調水系統突發斷電情況下應急處置方案研究

張 澤 玉，王 金 山，李 念 平

(1.山東省調水工程運行維護中心，山東 濟南 250100； 2.山東省水利勘測設計院有限公司，山東 濟南 250013)

0 引 言

調水系統在運行中發生系統斷電或某級泵站斷電是泵站系統運行中常見的突發不利情況之一[1]。此時如不采取適當的運行控制方式，明渠段易出現水位驟升、驟降、甚至漫頂溢流的情況，造成渠道破壞[2-3]。管道段產生激烈振動和水錘現象，嚴重時會造成壓力管道開裂，另外水倒流也會對水泵機組造成損傷。

山東省膠東調水工程沿程共設置7級泵站進行提水或加壓，輸水線路由明渠、泵站、暗渠、水閘等多種水工單元構成。其中前3級泵站以明流輸水為主，后4級以管道輸水為主[4]。工程具有距離長、揚程高、管道段地形多起伏、泵站機組調節能力不強等特點，運行條件十分復雜。為確保調水系統的工程安全、運行安全及周邊環境安全，有必要對運行中可能出現的突發斷電情況進行研究，提出可行的運行控制策略，制定相應的泵站及沿程閘站的關閉方案，以消除或減弱突發斷電情況對系統輸水造成的不利影響。

針對輸水系統突發事故情況的運行控制，國內學者曾開展了大量相關研究。如楊開林等對調水工程的水力控制理論及明渠非恒定流解析模型進行了研究[5-8]；樹錦等針對輸水渠道突發水質污染、渠道及交叉建筑物結構破壞等情況，采用Preissmann隱格式差分法[9]進行計算分析，制定了事故段閘門的控制規則[10]；章晉雄以渠道系統模型為基礎，建立南水北調中線渠道的一維非恒定流仿真開發平臺，并對工程調度運行提出了建議[11]；穆祥鵬等[12-13]針對復雜輸水工程的水力控制及事故情況下的水力過渡過程進行了研究。隨著數字三維虛擬現實仿真技術的發展和普及，楊開林[14]、胡孟等[15]、郭新蕾等[16]、崔巍等[17-18]、郭永鑫等[19]、周龍才[20]等研究了輸水工程水力控制過程的數值模擬與虛擬現實的三維仿真技術。

本文以山東省膠東調水工程典型渠段(辛莊泵站～黃水河泵站)為例，搭建一維非恒定漸變流數學模型，對全系統突發斷電、上級泵站突發斷電、下級泵站突發斷電3種情況進行模擬分析，在保證輸水安全的目標下，分析對應的應急處置方案，確定上、下級泵站停機及沿程節制閘關閘最優方案。

1 數學模型

1.1 基本方程

對于明渠段工程，基于一維非恒定流圣維南方程組[1，3-4](Saint-Venant)建立數學模型。

連續性方程：

(1)

運動方程：

(2)

式中：t為時間；x為沿程距離；g為重力加速度；A為過流斷面的面積；R為水力半徑；Q為過流斷面的流量；z為水位；n為渠道糙率；v為過流斷面平均速度；q為單位長度上的側入流量；vqx為側入流在x方向的初速度。

1.2 邊界條件

對輸水渠道幾何形狀不連續或水力特性不連續點進行邊界條件設置，主要包括分水口邊界、倒虹吸邊界、泵站進出水池邊界等，水流經過這些建筑物時流態會變的非常復雜，因此必須根據其水力特性做特殊的處理，通常包含兩個相容條件：①流量連續性條件；②能量守恒條件[3]。

1.3 模型求解

為避免調水過程中流量誤差隨計算時間增加而累積導致的系統不平衡現象，本次研究采用顯式蛙跳格式對明渠漸變流進行數值求解。差分格式如下所述。

1.3.1運動方程的差分格式

(3)

式中：Z0，i+1為i+1斷面的渠底高程；2Δx為i+1斷面與i-1斷面之間的距離差值；2Δt為i斷面處n+1與n-1時刻之間的時間差值。

1.3.2連續性方程的差分格式

(4)

1.3.3整體計算流程

(1) 水深和流速分別在每間隔Δx的斷面上計算，在一個斷面上只求其中之一，并相互錯開。

圖1 計算程序流程Fig.1 Flow chart of calculation program

圖1中，J為時段編號，Jend為最終時段，M為渠段編號，ME為最后一個渠段編號，MES為ME-1。

(3) 計算穩定性條件。顯式蛙跳格式求解的穩定性條件為

(5)

式中，vmax為最大斷面流速，m/s；hmax為最大斷面水深，m。

2 泵站突發斷電情況應急處置研究

本次研究以辛莊泵站～黃水河泵站間渠段為例，對全系統突發斷電、上級泵站突發斷電、下級泵站突發斷電3種情況制定不同的應急處置方案，并根據建立的非恒定流仿真模型對方案的處置效果進行了仿真模擬，最后確定最優的應急處置方案。

2.1 研究區概況

山東省膠東調水工程是遠距離、跨流域、跨區域大型水資源調配工程，是實現山東水資源優化配置的重大戰略性、基礎性、保障性民生工程，是南水北調東線山東“T”字形調水大動脈的骨干工程，工程示意圖見圖2。工程建有灰埠、東宋、辛莊、黃水河、溫石湯、高疃、星石泊7級泵站，其中宋莊分水閘～黃水河泵站段輸水明渠設計流量為22.0～12.6 m3/s，校核流量為29.0～16.4 m3/s。

圖2 山東省膠東調水工程示意Fig.2 Schematic diagram of Jiaodong water diversion project in Shandong Province

辛莊泵站(樁號116+730)設計流量為17.0 m3/s，校核流量為22.1 m3/s，泵站最高凈揚程Hst.max=33.30 m，設計凈揚程Hst.d=32.01 m，最低凈揚程Hst.min=31.66 m；黃水河泵站(樁號159+816.5)設計流量為12.6 m3/s，泵站最高凈揚程Hst.max=67.19 m，設計凈揚程Hst.d=64.39 m，最低凈揚程Hst.min=63.39 m。

辛莊泵站～黃水河泵站段沿程共5座渡槽，有關設計指標見表1。

表1 辛莊～黃水河段沿程渡槽設計指標

2.2 全系統突發斷電應急處置

輸水系統在設計工況運行時，其輸水流量最大，相應的水位較高，該工況穩定運行時全系統斷電是系統出現的最不利情況之一。對設計和運行管理而言，需要確定全系統斷電后沿程是否會出現漫頂或溢流，并制定相應的工程措施或運行控制措施。

2.2.1初始條件設置

以辛莊泵站抽送流量17.0 m3/s，黃水河泵站抽送流量12.6 m3/s，沿程分流3.768 m3/s，滲漏流量0.632 m3/s 的穩定運行狀態作為輸水道內的水位和流量初始條件，突發斷電情況下設定上、下級泵站的總流量在15 s內線性變化到0。

2.2.2應急處置方案

根據實際運行情況，設置沿程不關閘、節制閘緊急關閘、節制閘延緩關閘等4種應急控制方案。

(1) 沿程不關閘。為保證系統安全，考慮分水口處分流流量仍為設計分流流量，以降低輸水道內水位，此時辛莊泵站～黃水河泵站渠段中不同位置最高、最低水位線及典型時刻流量線如圖3所示，斷電約3.0 h后下游出現漫頂現象。圖3中H表示某一斷面的水面高程，Q表示某一斷面的流量，下同。

圖3 沿程不關閘情況下辛莊泵站～黃水河泵站典型時刻沿程水位及流量Fig.3 Flow and water level along the route from Xinzhuang Pumping Station to Huangshuihe Pumping Station at typical times without closing any gates

(2) 節制閘緊急關閘。各節制閘在全系統斷電5 min后開始關閉，關閉用時1 min。各分水口處分流仍為設計分流流量，模擬結果如圖4所示，可以看出因關閘過早過快，在局部渠段(淘金河渡槽)發生漫頂現象。

圖4 節制閘緊急關閘下辛莊泵站～黃水河泵站典型時刻沿程水位及流量Fig.4 Flow and water level along the route from Xinzhuang Pumping Station to Huangshuihe Pumping Station at typical times with control gate emergency closing

(3) 節制閘延緩關閘A。各節制閘在全系統斷電10 min后開始關閉，關閉用時10 min。各分水口處分流仍為設計分流流量，模擬結果如圖5所示，輸水道內無漫頂現象，閘前涌浪也較低，表明該方案可行。

圖5 節制閘在系統斷電10 min后關閘辛莊泵站～黃水河泵站典型時刻沿程水位及流量Fig.5 Flow and water level along the route from Xinzhuang Pumping Station to Huangshuihe Pumping Station at typical times with control gate closed in 10 minutes after power off

(4) 節制閘延緩關閘B。各節制閘在全系統斷電0.5 h后開始關閉，關閉用時10 min。各分水口處仍以設計分流流量分流，模擬結果如圖6所示，輸水道內無漫頂現象，閘前涌浪也較低，表明該方案也可行。

圖6 節制閘在系統斷電半小時后關閘辛莊泵站～黃水河泵站典型時刻沿程水位及流量Fig.6 Flow and water level along the route from Xinzhuang Pumping Station to Huangshuihe Pumping Station at typical times with control gate closed in 30 minutes after power off

2.2.3處置方案模擬成果分析

對4種情況進行模擬仿真，并對此過程中的水位、流量進行分析，以下游渠道不出現漫頂、渠道中排水時間短、系統安全等為目標，確定最優應急控制方案。

由圖3～6可知：全系統斷電后若不采取關閘措施，在斷電后3 h渠段下游會出現漫頂現象，因此必須采取沿程節制閘關閘蓄水以降低下游水位。仿真模擬確定的最佳應急控制方案為：全系統斷電后，各分水口繼續分水，各節制閘在10～30 min后開始關閉，關閉用時10 min。

2.3 下級泵站黃水河泵站突發斷電應急處置

由于渠段的調蓄容積是一定的，當下級泵站停電時，如上級泵站不及時響應，則輸水渠道內將會出現溢流的現象，造成水量損失及突發安全事故。因此，下級泵站斷電停機后，上級泵站必須按一定的方案停機，并及時關閉沿程的節制閘，最大限度地保留輸水渠道內水量。

2.3.1初始條件設置

初始條件與2.2.1節相同，計算開始后，下游黃水河泵站總流量在15 s內線性變化到0。

2.3.2應急處置方案

(1) 方案1。上級辛莊泵站在下級黃水河泵站斷電5 min后開始逐臺正常停機，各機組停機間隔為5 min，停機時單泵流量在15 s內線性變化到0。各節制閘在黃水河泵站斷電10 min后開始關閉，關閉用時10 min，分水口以設計流量分流。由于節制閘關閘時辛莊泵站停泵機組少，泵站流量還較大，在淘金河渡槽內發生了漫頂現象。

(2) 方案2。上級辛莊泵站在下級黃水河泵站斷電5 min后開始逐臺正常停機，各機組停機間隔為5 min，停機時單泵流量在15 s內線性變化到0。各節制閘在黃水河泵站斷電20 min后開始關閉，關閉用時10 min，分水口以設計流量分流。輸水道內無漫頂現象，閘前涌浪也較低，表明該方案可行。

(3) 方案3。上級辛莊泵站在下級黃水河泵站停泵10 min后開始逐臺正常停機，各機組停機間隔為10 min，停機時單泵流量在15 s內線性變化到0。各節制閘在黃水河泵站斷電30 min后開始關閉，關閉用時10 min，分水口仍以設計流量分流。由于關閘時上游辛莊泵站停泵機組少，泵站流量還較大，故在淘金河渡槽內發生了漫頂現象。

(4) 方案4。上級辛莊泵站在下級黃水河泵站停泵10 min后開始逐臺正常停機，各機組停機間隔為10 min，停機時單泵流量在15 s內線性變化到0。各節制閘在黃水河泵站斷電40 min后開始關閉，關閉用時10 min，分水口仍以設計流量分流。輸水道內無漫頂現象，閘前涌浪也較低，表明該方案可行。

2.3.3處置方案模擬成果分析

對4種情況進行模擬仿真(見圖7)，并對全過程的水位、流量進行分析，以渠道不出現漫頂、渠道中排水時間短、最大限度地保留輸水渠道內水量、系統安全等為目標，確定最優應急控制方案。

圖7 黃水河泵站斷電后辛莊站～黃水河站沿程水面線Fig.7 Water level along the route from Xinzhuang Pumping Station to Huangshuihe Pumping Station after power off in Huangshuihe Pumping Station

由圖7可知：辛莊泵站～黃水河泵站段明渠正常運行時上游水位較高，發生斷電情況時在上級泵站流量沒有減小到一定程度之前，上游不能關閘，以防在局部渠段(尤其是淘金河渡槽)發生漫頂現象；但若關閘太遲，渠道中的水會流向下游，導致下游渠段出現過高水位。因此，對上級站停泵時間、沿程關閥時間，以及是否關閉分水口等需要綜合考慮后決策。經過模擬：發生突發斷電時，上級泵站應盡早停機，停機反應時間取5～10 min，逐臺停機時間間隔取5～10 min。為減少流量浪費，上游渠段可在停泵同時緊急關閉沿程各節制閘，并以向泄水口泄水為后備保護方案。

2.4 上級泵站辛莊泵站突發斷電應急處置

對明渠流輸水系統上級泵站斷電后，沿程不放閘，下級泵站繼續運行，按一定的停機水位正常停機情況進行非恒定流仿真，以確定上級泵站斷電后下級泵站停機過程。

2.4.1初始條件設置

系統以穩定狀態運行，設置突發斷電情況，其中黃水河泵站以2，3，4，5，6，7，8，9號機組穩態運行，辛莊泵站流量在15 s內由17.0 m3/s變為0。

2.4.2黃水河泵站停機過程

設黃水河泵站按照其進水池水位進行開停機，停機過程為：6號機組在辛莊泵站斷電后T=10.66 h時停機，5號機組在T=10.84 h時停機，9號機組在T=11.05 h時停機，2號機組在T=11.36 h時停機，8號機組在T=11.89 h時停機，3號機組在T=13.13 h時停機，7號機組在T=15.45 h時停機，4號機組在T=21.22 h時停機。機組流量過程如圖8所示。

圖8 黃水河泵站機組流量過程Fig.8 Flow process of different units in Huangshuihe Pumping Station

2.4.3明渠段典型時刻沿程水位

圖9為辛莊泵站至黃水河泵站明渠段仿真模擬的典型時刻水位線。各線時間間隔為0.5 h，由于沒有采取沿程關閘，最終上游部分明渠段見底。

圖9 辛莊泵站～黃水河泵站典型時刻沿程水位線Fig.9 Water level along the route from Xinzhuang Pumping Station to Huangshuihe Pumping Station

2.4.4沿程不同節點水位(水頭)及流量

辛莊泵站突發斷電情況下辛莊泵站至黃水河泵站明渠段沿程不同節點水位(水頭)、流量過程線如圖10所示，其中T表示不同時間，S=0節點表示該段輸水道起始位置辛莊泵站，S=L/8節點表示該段輸水道總長度的1/8斷面位置，下同。由于沿程沒有關閘，部分渠段見底，未見底部分最后穩定在同一水位。

圖10 辛莊泵站～黃水河泵站不同節點處水位及流量過程線Fig.10 Water level and flow at different nodes from Xinzhuang Pumping Station to Huangshuihe Pumping Station

由圖8～10可知：辛莊泵站突然斷電后，黃水河泵站仍可繼續運行較長時間，該泵站按設定的進水池水位正常停機時系統安全。從模擬結果可見，上級泵站突發斷電停機后，各下級泵站均能正常運行一段時間，然后按設定的進水池水位正常停機。因此，突發停電泵站的下級各泵站都可按設定的進水池水位正常停機。

3 結 論

(1) 全系統突發斷電時，為了減小涌浪，不出現漫頂，沿程各節制閘應及時關閉，但不能過快，一般以斷電后10～30 min后關閉，關閉用時10 min為宜。

(2) 下級泵站突發斷電時，其上級泵站應盡早停機，停機反應時間取5～10 min，逐臺停機時間間隔取5～10 min。為減少流量浪費，上游渠段可在停泵同時緊急關閉沿程各節制閘，并以向泄水口泄水為后備保護方案。

(3) 上級泵站突發停電后，各下級泵站可以繼續運行一段時間，然后按設定的進水池水位正常停機。