自流型渠道流態主動控制技術研究

趙天宇，吳同強，張翼鵬

（南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南250109）

南水北調東線山東段工程全長1 191 km，分為南北、東西兩大輸水干線，形成“T”字形輸水大動脈，東西輸水干線自東平湖渠首閘起，自西向東一路自流，干線長704 km，沿線新建節制閘及倒虹涵閘作為控制節點進行流態調控，設計流量50 m3/s，加大流量60 m3/s，形成梯級平穩流態，確保干渠沿線各受水單位的分水口引水安全，穩定可靠。自2013 年11 月15 日南水北調東線山東段工程正式通水以來，經濟效益、社會效益、生態效益顯著，對山東省社會經濟的可持續發展具有重大的戰略意義。

1 自流型渠道調度運行現狀

1.1 現有調度計算方法

自流型渠道調度運行管理要求渠道內水位保持梯級平穩流態，以保障運行安全、降低運行成本為基本原則進行科學調度，在運行期盡量避免不必要的流量增減及大范圍閘門調控。自正式通水以來，現場管理局及管理處根據所轄工程實際情況，逐漸摸索出三種較為實用的閘門開度計算方法，并在歷年通水任務中進行反復調整和細化，但尚未完全形成一套具有統一理論和標準的調度控制技術，仍需要進一步研究和提升。

1.1.1 經驗公式計算方法

濟南局濟東渠道管理處于“2013-2014 年度第二階段供水任務”期間率先提出并使用“淹沒出流經驗公式”計算方法作為閘門調控測算依據，同步開展了與率定經驗公式中變量值取值范圍相配套的水情整理分析工作，根據研究數據率先提出了“唯一變量”經驗公式概念，并形成了相關的論文成果。

2019 年，南水北調自動化調度運行管理系統項目中委托黃委設計院對南水北調東線山東段工程自流型渠道進行了“單閘模型”研究，根據工程特點明確了“唯一變量”經驗公式的計算理論依據，并進一步簡化了經驗公式為：

1.1.2 比例分析測算方法

南水北調東線山東段工程在2020 年之前采取“三級調度、三級管理”調度運行模式，在實際調度運行值班工作中，受人力資源所限，各管理局及管理處普遍采取全員調水值班方式，專業人員與業余人員交替混雜著開展調水工作，存在諸多不便與隱患。這一模式在2020 年后優化為了“二級調度、三級管理”，將專業人員集中于二級調度的分調中心，以管理局所轄工程為單位集中調度管理，大幅提升了調度水平的專業性，進一步保障了工程調度運行安全可靠。

濟南局濟東渠道管理處研究編制了“濟東渠道段工程閘門開度與水深流量關系對應細分表”（詳見表1），該表研究制定了濟東渠道管理處所轄工程在單一流態下各控制節點水情的對應關系，在日常調度運行值班工作中為非專業人員提供了保障性參考依據，切實提升和保障了調度運行安全。

表1 濟東渠道段工程閘門開度與水深流量關系對應細分表

1.2 存在的主要問題及建議

1.2.1 唯一變量公式未測算μ 值單閘邊界范圍

“唯一變量”的單閘模型計算公式，目前尚處于通用階段，計算誤差較大，需要根據歷史水情數據和單閘流量監測確定每座閘站變量μ 的取值范圍，并進一步關聯每座閘站μ 的變化聯系，才能真正具備應用水平。建議組建專題研究課題組，對每座閘站變量μ 值的邊界范圍取值方法進行試驗設計并實施，將現有通用公式進一步細化為“單閘唯一變量公式”。

1.2.2 比例分析測算僅適用于單一流態

比例分析測算方法在階梯級平穩流態小流量微調時具有較高的便利優勢，例如流量變化小于10 m3/s 時，僅對渠首閘進行測算達到預期調整后流量后，按增減變化開度與原開度的比例關系便可以粗算其他各閘門的調整幅度，進一步可以推算總結出各閘門在固定流態下的閘門開度與流量比例關系，最終形成如表1 一樣的對應細分表。但是該方法具有很大局限性，閘門開度與水深流量關系對應細分表成立的前提是同一流態不變，若是出現短時間內反復小流量微調時，將會使流態誤差倍增，最終無法套用原比例對應關系，只能通過短時間內部分水位超限增減強行恢復初始流態，或者待平穩后重新建立新比例關系的方式率定解決。

2 主動控制流態方式方法

2.1 主動控制流態的技術要素

2.1.1 理論計算

通過使用“淹沒出流經驗公式”或“唯一變量經驗公式”粗算單座閘門在不同流量時閘門的上下限范圍，由于粗算誤差較大，為避免上下限范圍過多重疊，可設計為每增加5 m3/s 的流量進行一次計算，計算結果將用于分析不同平穩流態時各閘門開度的邊界范圍取值。

2.1.2 流態分析

當自流型渠道渠首閘流量計至渠道末端流量計連續對應平穩3 d 以上，且期間沒有任何閘門調整的情況下，可以將此期間內的流態視作為該流量下的一種平穩流態，并可以提取其進入流態數據集進行下一步優化篩選。

2.1.3 最優流態篩選

最優單一流態主要根據設計流量、設計水深以及歷年平均流量三項參數進行篩選，在設計流量以內提取平穩流態時，要同時優先選擇瞬時流量與歷年平均流量基本相同，以及各閘閘前水深均處在設計水深時的水情資料。由這種流態下分析統計出來的各閘站閘門開度與流量對應關系，在日常微調中最為穩定。

2.2 流態設計

通過滿足主動控制流態技術要素篩選而出的最優流態，局部渠段也可能存在不科學、不經濟等問題，特別是沿線分布有分水口的渠段，存在分水與不分水兩個狀態的局部最優流態。此時將通過流態設計將整體最優流態下的局部進行二次設計優化，形成以整體最優流態為基礎的不同局部最優流態方案，根據實際分水情況選擇對應整體最優流態控制。

2.3 選定特殊調蓄控制節點方法

在自流型渠道供水運行過程中，受沿線分水口設備故障及臨時停電檢修等影響，會出現以小時或天為單位的短時間增減微調流量，一般這種小流量變化幅度在5 m3/s 左右。由于微調具有變化流量小，微調后間隔時間不長便需恢復變化前流量的特點，所以在分水口上游選定2～3 段渠段作為特殊調蓄控制節點，以不節制低水位運行控制，當有需要時再進行節制逐漸增加槽蓄量提高閘前水位，可以避免因小流量短時期微調造成的全線閘門開度調整。待分水口恢復流量后，特殊調蓄控制節點逐步恢復至不節制低水位運行狀態，讓多余水量以誤差級別穩定緩慢消減，即可以最小的調度規模應對小流量短時期微調。

3 結 語

南水北調東線山東段工程正式通水以來，歷經7 個調水年度，已積累大量珍貴的水情數據。通過流態設計和主動控制自流型渠道流態，可以更加科學、精準、節省的進行閘門調整，對南水北調自流型渠道調度運行規范化、標準化、精細化具有重要意義。