聶艷華，段文剛，劉 東

（長(zhǎng)江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010）

南水北調(diào)東線工程山東段水量分配方案研究

聶艷華，段文剛，劉 東

（長(zhǎng)江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010）

對(duì)南水北調(diào)東線工程山東段水量調(diào)度方式進(jìn)行了研究，建立了水量分配的概化模型，提出了分配方案編制模型的功能要求，進(jìn)行了模型設(shè)計(jì)，建立了模型與方案編制系統(tǒng)的接口，以及方案編制系統(tǒng)的功能模塊。該模型可以制訂年、月、旬不同時(shí)段長(zhǎng)度的分水口門水量分配計(jì)劃，并將細(xì)化的旬計(jì)劃下發(fā)到實(shí)時(shí)調(diào)度模型。本模塊上與日常業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)銜接，下與實(shí)時(shí)調(diào)度子系統(tǒng)銜接，并可以根據(jù)用水戶的反饋意見滾動(dòng)修正水量分配計(jì)劃。

南水北調(diào)東線工程；山東段；水量分配；調(diào)度

1 基本情況

1．1 工程概況

南水北調(diào)東線一期工程自蘇魯省界進(jìn)入山東省韓莊運(yùn)河，經(jīng)臺(tái)兒莊、萬年閘、韓莊三級(jí)泵站提水進(jìn)入南四湖的下級(jí)湖，經(jīng)下級(jí)湖湖內(nèi)航道及東股引河至南四湖二級(jí)壩，由二級(jí)壩泵站提水進(jìn)入南四湖上級(jí)湖，經(jīng)湖內(nèi)航道進(jìn)入梁濟(jì)運(yùn)河，由長(zhǎng)溝、鄧樓兩級(jí)泵站提水進(jìn)入柳長(zhǎng)河，再由八里灣泵站提水入東平湖（老湖區(qū)），經(jīng)東平湖后，分兩路分別向黃河以北和膠東地區(qū)供水。向黃河北供水線路，經(jīng)穿黃隧洞過黃河，自流進(jìn)入小運(yùn)河至臨清，一期工程向北經(jīng)七一河、六五河進(jìn)入大屯水庫(kù)；向膠東地區(qū)供水線路，由東平湖渠首閘引水，經(jīng)膠東輸水干渠輸水，向濟(jì)南市及其以東的膠東地區(qū)供水。入下級(jí)湖設(shè)計(jì)流量200 m3／s，入東平湖100 m3／s，膠東輸水干線50 m3／s，過黃河50 m3／s。山東境內(nèi)以東平湖為節(jié)點(diǎn)分為南北、東西2大輸水干線，形成“T”字形輸水大動(dòng)脈，干線長(zhǎng)1 191．81 km（見圖1）。

南北輸水干線：自蘇魯省界起，自南至北分為3部分，即魯南輸水干線、穿黃樞紐工程、魯北輸水干線。

東西輸水干線：東西起東平湖渠首引水閘，東至威海市米山水庫(kù)，全長(zhǎng)704．5 km，分為西、中、東3段組成。

1．2 水量調(diào)度控制建筑物

工程水量調(diào)度的基本單元是閘（泵）。全線共布置節(jié)制閘36座，分水閘26座，梯級(jí)提水泵站7座，控制閘13座。

圖1 南水北調(diào)東線山東段路線圖Fig．1 Shandong segment in the east route of South to North W ater Transfer Project

2 水量調(diào)度特點(diǎn)與目標(biāo)

2．1 水量調(diào)度特點(diǎn)

東線山東段輸水方式為泵站提水和自流輸水。東平湖以南輸水干線有7級(jí)梯級(jí)泵站，膠東輸水干線和魯北輸水干線主要為自流。輸水沿線河湖交錯(cuò)，水網(wǎng)復(fù)雜；各類控制建筑物和交叉建筑物眾多；調(diào)水功能與防洪、排澇、灌溉和航運(yùn)等功能相互結(jié)合；已有的跨流域調(diào)水和新增的東線調(diào)水并存且分水口眾多，水量調(diào)度關(guān)系復(fù)雜。

水量調(diào)度不利方面：東線一期工程山東段受水區(qū)點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣，水量調(diào)度運(yùn)行管理任務(wù)繁重，技術(shù)復(fù)雜。

水量調(diào)度有利方面：①水源豐富，供水穩(wěn)定，保證程度高；②多級(jí)水庫(kù)調(diào)節(jié)，調(diào)度較為靈活方便。

2．2 水量調(diào)度目標(biāo)

東線一期工程山東段水量調(diào)度的主要任務(wù)是將有限的水量進(jìn)行科學(xué)合理的分配，然后通過沿線控制建筑物的調(diào)節(jié)，將水量送達(dá)各分水口門。水量調(diào)度總目標(biāo)為：安全、實(shí)時(shí)、適量、高效、經(jīng)濟(jì)［1］。

3 水量分配方案編制

水量分配方案編制主要任務(wù)是建立東線山東段水量分配的系統(tǒng)概化模型。該系統(tǒng)是水量調(diào)度管理從宏觀控制到微觀調(diào)度的過渡層。該模型通過接收水源區(qū)可供水量及受水區(qū)需水計(jì)劃，綜合考慮各方面因素制訂出年、月、旬不同時(shí)間梯度的全線各分水口門水量分配計(jì)劃，并將細(xì)化的旬計(jì)劃下發(fā)到實(shí)時(shí)調(diào)度模型，形成調(diào)度指令［2］，供現(xiàn)地站控制。具體任務(wù)為數(shù)學(xué)概化、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、方案編制、方案管理等。

3．1 水量分配方案編制的原則

南水北調(diào)東線工程水量分配方案編制原則為：①安全高效運(yùn)行；②合理利用有限的水資源；③不超過渠道過流能力；④不超過泵站提水能力；⑤考慮沿線水庫(kù)、河流、湖泊的調(diào)蓄能力；⑥供水效率最大化，供水成本最小化；⑦協(xié)調(diào)各行政區(qū)劃的利益；⑧充分考慮受水區(qū)的氣候、地理特征。

3．2 技術(shù)路線

判別受水區(qū)水量申請(qǐng)是否符合相關(guān)規(guī)定或管理辦法，完成以月為步長(zhǎng)的年度水量分配計(jì)劃；結(jié)合氣候變化特征及冬季輸水特殊要求，完成月水量分配計(jì)劃的適時(shí)調(diào)整；結(jié)合中短期氣象預(yù)報(bào)情況及沿線實(shí)時(shí)水情信息，確定旬水量分配計(jì)劃。冬季冰期時(shí)，按冰期運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)和原則，制訂冰期的水量分配方案。應(yīng)急狀態(tài)下，按應(yīng)急預(yù)案制訂應(yīng)急輸水方案。將水量分配計(jì)劃載入實(shí)時(shí)水量調(diào)度模型，生成實(shí)時(shí)調(diào)度指令。根據(jù)反饋信息（渠道水位流量監(jiān)測(cè)信息、分水口實(shí)時(shí)分水信息等），及時(shí)由水量分配模型進(jìn)行滾動(dòng)修正。水量分配模型的細(xì)部流程如圖2。

3．3 水量分類

東線山東段分配給用戶的水量可分為3類：基本水量、活動(dòng)水量和應(yīng)急水量。

3．3．1 基本水量

基本水量由水源區(qū)可調(diào)水量決定?；舅繉儆谟脩舻幕舅畽?quán)，保證性較高，可依據(jù)長(zhǎng)江干流取水口的徑流量調(diào)節(jié)計(jì)算成果確定，每一年度末，根據(jù)各水源的蓄水情況及對(duì)下一年度的來水預(yù)測(cè)，確定可調(diào)水量。在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)各分水口門以下當(dāng)?shù)厮Y源及調(diào)蓄水庫(kù)情況，結(jié)合年度氣候變化，分區(qū)域（臺(tái)兒莊—東平湖段、膠東段、魯北段）進(jìn)行水量平衡計(jì)算。綜合考慮供水效果及水資源利用情況，確定沿線各分水口門基本供水量的分配。

圖2 年內(nèi)水量分配模型流程Fig．2 Flow chart of the yearly water allocation model

3．3．2 活動(dòng)水量

超出基本水量的調(diào)水量為活動(dòng)水量。活動(dòng)水量隨長(zhǎng)江流域的來水有豐枯變化，并受渠道過流能力限制［1－2］。當(dāng)受水區(qū)需水量小于可調(diào)水量時(shí)，沿線各口門需水均能得到滿足，若受水區(qū)的需調(diào)水量大于可調(diào)水量時(shí)，則需通過研究不同水量分配方案的供水效果，根據(jù)沿線用戶的反饋情況，并經(jīng)過各方協(xié)商提出分配方案。

3．3．3 應(yīng)急水量

應(yīng)急水量主要是在基本水量的保證基礎(chǔ)上，應(yīng)預(yù)留一部分水量作為應(yīng)急水量，在個(gè)別受水區(qū)出現(xiàn)特殊需水量大增的情況下使用。應(yīng)急水量與活動(dòng)水量區(qū)別在于應(yīng)急水量一般情況下是不用的，而活動(dòng)水量則是根據(jù)水量分配計(jì)劃的滾動(dòng)調(diào)整而變動(dòng)的。

3．4 供水優(yōu)先級(jí)

根據(jù)南水北調(diào)東線工程的設(shè)計(jì)目標(biāo)，東線工程增供水量中非農(nóng)業(yè)用水約占68%，第一期工程完成后可滿足受水區(qū)2010水平年的城鎮(zhèn)需水要求。長(zhǎng)江—洪澤湖段農(nóng)業(yè)用水基本可以得到滿足，其他各區(qū)農(nóng)業(yè)供水保證率可達(dá)到72%～81%；第二期工程完成后可滿足受水區(qū)2010水平年的城鎮(zhèn)需水要求，長(zhǎng)江—洪澤湖段農(nóng)業(yè)用水基本可以得到滿足，其他各區(qū)農(nóng)業(yè)供水保證率可達(dá)到76%～86%；第三期工程完成后可基本滿足受水區(qū)2030水平年的用水需求，城鎮(zhèn)需水可完全滿足，蘇皖兩省的農(nóng)業(yè)用水可達(dá)到設(shè)計(jì)保證率。

在水量分配方案的制訂過程中，應(yīng)考慮沿線各受水區(qū)域的供水保證優(yōu)先級(jí)。當(dāng)供不應(yīng)求時(shí)，按分配水量低于需水的指定系數(shù)試算確定虧水分配序列，如虧水序列無法滿足，則削減供水優(yōu)先級(jí)較低單元的分配水量。

根據(jù)供水優(yōu)先級(jí)調(diào)整水量分配計(jì)劃，如圖3所示。

圖3 水量?jī)?yōu)先分配流程Fig．3 Flow chart of priority allocation of water amount

3．5 輸水損失

東線山東段線路長(zhǎng)，輸水過程中由于蒸發(fā)、滲漏等原因引起的輸水損失將不能忽略，但損失估算也是困難的。

水量蒸發(fā)與渠道、水庫(kù)的平面面積、渠道水庫(kù)所在地域的氣候條件、空氣濕度、光照強(qiáng)度及地理地勢(shì)等諸多因素有關(guān)，難以準(zhǔn)確計(jì)算。

渠道運(yùn)行初期，襯砌較為完備，滲漏損失量較小。隨著時(shí)間的推移，出現(xiàn)襯砌老化，結(jié)構(gòu)破壞，滲漏損失將會(huì)加大。沿線地下水位不同、閘站止水差異等會(huì)造成不同的漏水損失量［3］。

此外，冰期輸水中除冰排冰也會(huì)引起水量損失。

綜合上述分析，輸水損失組成復(fù)雜，且對(duì)水量分配方案的制訂至關(guān)重要。建議對(duì)東線工程的輸水損失進(jìn)行原型觀測(cè)，并參考類似工程的經(jīng)驗(yàn)，確定輸水損失系數(shù)。

3．6 分配方案編制

年水量分配方案編制應(yīng)遵循“宏觀控制、微觀調(diào)整、實(shí)時(shí)反饋、滾動(dòng)修正”的原則。月、旬分配方案須按已分配的實(shí)際水量、反饋信息、輸水損失系數(shù)率定值及預(yù)測(cè)信息，進(jìn)行滾動(dòng)修正［4－5］。

根據(jù)東線山東段的實(shí)際情況，分東平湖以南、魯北和膠東3個(gè)部分編制水量分配方案。

3．6．1 年計(jì)劃

實(shí)際運(yùn)行調(diào)度中，上年度末水源區(qū)向調(diào)度中心提供下一年度可供水量預(yù)報(bào)，受水區(qū)用戶根據(jù)當(dāng)?shù)厮摹庀?、生產(chǎn)、生活及水資源狀況制定下一年度用水需求計(jì)劃，并按行政區(qū)劃、分水口門報(bào)送到調(diào)度分中心，調(diào)度分中心按照分水指標(biāo)平衡后上報(bào)調(diào)度中心。調(diào)度中心根據(jù)前期供水和預(yù)留水量，綜合考慮可供水量、用戶用水需求、渠道泵站的過流能力、分水口供水優(yōu)先級(jí)等，與水源公司會(huì)商后制定年度調(diào)水計(jì)劃。年度水量分配的結(jié)果是每月的基本水量和活動(dòng)水量之和。年計(jì)劃編制方法如圖4所示。

圖4 年度水量分配方案編制流程Fig．4 Flow chart of establishing the yearly water allocation plan

3．6．2 月計(jì)劃

在年度水量分配計(jì)劃的基礎(chǔ)上，水源公司根據(jù)水源地的水量預(yù)報(bào)及來水信息，確定當(dāng)月可供水量。受水區(qū)用戶根據(jù)當(dāng)?shù)厮?、氣象、生產(chǎn)、生活及水資源狀況制定當(dāng)月用水需求，考慮工程當(dāng)月檢修及渠道的輸水能力，進(jìn)行月平衡計(jì)算和滾動(dòng)修正，按行政區(qū)劃、分水口門上報(bào)調(diào)度分中心。分中心按照分配指標(biāo)平衡后上報(bào)總調(diào)中心，匯總成月內(nèi)各旬的調(diào)水分配方案。月計(jì)劃編制方法如圖5所示。

圖5 月水量分配方案編制流程Fig．5 Flow chart of establishing themonthly water allocation p lan

3．6．3 旬計(jì)劃

在月調(diào)水計(jì)劃的基礎(chǔ)上，調(diào)度中心根據(jù)旬可供水量、渠道泵站的過流能力，結(jié)合短期水文氣象預(yù)報(bào)，調(diào)整每日供水計(jì)劃和水量分配方案，形成調(diào)度指令。旬計(jì)劃編制方法如圖6所示。

3．6．4 冰期調(diào)度計(jì)劃

在年水量分配方案制定的過程中，應(yīng)考慮山東冬季冰情特征，及黃河干流冬季冰塞、冰壩的處理經(jīng)驗(yàn)、引黃濟(jì)津冬季引水發(fā)生的冰情、南水北調(diào)中線工程冰期輸水研究成果，制訂相應(yīng)冰凌情況下的冬季水量分配方案。

圖6 旬水量分配方案編制流程Fig．6 Flow chart of establishing the ten day water allocation plan

4 結(jié) 語

結(jié)合南水北調(diào)東線山東段的工程特點(diǎn)建立水量分配模型，以水源區(qū)可供水量及受水區(qū)需水計(jì)劃為依據(jù)，綜合考慮各方面因素制訂出年、月、旬的全線各分水口門水量分配計(jì)劃，并將旬計(jì)劃下發(fā)到實(shí)時(shí)調(diào)度模型計(jì)算調(diào)度指令。調(diào)度指令通過調(diào)度系統(tǒng)中其他模塊下發(fā)到現(xiàn)地閘站后執(zhí)行。水量分配模型可為東線水量調(diào)度系統(tǒng)的建立提供參考。

［1］ 劉子慧，劉查整，吳澤宇．南水北調(diào)中線工程調(diào)度方式簡(jiǎn)介［J］．人民長(zhǎng)江，1993，11（2）：16－19．（LIU Zi hui，LIU Cha zheng，WU Ze yu．The Dispatch of the Middle Route Project of S N Water Diversion［J］．Yangtze River，1993，11（2）：16－19．（in Chinese））

［2］ 黃會(huì)勇，毛文耀，范 杰，等．南水北調(diào)中線一期工程輸水調(diào)度方案研究［J］．人民長(zhǎng)江，2010，41（16）：8－13．（HUANG Hui yong，MAO Wen yao，F(xiàn)AN Jie，et al．Study of Water Conveyance Schemes of Phase IWorks of Middle Route Project of South to North Water Diversion［J］．Yangtze River，2010，41（16）：8－13．（in Chinese））

［3］ 楊永生，劉聚濤，李榮?R，等．基于水量分配方案的非汛期水量調(diào)度方案編制［J］．人民長(zhǎng)江，2011，42（15）：9－12．（YANG Yong sheng，LIU Ju tao，LIRong fang，et al．Research on Formulation ofWater Quantity Regulation Scheme in Non flood Season Based on Water Allocation Plan：A Case of Fuhe River Basin in Jiangxi Province［J］．Yangtze River，2011，42（15）：9－12．（in Chinese））

［4］ 董延軍，蔣云鐘，王 浩，等．南水北調(diào)中線水量分配準(zhǔn)市場(chǎng)模型研究［J］．南水北凋與水利科技，2007，5（1）：10－12．（DONG Yan jun，JIANG Yun zhong，WANG Hao，et al．Quasi market Model for Water Allocation in Middle Route of SNWDP［J］．South to North Water Trans fers and Water Science＆Technology，2007，5（1）：10－12．（in Chinese））

［5］ 閏大鵬，王 莉．黑河干流生態(tài)水量調(diào)度方案［J］．人民黃河，2011，33（1）：54－58．（YAN Da peng，WANG Li．A Regulation Plan for Ecological Water Use from the Main Heihe River［J］．Yellow River，2011，33（1）：54－58．（in Chinese））

［6］ 田學(xué)民，解建倉(cāng)，菅玉敏．基于Web的水量調(diào)度系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)［J］．寧夏工程技術(shù)，2009，8（3）：217－220．（TIAN Xue min，XIE Jian cang，JIAN Yu min．Web Based Water Scheduling System Research and Implementa tion［J］．Ningxia Engineering Technology，2009，8（3）：217－220．（in Chinese））

［7］ 李 燕，滕 陽(yáng)．南水北調(diào)中線干線工程水量調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［J］．水利水電技術(shù)，2008，39（5）：82－84．（LI Yan，TENG Yang．Design and Research on Water Regulation System for Mid route of South to North Water Transfer Project［J］．Water Resources and Hydropower Engineering，2008，39（5）：82－84．（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

W ater Allocation M odel for Shandong Segment of the East Route of South to North W ater Transfer Project

NIE Yan hua，DUANWen gang，LIU Dong
（Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

In the present paper，a generalizedmodel ofwater allocation is established to research thewater dispatch in Shandong segment of the east route of South to North Water Transfer Project．The requirements and principles of themodel are proposed，and the functionalmodules of formulating water allocation plans are built．Through this model，in the light of available water supply in the source region and water demand in the receiving region，the yearly，monthly，and ten day water allocation planning at the diversion entrances can be established，and the de tailed planning in a period of10 days can be distributed to the real time dispatchingmodel．Thismodel is connect ed upward with the daily business operation sub system and downward with the real time dispatching sub system．It can also be used to revise the water allocation planning according to feedbacks from water consumers．

east route of South to North water transfer Project；Shandong segment；water allocation；dispatching

TV213．9

A

1001－5485（2013）08－0075－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．017

2013，30（08）：75－78

2013－04－16；

2013－07－02

聶艷華（1983－），男，湖北荊門人，碩士研究生，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究，（電話）18627897189（電子信箱）yuanauy111＠126．com。