南水北调中线工程智能调控与应急调度关键技术

刘一

摘要：引水工程一般都具有跨度大、配套建筑物多、沿线地理环境差异大的特点，其供水调度运行非常复杂，当发生突发事件时，自身的应急处置措施往往会由于反应不及时或调度不合理致使事故造成的破坏加剧。一旦事故处理不当，可能导致巨大的经济损失和恶劣的社会影响。因此，有必要对引水工程的调度问题尤其是应急调度问题做专门的研究。

关键词：南水北调中线工程;智能调控;应急调度;关键技术

1国内外引水工程概况

随着社会经济快速发展，城乡居民生活、工农业生产和生态环境对水的需求愈加迫切。然而由于天然地理位置的差异，造就了水资源时空分布不均衡的特点，水资源短缺问题已严重影响缺水地区国民经济发展和人类的生存环境，成为制约地区和国家经济发展和人类生产生活的一大要素，而进行大型跨流域调水则成为解决这一问题的有效途径。

迄今为止，国外已建成的典型大型引水工程有美国加州北水南调工程、巴基斯坦西水东调工程、澳大利亚雪山工程和前苏联伏尔加一莫斯科调水工程等，国内自建国以来也陆续建成了相当数量的一批大型跨流域引水工程，重要的有引黄济青工程、东深引水工程、引滦入津工程、引黄入晋工程和引额济乌工程等。

目前国内正在建设的南水北调东线及中线引水工程更是远程调水工程中规模较大的，其中中线工程整个系统是一个由许多个节制闸组成的串联的渠道，且沿线没有调节水库，其规模及供水调度复杂程度世界上少有。大量引水工程的建设，在给人民的生产生活带来极大便利的同时，也潜藏着很多问题，因为大型引水工程本身一般都具有运输线路长，跨越地域广等特点，沿线存在多种复杂地质条件，地理环境和气象条件差异较大。当出现自然灾害、交通事故，个别渠段出现水质污染或工程系统本身出现结构破坏等事故时，势必会对正常输水运行造成影响，严重者甚至威胁周边人民群众的生命财产安全，例如南水北调中线工程的终端是北京和天津两座大城市，一旦出现停水的现象，将直接影响此两地民众的正常生活和工业生产，导致重大损失，而一旦发生水质污染情况，如不及时采取适当措施反应处置，很可能导致灾难性的后果。因而发生事故后如何应对，采取怎样的措施，甚至我们应该怎样尽可能预防事故的发生，成了必须要提前考虑的问题，这就是我们要讨论的引水工程突发事件的应急调度。

2亟需攻克和解决的技术难题

2.1中线工程水源-受水区预报技术

为满足新形势下的中线水资源综合调度需求，需要建立集成气象、水文、径流预报还有用水预测模型的预报/预测平台。实现此项目标，我们还需要继续深入开展以下四方面的研究：（1）基于数值天气预报模式，研发汉江流域长-中-短期多层嵌套的降水集合预报模型;（2）统计分析前期径流、降水等数值关系，并考虑气候变化对未来降雨径流影响，研究建立变化条件下的汉江流域分布式水文模型和丹江口水庫来水长中短预报模型;（3）研究建立中线工程沿线受水区的气象预报模型，为中线工程的调度运行提供气温、水温等信息输入;（4）研究建立受水区大中型水库来水长中短预报模型。

2.2变化环境下水源水库水资源多目标调度技术

目前，水源区条件较设计之初也发生了变化，中线通水后，又规划建设鄂北调水等大型调水工程，影响丹江口水库的调度。气候变化不只影响水源区的降雨与径流，也影响着水源区的水量调度目标;此外，输配水过程中还存在着诸多不确定性的风险，如污染，水华等。因此，需要分析研究这些新的情况和形势对中线工程影响，研究兼顾多项效益目标的水源水库水资源调度技术和方法，包括以下研究：（1）开展变化环境下的汉江流域水循环机理研究，研究气候变化对水源区水资源可利用量的影响，评估丹江口上游水库群、下游需用水变化和新建外调水工程对丹江口外调水量的影响;（2）建立水污染事件风险评估模型，估计和预测水污染发生概率，研究通过改变水库流场来防止污染物进入中线干渠的陶岔闸和丹江口大坝联合运用方式;（3）研究通过径流调节抑制蓝藻水华发生的水库群调度方式和方法;（4）研发水源区水库群水资源多目标优化调度模型。

2.3变化条件下受水区多水源联合调度技术

2012年全国开始实施“最严格水资源管理制度”，在这项制度的引导下中线受水区用水结构发生较大变化，再生水、海水淡化等非常规水资源利用效率得到了较大幅度的提升，减少了受水区对外调水的需求;受水区某些省份，譬如河北省，借助中线工程通水的契机，开展了超采区的地下水的压采工作，增加了河北省的外调水的需调水量。因此有必要针对这些变化的条件开展分析，分析这些变化对受水区用水影响，研发受水区多水源联合调度技术，包括以下内容：（1）评估“最严格水资源管理制度考核办法”对外调水使用量的影响，分析“考核办法”实施前后受水区用水量和用水习惯的变化;（2）评估受水区再生水、海水淡化等非常规水利用对外调水使用量的影响，量化分析中线供水配套工程逐步建成后受水区的用水结构变化;（3）评估受水区水源转换对超采区地下水恢复影响;（4）研究建立受水区多水源联合优化调度模型，为调度和分水方案优化提供技术支撑。

3核心科学问题

中线工程的运行调度控制是工程技术问题，但是鉴于其工程自身的复杂性和诸多组成要素的耦关联特征，要研发核心调控技术，需要开展科学问题集中攻关。核心科学问题如下。

（1）变化条件下多水源联合多维均衡调控机制。跨流域调水渠道跨越多行政地区、多地质结构、多地貌形态，同时由于水源区供水量以及受水区的需水量的不确定性，需要深刻认识水资源调度具有社会效益、工程效益、经济效益等多维性特点，综合考虑未来可能的条件变化，以及当前目标调整情况，找出多水源联合多维均衡调控的方法和理论。

（2）水量水质多过程耦合机理及逆时序反问题求解。中线的过水建筑物众多，复杂内边界条件造成渠道水流形态复杂，不仅影响到水动力学过程调控，同时也影响到渠道物质的对流扩散。因此，需要研发中线水量水质一、二、三维模模型。并在一维、二维、三维模型的基础上研究追踪溯源技术。

（3）长距离调水系统多物质突发水污染应急调度模式。不同的污染物具的扩散机理不同。我们必须针对多种潜在污染物质，开展污染物扩散特性研究，研发针对不同类型污染物的应急调度模式。

4结论

中线工程可解决河南、河北、北京和天津4个省市的水资源短缺问题，具有重要的战略意义。中线工程输水线路长、水力建筑物众多、工况复杂多变、尤其是存在突发水污染事故等应急工况，对中线调度控制和运行管理造成困难。此外，随着经济社会的发展和流域水文条件的变化，现在中线水源和受水区的自然水文和用水情况都较设计阶段发生了较大改变。因此亟需对中线调度运行中存在的关键技术难题开展研究，研发中线工程的智能化调控和应急调度平台，支撑中线智能化安全运行。解决这些关键技术难题和科学问题，将有助于最大发挥中线工程的综合效益。

参考文献

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