劉 偉

(山東省膠東調(diào)水工程膠州管理處，山東 膠州 266300)

遠(yuǎn)距離調(diào)水工程的調(diào)度運(yùn)行探究

劉 偉

(山東省膠東調(diào)水工程膠州管理處，山東 膠州 266300)

本文細(xì)致分析了遠(yuǎn)距離調(diào)水調(diào)度運(yùn)行過程中水位波動，并給出了相關(guān)水容量表，闡述了冰期輸水主要注意事項，自動化控制水位的模擬輸水的方便性、經(jīng)濟(jì)性、安全性。還介紹了閘門和泵站的自動控制的三種方法：上游定水深控制、等容積控制、控制容積法，給讀者一些調(diào)度工作的借鑒。

遠(yuǎn)距離;調(diào)水工程;調(diào)度;探究

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.008

世界上有很多成功的調(diào)水工程案例，為人們帶來了許多益處。然而調(diào)水工程龐大復(fù)雜，尤其是遠(yuǎn)距離的調(diào)水工程，其安全性、科學(xué)性、合理性均會對生態(tài)環(huán)境有較大影響，不合理的運(yùn)行會為人民帶來財產(chǎn)損失，甚至?xí)绊懮踩?。本文以引黃濟(jì)青工程為例，在調(diào)度運(yùn)行方面進(jìn)行一些初步的探討。

1 運(yùn)行原則

1.1 安全性

遠(yuǎn)距離調(diào)水涉及多個環(huán)節(jié)，每一個環(huán)節(jié)都會對工程的安全性造成影響，例如水質(zhì)受到污染、渠道被損壞、出現(xiàn)漫堤等現(xiàn)象，這些都會給調(diào)度工作帶來安全隱患。因此，調(diào)度中心與各級執(zhí)行部門要按照統(tǒng)一指令，協(xié)調(diào)調(diào)度，禁止各級各部門各自為政，不按指令執(zhí)行工作;為使渠道穩(wěn)定，操作員應(yīng)根據(jù)上級調(diào)度中心下達(dá)的有關(guān)指令嚴(yán)肅認(rèn)真執(zhí)行，不得懈怠，不得私自調(diào)節(jié)閘門和開停機(jī)。

1.2 經(jīng)濟(jì)性

遠(yuǎn)距離調(diào)水工程耗資巨大，因此，整個提水系統(tǒng)應(yīng)選擇最優(yōu)方案，選擇資金耗費低且合理的調(diào)度方案。當(dāng)系統(tǒng)處于最優(yōu)運(yùn)行環(huán)境，對每一個泵站來講，也許不是最經(jīng)濟(jì)的，從而會降低方案的經(jīng)濟(jì)性效益。但調(diào)度應(yīng)著眼全局，從系統(tǒng)出發(fā)，局部服從整體的原則;科學(xué)合理控制棄水;控制開停機(jī)的次數(shù)，延長泵站機(jī)組壽命。

1.3 自動化調(diào)度

利用計算機(jī)操作運(yùn)行，實現(xiàn)泵站和閘站的自動化調(diào)度工作，能有效減少機(jī)組和設(shè)備的損傷，使控制更加精準(zhǔn)，節(jié)約費用。

2 調(diào)度運(yùn)行探究

現(xiàn)將國內(nèi)部分著名的調(diào)水工程列舉如表1。

表1 國內(nèi)著名的跨流域調(diào)水工程

2.1 參數(shù)的測定

在輸水環(huán)節(jié)，對渠系的實際值進(jìn)行記錄，掌握和設(shè)計參數(shù)存在的差距。這些參數(shù)有輸水糙率參數(shù)、過流系數(shù)數(shù)據(jù)、渠道滲漏量、泵站的特性曲線和過流量等。

2.2 水位波動的限制

水位波動情況會帶來安全問題，因此，需嚴(yán)格限制和管控。渠道經(jīng)過混凝土或土質(zhì)的襯砌，水質(zhì)流經(jīng)這些渠道，會造成過快的水位下降，從而導(dǎo)致渠壩的滑坡，受水的壓力造成防滲薄膜的損壞。因此，應(yīng)根據(jù)渠道自身各部分的情況進(jìn)行水量承受能力的測算，根據(jù)美國的有關(guān)研究結(jié)果表明，≤0.15m/h的水位降速，連續(xù)2h內(nèi)≤0.30m，全天≤0.45m的降速，最適合于土渠與薄膜襯砌渠，而其它填方渠道以及排水效果較優(yōu)的渠段，水位降速可適當(dāng)大些。對于分水口渠道，應(yīng)限制水位的升速，以免造成巨大的流量沖擊。不同運(yùn)行調(diào)度控制方式下，各渠段水位調(diào)度區(qū)間的最大水位差比較表，如表2所示。

表2 各渠段水位調(diào)度區(qū)間的最大水位差比較表

2.3 自動控制研究

1.教學(xué)計劃的調(diào)整是培養(yǎng)學(xué)生的藍(lán)圖，是教學(xué)工作的總體要求，制定好的計劃是確保教學(xué)質(zhì)量的中心環(huán)節(jié)。開課前，要求專業(yè)課老師制定出課程計劃，在充分了解學(xué)生的基本情況下，實事求是地對課程計劃作相應(yīng)的調(diào)整，使課程設(shè)置體現(xiàn)出針對性和適應(yīng)性。對“從事教師行業(yè)”的師范生在專業(yè)課上要重點培養(yǎng)，對“從事其他行業(yè)”的師范生可適當(dāng)降低要求，做到重點突出，層析分明；為適應(yīng)將來工作需要，注意強(qiáng)化手段，拓寬專業(yè)面，學(xué)習(xí)主體的橫向內(nèi)容廣泛，把橫向的綜合知識和縱向的點面知識組合起來。

運(yùn)用監(jiān)測的相關(guān)水流量數(shù)據(jù)，在控制算法下達(dá)到對閘門和泵站的自動控制。通常用到的方法有下游、上游定水深控制，等容量、控制容量法和流量(Q)控制等方法。下游定水深控制即在渠道下游支樞點對水位進(jìn)行恒定(如圖1)。它對多數(shù)的渠道均是適用的，特別被應(yīng)用于中小渠道，其優(yōu)點是水流量按照最大來衡量，這樣水位深度就不會比預(yù)設(shè)的流量更深，而棱柱體的渠道尺寸是最小的，以便減省建設(shè)費。缺點是不能對下游渠道的用水情況進(jìn)行反應(yīng)，體現(xiàn)出較差的渠道調(diào)節(jié)能力。這種控制法最適合用于供水型渠道，能高效體現(xiàn)出其經(jīng)濟(jì)效益性。

圖1 下游定水深控制

上游定水深控制(如圖2)，這和前一種控制方法的支樞點相反，它將支樞點設(shè)計在渠道上游，功能也就是控制上游渠道的水深。優(yōu)點:利用渠道的水位的蓄量情況進(jìn)行下游蓄水情況進(jìn)行調(diào)整，隨時滿足水量需求。缺點是由于允許零水流量，為了測量水面線，因此，渠道岸被要求保持水平的，從而加大了渠岸的建設(shè)費。

圖2 下游定水深控制

等容積控制(如圖3)和前面兩種控制方式一樣，和支樞點的位置有關(guān)，這里是將支樞點設(shè)計在渠道的中點，顧名思義，即是在中點對水位進(jìn)行恒定的控制方法。中點水位的取得是通過測量上游和下游的水位，然后將兩水位線性化。相比前面兩種方法，此方法針對小于中點的渠案建成水平，費用介于前兩種方法，反應(yīng)需水狀況迅速，常用lBvAL算法。

圖3 等容積控制

控制容積法是將少量的一個或者幾個渠段進(jìn)行蓄水量控制，從而掌控全部渠道?，F(xiàn)階段，我國的大型工程試驗中較成功，是一種新控法。優(yōu)點是可同時對多個閘門進(jìn)行操控，使水位很快就恢復(fù)到預(yù)期的目標(biāo)值，在模擬實驗中，其恢復(fù)的速度高于其他控制法10倍以上;操控靈活，對正常預(yù)期和非預(yù)期的情況下均能實現(xiàn)快速控制，對水位的降幅也有了限制;控制方案有可選擇的余地，將渠道槽蓄的調(diào)節(jié)功能充分運(yùn)用起來，能對高峰期的抽水進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而降低了成本。缺點是需要對工程建立全線監(jiān)控。

2.4 冰期輸水分析

冰期輸水主要是針對北方明渠。在冰凍期，北方的明渠一般要通過冰層下層進(jìn)行輸水，這減小了過水?dāng)嗝婧洼斔俊Ｊ鼙鶅鲇绊?，對閘門操控有特殊的操作技巧和要求，若不能正確操作，將會引起冰層破裂，造成冰凍堵塞，或者形成冰壩，漫堤等，損壞建筑設(shè)施事故。對冰期輸水進(jìn)行可行性方案研究，調(diào)度運(yùn)行原則總結(jié)如下。

(1)統(tǒng)一調(diào)度。根據(jù)我國當(dāng)前成功運(yùn)行的工程經(jīng)驗總結(jié)，在冬季，進(jìn)行高水位、滿負(fù)荷的調(diào)度運(yùn)作，不能任意開機(jī)，否則將造成渠道下游水流量的暴增，引起漫堤，或者會撐破冰蓋，當(dāng)散落的冰塊流動，就會形成冰塞，而泵站的上游水位非正?？焖傧陆担矔斐商けF(xiàn)象，將嚴(yán)重破壞泵站渠道。也不能突然停機(jī)，否則會帶來相同的破壞事故。

(3)嚴(yán)格控制閘門，將水位進(jìn)行抬高，從而將冰蓋下的過水面增大，避免冰蓋不利于輸水。

(4)切忌在低水位停水。

(5)禁止突然分水，否則會降低下游水位，破壞冰蓋。

(6)忌驟增驟減水量，否則會在頃刻間將水位升降，造成渠道冰塞。

2.5 模擬輸水過程

模擬輸水過程是對已竣工的工程進(jìn)行調(diào)度試運(yùn)行的檢驗，以檢測調(diào)水過程中存在的問題，一旦檢測到問題將進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整。通常的方案一是直接測試，但耗費成本，二是物理模型試驗，成本也很高，三是電子模擬方案稍微好些，但成本仍然較高，四是現(xiàn)代化的數(shù)字模擬方案，這是最經(jīng)濟(jì)最易操作的方案，成本較低。數(shù)字模擬通過計算機(jī)利用有限差分法實現(xiàn)的，能實現(xiàn)對正常和異常情況中運(yùn)行的模擬，并且能夠自動化的控制算法。假設(shè)溝渠如圖4所示。

圖4 仿真渠道示意圖

其中主干渠的長度為17km，設(shè)有倒虹吸以及水泵站、閘門，北干渠的長度為21.5km，南干渠的長度為8.5km，渠道粗糙率為0.02，主干渠前8km為邊坡，底部的寬度為12Km，底部的寬度為10.8m?？梢詫⒑恿鬟M(jìn)行節(jié)點的劃分，其中主干渠占據(jù)了1～47個節(jié)點，后續(xù)的21個節(jié)點為北干渠，而18個節(jié)點為南干渠。溝渠上的建筑物的分布如圖5所示，主干渠中兩個閘門的開度為0.8m和0.9m，南干渠中閘門的開度為0.9m，北干渠的閘門的開度為0.8m，如果在上述的情況下，水泵站中的3臺機(jī)器出現(xiàn)停車故障，在這個過程發(fā)生之后將閘門的開度減小0.3m，然后對結(jié)點水流的變化進(jìn)行了仿真的結(jié)果，如圖6所示。

圖5 第8節(jié)點處水位變化

圖6 第19結(jié)點水位變化

2.5.1 正常輸水情況下的研究

對于正常輸水來講，要求在輸水期間輸水應(yīng)符合各項這幾指標(biāo)，輸水狀態(tài)要正常，水流量和速度應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)，以免造成破壞。

2.5.2 緊急情況下的研究

在輸水運(yùn)行中，調(diào)度工作要對停電情況、設(shè)備出現(xiàn)意外的情況進(jìn)行預(yù)備應(yīng)對方案，并對有關(guān)損壞進(jìn)行分析研究。當(dāng)進(jìn)行緊急關(guān)閘后，應(yīng)對水位的波幅進(jìn)行研究，觀察其是否會超過初砌位置，而對于水位降速要求可取消限制。在水道水流量變化之后，緊急情況下水位和水流的仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

TV68

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1672-2469(2016)08-0021-03

2015-12-10

劉 偉(1982年—)，男，工程師。