况下的梯级泵站事故停泵的最大响应时间（即初始水位均小于等于设计水位）进行研究。研究区域如图1所示。

如图1所示，西淝河站至阚疃南站段设取水口d1，该取水口位于原始河道和衬砌河道交点处（桩号30+281），取水流量设为上下游泵站的流量差5 m3/s，以确保渠段流量平衡;同理，西淝河北站至朱集站设取水口d2，该取水口位于西淝河北站后茨淮新河口（桩号74+000），设计流量为25 m3/s;朱集站至龙德站设取水口d3，该取水口位于界洪新河口（桩号141+215），设计流量为10 m3/s。

各级泵站特征水位和渠道的具体参数分别如表1～2所列。

2 一维水力学仿真模型

本文研究的模拟范围为西淝河线全程185.5 km，共设置有314个断面，平均断面间隔为600 m。上游边界为淮河，可视其为常水位，故设置为定水位边界（h（t）=C），将下游省界处设置为定流量边界（Q（t）=C）。

3 工况及模拟结果

3.1 泵站间滞后响应时间计算

影响滞后响应时间的因素包含渠道运行方式、渠道长、流量变化量等[18]。在渠长相同的前提下，控制流量变化量，研究不同渠道运行水位下的滞后响应时间。

模拟初始时刻各枢纽、分水口门都按照设计流量运行。通过改变某一枢纽的流量，让流量发生小幅变化来分析流量变化后的水力响应特性。选取的流量变化情况为枢纽的流量在0时刻增加10%的设计流量。

同时，通过改变计算开始时刻枢纽的进、出口水位的初始值，得到不同水位下的水面线情况。以此可分析在不同水面线下的水力响应特性。

由于各泵站出、入水口的水位区间不等，工况设置也不尽相同，根据各渠段上下游泵站的正常运行水位区间，基于以下原则确定工况：工况1为泵站运行最低水位+0.2 m;工況2为设计水位与最低运行水位的中值;工况3为设计水位;另外，根据试算结果设置工况4，工况4为最高运行水位（模拟事故停泵后区间水位即将超出上限水位时的工况）。

具体工况的设置和模拟结果分别如表3和表4所列。

3.2 事故停泵工况下最大调控可允许间隔的计算

事故停泵下的水力调控方案，是分析在泵站应急突然掉电情况下，泵站的流量瞬间变为零后泵站前、后渠池中水位的突变情况，并以此来制定枢纽的调控方案。

江水北送段泵站有西淝河站、阚疃南站、西淝河北站、朱集站和龙德站。因此需要对以上几个泵站工况的突发停泵情况进行分析。分析段为西淝河站—阚疃南站—西淝河北站—朱集站—龙德站，分别按照表3中工况1～3的设置初始水位进行分析。

3.3 方案验证

根据表6设计6个最不利的工况：分别在工况1、工况2和工况3的初始水位下，第一级泵站西淝河站停机，经过最大响应时间后，相邻泵站依次停机，直至全线停机，共计3个工况;以及在工况1、工况2和工况3的初始水位下，最后一级泵站龙德站停机，经过最大响应时间后，相邻泵站依次停机，直至全线停机，共计3个工况。主要是研究在最不利工况下渠道水位是否超出各泵站进出水口安全运行水位区间。

以工况1的初始水位下西淝河站至龙德站依次停机工况为例（停泵时间依次为：0，5.78，9.33，9.85 h和9.85 h），模拟结果表明，在最不利工况下，阚疃南站前站和后站、西淝河北站后3处水位都将在到达下限水位（时间分别为5.78，10.58 h和11.8 h）后的1 min内回升至安全范围内;朱集站后水位即使在朱集站和龙德站同时停机的情况下，仍在10.92 h时下降至下限水位以下且不会回升;其余各关键节点水位均在安全运行水位区间内。

以上结果证明：在最大响应时间之内关闭相邻泵站，能防止水位超出安全运行区间;通过滞后响应时间和最大可允许调控间隔推求最大响应时间的方法是合理的。

3.4 结果分析

由上述分析可以看出：西淝河站-阚疃南站、西淝河北站-朱集站段的响应时间受初始水位的影响较大，前者在不同工况下的响应时间最大差距可达18.00 h，后者在不同工况下的响应时间最大差距可达24.00 h;而阚疃南站-西淝河北站段河渠受初始水位影响较小，响应时间始终在4.00～8.00 h左右的区间内;值得注意的是，朱集站-龙德站段由于朱集站出水口和龙德站入水口的正常运行水位区间较小（分别为0.65 m和0.80 m），加上该站段大部分为较狭窄的人工渠道，槽蓄量较小，一旦上下游某个泵站停机，另一个泵站需立即响应，但即使如此，也不能保证水位不超出正常的运行区间。此外，西淝河北站-朱集站段由于是逆坡输水，朱集站停机后西淝河北站仍能运行很长时间，反之则不然，表现为正向和反向的响应时间差较大（约18.00～59.00 h）。

此外，根据方案验证的模拟结果，由于西淝河站～阚疃南站、西淝河北站-朱集站和朱集站-龙德站段均存在分水口，因此停泵后这3个区间的水位将持续下降。由于西淝河站-阚疃南站区间d1=5 m3/s，水位受分水口影响较小，在西淝河站和阚疃南站停泵后3 d之内水位仍保持在17.53 m以上，处于安全范围。由于西淝河北站-朱集站段d2=25 m3/s，水位受分水口影响较大，在西淝河北站和朱集站停机后5.15 h（工况1西淝河站至龙德站依次按最大响应时间停机）时，西淝河北站站后水位将下降至下限水位23.87 m。由于朱集站-龙德站段水位区间较小，可调控蓄量也较小（下限和上限水位的蓄量差不足200 万m3），在朱集站和龙德站停机后1.08 h时，朱集站后水位将下降至下限水位27.35 m。因此，西淝河北站-朱集站和朱集站-龙德站区间分水口在上下游泵站停机后也应立即降低分水流量，否则区间水位将会超出安全运行区间。

4 结 论

本文选取了引江济淮工程江水北送段西淝河线的五级串联梯级泵站作为研究对象，利用非恒定流数值模型来模拟单机泵站事故停机工况，并分析了水位随时间变化过程、突破上下限水位的时间等参数，得出以下结论。

（1） 当区间在高水位运行时，各级泵站需要更关注其下一级泵站的运行状况;区间在低水位运行时，各级泵站则需要更关注上一级泵站的运行状况。

（2） 朱集站和龙德站在另一泵站事故停泵时应立即响应，或是共同调整机组流量，适当延长流量变化的时间，以防区间水位急剧变化，在高水位运行时也能减少壅水。

（3） 朱集站需要及时关注西淝河北站的运行状况，尤其是低水位运行时更需要及时作出响应;与此相反，西淝河北站对朱集站流量变化的响应时间很长，有充足的时间调整。

（4） 西淝河北站-朱集站和朱集站-龙德站段在渠段上下游泵站均停机后，区间分水口门也应尽快降低分水流量直至0 m3/s，否则水位将持续下降直至低于下限水位，泵站恢复运行后将处于安全运行区间以外，存在风险。

以上结论不仅适用于事故停泵工况，也适用于正常输水时各泵站的机组流量切换工况。

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（编辑：赵秋云）