劉祥臻

一、南水北調(diào)中線京石段臨時(shí)通水基本情況

南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程自石家莊古運(yùn)河至北京團(tuán)城湖。其中，石家莊古運(yùn)河樞紐至北拒馬河中支南段位于河北省，輸水線路長227.4km，采用明渠輸水；北拒馬河至團(tuán)城湖段位于北京市，輸水線路長80.1km，采用PCCP管道和暗涵輸水。

京石段應(yīng)急工程臨時(shí)通水的任務(wù)是將河北省崗南、黃壁莊水庫、王快水庫的3億m3出庫水量，按北京市的需水要求，安全送入北京。崗南、黃壁莊水庫為串聯(lián)水庫，聯(lián)合調(diào)蓄后由黃壁莊水庫放水，經(jīng)石津干渠連接工程進(jìn)入中線總干渠；王快水庫的水量經(jīng)沙河干渠和連接工程進(jìn)入中線總干渠。南水北調(diào)中線建設(shè)管理局負(fù)責(zé)總干渠輸水調(diào)度運(yùn)行工作。

二、京石段應(yīng)急供水工程調(diào)度運(yùn)行的特點(diǎn)

京石段應(yīng)急供水工程調(diào)度運(yùn)行特點(diǎn)是距離長，控制站點(diǎn)多，分布廣，要求實(shí)行不間斷供水，調(diào)度和控制十分復(fù)雜，任何調(diào)度運(yùn)行的失誤都可能造成嚴(yán)重的后果，輕則引起渠道的水位驟降、驟升，造成渠道襯砌破壞、渠堤滑坡，重則可能導(dǎo)致漫堤等嚴(yán)重影響工程安全的事故。其特點(diǎn)在于：

（1）渠線長，控制建筑物多。長距離調(diào)水工程要將整個(gè)渠道的水流從一種狀態(tài)調(diào)節(jié)到另一種狀態(tài)，并保持穩(wěn)定，是十分困難的。而實(shí)際調(diào)度還要考慮緊急停水（如事故停電、停機(jī)及其他事故），上、下游流量的突然增大或減少等因素，這就需要研究響應(yīng)快、反應(yīng)靈敏的控制方法。

（2）明渠輸水為無壓自流形式，輸水干渠上缺少調(diào)蓄水庫，輸水控制過程的可調(diào)節(jié)能力較差，控制難度也就更大。

（3）京石段工程由于各種原因，部分交通橋未能建成，不得不采取臨時(shí)埋管措施，通水的水位要求應(yīng)淹沒臨時(shí)埋管的進(jìn)口。

（4）南水北調(diào)中線沿線有許多大型倒虹吸，北京段設(shè)有壓管道，控制過程需要考慮有壓管道進(jìn)口淹沒，北京段的暗渠段要避免造成明滿交替流，對控制過程要求較嚴(yán)格。

（5）華北地區(qū)冬季輸水存在冰期輸水的問題，控制不當(dāng)容易造成冰蓋破裂，產(chǎn)生冰塞、冰壩等事故。

三、渠道調(diào)度運(yùn)行控制

渠道運(yùn)行控制是根據(jù)用水戶的需求，通過改變一系列節(jié)制閘的狀態(tài)，適時(shí)適量將水送到用戶的過程。控制動(dòng)作與渠道水力學(xué)響應(yīng)密切相關(guān)，在保證水位變率不超過允許值前提下，力求將用戶需要的水量通過逐渠段水體傳遞，迅速送到用戶的取水口。

1.輸水調(diào)度控制建筑物

京石段應(yīng)急供水工程共設(shè)計(jì)有16座節(jié)制閘，其中15座節(jié)制閘均可參與調(diào)度運(yùn)行；由于調(diào)水流量小于20m3/s,惠南莊泵站不參與調(diào)度使用；共有13座退水閘，只在事故工況下使用；20座分水閘不參與調(diào)度，水量全部通過團(tuán)城湖末端閘進(jìn)入團(tuán)城湖；河北段渠道內(nèi)有5處設(shè)有臨時(shí)埋管的渠段；應(yīng)急段臨時(shí)通水期間，在不影響輸水安全的前提下，為了簡化調(diào)度過程，增強(qiáng)調(diào)度的可靠性，適當(dāng)減少參與調(diào)度控制的節(jié)制閘數(shù)量。在滿足臨時(shí)埋管進(jìn)口淹沒要求的前提下，可減少4座節(jié)制閘參與運(yùn)行。

2.渠道運(yùn)行控制方式

渠道輸水可以采用不同的運(yùn)行控制方式，不同的方式有不同的渠道水流穩(wěn)定特性。渠道采用何種運(yùn)行方式，需要根據(jù)輸水工程的具體條件、輸水要求、經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行取舍?？紤]到中線工程渠道長，增加渠堤高度會(huì)大量增加工程量，下游常水位能夠滿足供水的要求，不需要額外超高，工程量省，因此中線工程總干渠選用下游常水位（即閘前常水位）方式作為渠道的運(yùn)行控制方式。

3.渠道運(yùn)行約束條件

約束條件就是水流特征要素（水位、流速、流量等）變化時(shí)必須受到的限制。

（1）在流量變化的過渡過程中，水位在一定幅度內(nèi)波動(dòng)，但不能高于超高值（暫定為設(shè)計(jì)水位以上0.5m），并盡快達(dá)到控制水位。

（2）水位的降落速度不能突破設(shè)計(jì)允許值，因?yàn)檫^快的水位降落可能導(dǎo)致渠道邊坡失穩(wěn)破壞，南水北調(diào)中線干線工程按每天水位降幅不大于0.3m考慮。

（3）調(diào)節(jié)過程中不使用退水閘。

4.閘前常水位的確定

（1）非冰期目標(biāo)水位

通常情況下，取閘前設(shè)計(jì)水位為渠道非冰期目標(biāo)控制水位。根據(jù)水量調(diào)度成果，此次應(yīng)急段臨時(shí)通水最大流量設(shè)計(jì)過流能力小很多，適當(dāng)降低目標(biāo)控制水位仍能滿足渠道過流能力要求；此外，渠道正常輸水前需要預(yù)先向渠道中充水，降低各節(jié)制閘前目標(biāo)控制水位可減小充水體積，有利于縮短充水過程。工程運(yùn)行初期，低水位運(yùn)行也較為安全。所以，在保證運(yùn)行安全的情況下盡量降低目標(biāo)控制水位。但閘前目標(biāo)控制水位不可降得過低，主要受以下因素制約：

①閘前目標(biāo)控制水位必須滿足渠道過流能力的要求。

②總干渠上的部分有壓建筑物（暗涵、PCCP管、臨時(shí)埋管等）進(jìn)口需低于水面。

③由于總干渠上存在5座臨時(shí)埋管建筑物，水頭損失較大，需要復(fù)核恒定流非均勻流水面線，以滿足閘門正常過流的要求。

考慮以上因素，將河北段內(nèi)閘前目標(biāo)控制水位較設(shè)計(jì)水位降低0.47～1.68m。

（2）冰期目標(biāo)控制水位

冰期目標(biāo)控制水位（或蓄水量）較正常時(shí)期高。因?yàn)榻Y(jié)冰以后，輸水?dāng)嗝娣e較正常時(shí)期減少，濕周增加，過水能力減小，容易產(chǎn)生冰塞、冰壩，造成嚴(yán)重的后果。京石段應(yīng)急供水工程冰期目標(biāo)控制水位一般比非冰期目標(biāo)水位相應(yīng)高20～50cm。

5.節(jié)制閘閘門調(diào)節(jié)控制規(guī)則

節(jié)制閘閘門調(diào)節(jié)控制規(guī)則的關(guān)鍵參數(shù)是相鄰節(jié)制閘流量變化的速率、節(jié)制閘動(dòng)作的起始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間（以下簡稱“控制參數(shù)”）?？刂茀?shù)與節(jié)制閘下目標(biāo)水位降幅、目標(biāo)蓄水體積變幅、水位允許降速等因素密切相關(guān)，而且每一個(gè)渠段的控制參數(shù)對上下游相鄰渠段的控制參數(shù)均會(huì)產(chǎn)生影響。初始控制方案就是根據(jù)不同的流量改變值、不同的目標(biāo)水位、不同的工況、不同的目標(biāo)蓄水體積等，確定上述的控制參數(shù)。然后每隔1小時(shí)（未穩(wěn)定）或4小時(shí)（基本穩(wěn)定）讀報(bào)閘前、后水位；由水位、流量計(jì)算閘門開度；當(dāng)由流量變化值計(jì)算的閘門開度調(diào)節(jié)量小于最小開度變化值時(shí)，閘門開度不變；當(dāng)大于最小開度變化值時(shí)，才對閘門開度進(jìn)行調(diào)整，并且開度的調(diào)整按閘門運(yùn)行速度盡快完成。

四、緊急狀態(tài)下的閘門操作

1.緊急狀態(tài)下閘門操作的約束條件

緊急狀態(tài)下閘門操作的約束條件不考慮水位降落速度的約束。因?yàn)樵诰o急狀態(tài)下，首要的是盡快切斷水流。雖然快速關(guān)閉可能會(huì)引起渠道襯砌的局部破壞，但與重大事故擴(kuò)散相比，按照“兩害相權(quán)取其輕”的原則處理。

此外，在緊急狀態(tài)下不考慮“水位盡快恢復(fù)到控制水位”、“不使用退水閘”這兩個(gè)約束條件。這是因?yàn)?，要利用渠道的超高存貯多余的水量，沒有必要恢復(fù)到控制水位狀態(tài)。緊急關(guān)閉完成后，一般渠段下半段的水位將高于設(shè)計(jì)值。當(dāng)渠道超高容不下多余水量時(shí)，就要啟動(dòng)退水閘退水。緊急關(guān)閉時(shí)，退水常常難以避免，尤其是大流量輸水遇突發(fā)事件緊急關(guān)閉時(shí)。

2.緊急狀態(tài)下閘門操作規(guī)則

（1）需緊急關(guān)閉的節(jié)制閘，應(yīng)在20分鐘內(nèi)關(guān)死。

（2）緊急關(guān)閉閘上游各閘時(shí)應(yīng)同時(shí)開始關(guān)閉，但關(guān)死的時(shí)間依次滯后30分鐘，以盡量減小水位下降速度。

（3）閘前水位超設(shè)計(jì)+0.5m。

本渠段有退水閘，退水流量定為初始流量的80%來確定開度；本渠段無退水閘，節(jié)制閘開啟至80%的初始流量；上述退水流量或節(jié)制閘回開流量，一直維持到水位回到設(shè)計(jì)水位以下，以避免閘門跳動(dòng)。

五、結(jié)語

南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程通水調(diào)度結(jié)合工程特點(diǎn)和通水的實(shí)際情況，優(yōu)化參與調(diào)度閘站數(shù)量，采取閘前常水位的輸水調(diào)度控制方法，確定了冰期和非冰期目標(biāo)水位，建立了正常輸水和緊急情況下閘門操作的程序，有效地進(jìn)行水位控制。實(shí)踐證明京石段應(yīng)急供水工程臨時(shí)通水調(diào)度運(yùn)行平穩(wěn)有序，確保了臨時(shí)通水安全、可靠、優(yōu)質(zhì)調(diào)度運(yùn)行