南水北調東線膠東段運行模式探究

霍祥宇，周 強，王成建

（南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250014）

南水北調東線膠東段工程線路長，控制建筑物和跨渠建筑物眾多，自動化系統未完善，工程運行期短，許多控制參數未經實際運行檢驗。因此，優化控制運行方式對于節約電費、減少閘門啟閉次數、削減閘站人力費用、降低輸水成本具有現實意義。

1 常用渠道輸水控制方法

現行的運行控制可分為上游常水位控制、下游常水位控制、等容積控制、控制容量法等，南水北調東線山東干線膠東段輸水運行應根據自身工程現場實際情況從優選擇控制方式。

上游常水位控制：上游常水位控制是保持渠道控制性水閘下游水位平穩，其水位監測控制點位于控制性水閘下游。這種方式的優點是能夠根據渠道零流量和最大流量之間的調蓄量對下游或分水口的流量變化迅速作出反應，減少調節時間，滿足輸水及分水流量變化的要求。其缺點是為了保持上游水位穩定，要求渠道有較高的渠堤和襯砌，或者是渠堤設計為水平方式。

下游常水位控制：水位監測控制點位于控制性水閘上游，這種控制法適用于大多數渠道。此控制方式最大的優點是能夠使渠道輸水可按照設計流量運行，在平穩運行狀態下渠道整體水位線不會超過設計水位。其缺點是不同流量輸水時，該控制方式單個渠段的蓄水量變化大，流量調節時響應時間長。

等容積控制：這種控制方法是使每個輸水渠段在任何時候都維持有一定相對穩定的蓄水量。當調節流量時，水面線圍繞渠段中點附近變化，保持渠段中點水位穩定。渠段中點兩側存在儲水楔形體，對于流量的變化，楔形體體積變化相等、方向相反，最終達到穩定狀態。這種控制方式要求同時調節上下游閘門，需要管水員能夠非常了解閘門開度與流量的對應關系，保證上、下游水閘調節后的流量對應穩定。其優點是能夠迅速改變整個渠道的運行狀態，減少流量調節的時間滯后性。缺點是渠道引水口需要位于渠段的中點附近，才能避免水位波動導致的引水口流量的變化。

控制容量：控制容量方式是通過控制不同渠段中的蓄水量來實現渠道輸水調度的控制方式，這種控制方式可以將單個渠池看作為一個小型的調蓄水庫，渠段的水面線可以升高和下降。這種控制方式可以很好的控制突然的流量大的變化，但應注意渠道的水位波動允許值。

2 膠東段渠道控制模式分析

南水北調東線山東干線膠東段上起明渠大沙溜倒虹下游章鄒邊界，下至引黃濟青上節制閘，輸水線路長85.522 km，其中新辟全斷面現澆混凝土襯砌渠道長50.947 km，新開挖土渠29.175 km，利用小清河分洪道子槽輸水長5.40 km；沿線12座控制建筑物，5座分水閘，2座泄水閘；設計流量50 m3/s，運行控制問題主要有滯后性、耦合性、擾動性、非線性四個方面。一是受水流速度限制，單個渠池內（按7 km估算）控制作用滯后長達1 h。二是沿線分水口或控制閘流量的變化會引起多個渠池內水位的波動，表現出很強的耦合性。三是渠道長存在不確定或未知性擾動因素，如局部突降暴雨、計量測算偏差、非法取水、應急事件等，影響渠道的安全運行和供水任務的完成。四是渠道系統存在多種非線性因素，如水利要素間的非線性關系、滯后事件的非線性變化、閘門過流系數的非線性變化等，給控制系統的設計及參數選取帶來很大困難。解決這些問題，需要確定適合渠道的控制運行方式。

2.1 襯砌段控制方式

襯砌段運行控制主要是防止揚壓力及水位下降過大導致襯砌板破壞。通過渠道地下水位監測裝置測量地下水位，控制渠道水位高于地下水位運行，防止揚壓力對渠道的破壞；通過合理的調度方式，保障渠道水位短時間內降落過快，破壞襯砌板，南水北調東線山東干線明渠段實測，水位下降20 cm/h和40 cm/d是安全的。

膠東段工程田家至入分洪道為襯砌段，實際運行控制中，精確控制倒虹涵閘和帶有較大跌水的節制閘。根據歷次調水數據，建立數據庫，通過閘門開度公式其中：G為閘門開度；Q為過閘流量；μ為包含淹沒系數的流量系數；b為閘門底寬；Zup為閘前水位；Zdn為閘后水位。推算出各控制性建筑物包含淹沒系數的流量系數μ，在上游來水流量已知的情況下調節閘門開度。其他節制閘開度低于閘前水位30 cm。一是如果閘站全部控制，渠道過長、閘站控制難度大，水位長時間不能平穩；二是如果節制閘全都提到水面以上，使得單個渠池變長，調節時間滯后、抗擾動性差；三是水從較寬渠道流向節制閘過水斷面減小導致不同水層流速不同，使過閘流態不穩定對建筑物形成淘刷。上游來水流量變化時，同步調節襯砌段沿線閘門，控制入渠變化流量與出渠變化流量相等，保持單個渠段內蓄水量不變。起初閘前水位下降，閘后水位上升，在較短時間內重新達到平衡。

2.2 土渠段控制方式

土渠運行技術核心為控制好流速和保持渠道水位穩定。控制好流速不大于設計流速，以防止水流對渠底和渠坡的沖刷；保持渠道水位穩定，因土渠無防護，當水位變化幅度較大時，易引起渠坡坍塌。為保證土渠運行安全，必須控制好渠道水位和水流流速。

膠東段工程大張至博興城南為土渠段，實際運行中，將大張、趙家兩個節制閘開度低于閘前水位30 cm，著重控制博興城南節制閘閘前水位穩定。土渠段渠道平穩沒有跌水，最下游的博興城南節制閘閘前水位穩定，大張和趙家水位變化不會過大，閘前水位穩定。

優化后襯砌段等容積控制、土渠段閘前常水位控制的調度方式，能夠有效減少輸水明渠的時間滯后、水位波動，保障輸水順利、平穩進行。

3 結語

一種控制方法可能適應某個工程，但由于輸水工程的類型、水源、渠道的調蓄能力、渠段長度等的不同，卻不一定使用于另一個工程。需要對多個控制方法進行研究，優選一種最能適合工程的輸水控制方式。

本文以南水北調東線膠東段工程為背景，分析了大型輸水工程的運行控制方式。所優化的控制方式，減弱了長距離輸水控制帶來的時間滯后、擾動的影響。優化的控制方式對于節約電費、減少閘門啟閉次數、削減閘站人力費用等降低輸水成本也具有現實意義。

對于一個實際的長距離調水工程，其輸水調度控制是一個相當復雜的系統工程，大量相關內容還需要根據具體的渠道特性進行分析研究。

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