李夢(mèng)軒 田雨 雷曉輝

摘要：引江濟(jì)淮工程是一項(xiàng)溝通長(zhǎng)江、淮河兩大水系的跨流域、跨區(qū)域重大戰(zhàn)略性水資源配置工程和綜合利用工程，其中西淝河線承擔(dān)著淮北渦河以西和河南省受水區(qū)的供水任務(wù)。為了使受水區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水和居民生活用水得到保障，以及為了確保泵站群的正常運(yùn)行，用MIKE11模型建立了一維水力學(xué)模型，對(duì)西淝河線梯級(jí)泵站進(jìn)行非恒定流數(shù)值模擬。分別研究了各泵站間的正/反向響應(yīng)時(shí)間和應(yīng)急停泵工況下區(qū)間水位超出限制范圍的最長(zhǎng)時(shí)間，從而得到了最大調(diào)控可允許間隔（響應(yīng)時(shí)間）。在此基礎(chǔ)上，分析了響應(yīng)時(shí)間與初始水位的關(guān)系，得到了各泵站在停機(jī)事故下的最大調(diào)控可允許間隔表，并提出了泵站正常運(yùn)行中的注意事項(xiàng)。分析研究結(jié)果具有實(shí)用性和借鑒價(jià)值，可為工程調(diào)控方案的制定提供參考和科學(xué)依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：

事故停泵; 應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間; 水力學(xué)模型; 梯級(jí)泵站; 引江濟(jì)淮工程

中圖法分類號(hào)： TV43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.034

引江濟(jì)淮工程是溝通長(zhǎng)江、淮河兩大水系的跨流域、跨區(qū)域重大戰(zhàn)略性水資源配置工程和綜合利用工程。其中的江水北送段西淝河線對(duì)渦河以西及河南省受水區(qū)的供水至關(guān)重要。該線由五級(jí)泵站組成，區(qū)間無蓄水建筑物，水位受流量變化影響大。若不考慮滯后響應(yīng)時(shí)間和最大調(diào)控可允許間隔（響應(yīng)時(shí)間），則會(huì)影響調(diào)度時(shí)機(jī)，降低供水保證率;或變工況時(shí)水位波動(dòng)大，影響正常運(yùn)行，造成經(jīng)濟(jì)損失。響應(yīng)時(shí)間的確定可為應(yīng)急工況和大流量變化的正常工況下的調(diào)控方案制定提供參考。響應(yīng)時(shí)間在南水北調(diào)入密云水庫(kù)工程中應(yīng)用較廣：比如鄭和震等[1]通過建立流量-水位-蓄量關(guān)系得到了水位-時(shí)間變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出了控制策略;雷曉輝等[2]、吳輝明等[3]計(jì)算出了各泵站的調(diào)控流量和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了梯級(jí)泵站節(jié)能;盧龍彬等[4]在對(duì)糙率的影響進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，開展了停泵事故模擬分析。

響應(yīng)時(shí)間的確定也可為梯級(jí)泵站群經(jīng)濟(jì)優(yōu)化提供邊界條件。比如，針對(duì)南水北調(diào)入密云水庫(kù)工程，吳怡[5]、鄭和震[6]、吳輝明[3]、劉波波[7]以響應(yīng)時(shí)間為控制約束，結(jié)合分時(shí)電價(jià)和運(yùn)行效率分別進(jìn)行了旬和日優(yōu)化調(diào)度以及梯級(jí)流量揚(yáng)程優(yōu)化;此外，王敬[8]、黃會(huì)勇[9]、桑國(guó)慶[10]等在泵站群輸水系統(tǒng)優(yōu)化、水量調(diào)度模型研究等方面將響應(yīng)時(shí)間作為了邊界之一。

本文對(duì)引江濟(jì)淮工程西淝河線的運(yùn)行工況進(jìn)行了細(xì)化，能涵蓋大部分正常運(yùn)行時(shí)的水位區(qū)間。在此基礎(chǔ)上研究了響應(yīng)時(shí)間，并給出了各泵站停機(jī)事故下的響應(yīng)時(shí)間推薦表和泵站運(yùn)行建議。

本文借助于MIKE11軟件進(jìn)行一維水力學(xué)建模。MIKE11軟件在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用十分廣泛，比如，吳天蛟等[11]和Niranjan Pramanik等[12]運(yùn)用MIKE11分別進(jìn)行了三峽庫(kù)區(qū)和印度東部婆羅門尼河流域三角洲河段的洪水演進(jìn)模擬;許春東等[13]運(yùn)用該軟件進(jìn)行了河道糙率靈敏度分析;Panda[14]、Jouzdani[15]、Cox[16]、Ermolaeva等[17]利用MIKE11模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等其他模型進(jìn)行耦合、對(duì)比，均證明了MIKE11的模擬能力。

1 研究區(qū)域

引江濟(jì)淮工程主要任務(wù)是向安徽省沿淮及淮北地區(qū)補(bǔ)充水源，并為向河南省的商丘、開封和周口地區(qū)相機(jī)供水創(chuàng)造條件。供水范圍涉及安徽省9個(gè)市和河南省3個(gè)市。主體工程分為三大段：引江濟(jì)巢段（引長(zhǎng)江水補(bǔ)給菜子湖、巢湖流域）、江淮溝通段（將長(zhǎng)江水輸送至淮河）、江水北送段（將長(zhǎng)江水送至淮北）。

本次研究對(duì)象為引江濟(jì)淮工程江水北送段西淝河線（安徽段）河段：自西淝河站上的淮河口起，沿途經(jīng)西淝河站、闞疃南站、西淝河北站、朱集站、龍德站，最終抵達(dá)皖豫省界，全長(zhǎng)185.5 km。上游起點(diǎn)為淮河，常水位為17.4 m，下游終點(diǎn)省界處為練溝河倒虹吸，設(shè)計(jì)水位為30.9 m，設(shè)計(jì)流量為45 m3/s。

由于設(shè)計(jì)水位為最大設(shè)計(jì)流量下運(yùn)行的水位，西淝河線沿途及受水區(qū)無湖泊水庫(kù)等蓄水工程，對(duì)于這種情況往往是按需調(diào)水，正常調(diào)水期間一般位于設(shè)計(jì)水位之下。而且根據(jù)引江濟(jì)淮2040年安徽渦河以西片的水量供需平衡分析結(jié)果，汛期時(shí)，淮北渦河以西需要引江濟(jì)淮供水較少甚至無需供水，因而不需要予以考慮。經(jīng)綜合考慮、分析，本次研究?jī)?nèi)容僅對(duì)正常調(diào)水情況下的梯級(jí)泵站事故停泵的最大響應(yīng)時(shí)間（即初始水位均小于等于設(shè)計(jì)水位）進(jìn)行研究。研究區(qū)域如圖1所示。

如圖1所示，西淝河站至闞疃南站段設(shè)取水口d1，該取水口位于原始河道和襯砌河道交點(diǎn)處（樁號(hào)30+281），取水流量設(shè)為上下游泵站的流量差5 m3/s，以確保渠段流量平衡;同理，西淝河北站至朱集站設(shè)取水口d2，該取水口位于西淝河北站后茨淮新河口（樁號(hào)74+000），設(shè)計(jì)流量為25 m3/s;朱集站至龍德站設(shè)取水口d3，該取水口位于界洪新河口（樁號(hào)141+215），設(shè)計(jì)流量為10 m3/s。

各級(jí)泵站特征水位和渠道的具體參數(shù)分別如表1～2所列。

2 一維水力學(xué)仿真模型

本文研究的模擬范圍為西淝河線全程185.5 km，共設(shè)置有314個(gè)斷面，平均斷面間隔為600 m。上游邊界為淮河，可視其為常水位，故設(shè)置為定水位邊界（h（t）=C），將下游省界處設(shè)置為定流量邊界（Q（t）=C）。

3 工況及模擬結(jié)果

3.1 泵站間滯后響應(yīng)時(shí)間計(jì)算

影響滯后響應(yīng)時(shí)間的因素包含渠道運(yùn)行方式、渠道長(zhǎng)、流量變化量等[18]。在渠長(zhǎng)相同的前提下，控制流量變化量，研究不同渠道運(yùn)行水位下的滯后響應(yīng)時(shí)間。

模擬初始時(shí)刻各樞紐、分水口門都按照設(shè)計(jì)流量運(yùn)行。通過改變某一樞紐的流量，讓流量發(fā)生小幅變化來分析流量變化后的水力響應(yīng)特性。選取的流量變化情況為樞紐的流量在0時(shí)刻增加10%的設(shè)計(jì)流量。

同時(shí)，通過改變計(jì)算開始時(shí)刻樞紐的進(jìn)、出口水位的初始值，得到不同水位下的水面線情況。以此可分析在不同水面線下的水力響應(yīng)特性。

由于各泵站出、入水口的水位區(qū)間不等，工況設(shè)置也不盡相同，根據(jù)各渠段上下游泵站的正常運(yùn)行水位區(qū)間，基于以下原則確定工況：工況1為泵站運(yùn)行最低水位+0.2 m;工況2為設(shè)計(jì)水位與最低運(yùn)行水位的中值;工況3為設(shè)計(jì)水位;另外，根據(jù)試算結(jié)果設(shè)置工況4，工況4為最高運(yùn)行水位（模擬事故停泵后區(qū)間水位即將超出上限水位時(shí)的工況）。

具體工況的設(shè)置和模擬結(jié)果分別如表3和表4所列。

3.2 事故停泵工況下最大調(diào)控可允許間隔的計(jì)算

事故停泵下的水力調(diào)控方案，是分析在泵站應(yīng)急突然掉電情況下，泵站的流量瞬間變?yōu)榱愫蟊谜厩?、后渠池中水位的突變情況，并以此來制定樞紐的調(diào)控方案。

江水北送段泵站有西淝河站、闞疃南站、西淝河北站、朱集站和龍德站。因此需要對(duì)以上幾個(gè)泵站工況的突發(fā)停泵情況進(jìn)行分析。分析段為西淝河站—闞疃南站—西淝河北站—朱集站—龍德站，分別按照表3中工況1～3的設(shè)置初始水位進(jìn)行分析。

3.3 方案驗(yàn)證

根據(jù)表6設(shè)計(jì)6個(gè)最不利的工況：分別在工況1、工況2和工況3的初始水位下，第一級(jí)泵站西淝河站停機(jī)，經(jīng)過最大響應(yīng)時(shí)間后，相鄰泵站依次停機(jī)，直至全線停機(jī)，共計(jì)3個(gè)工況;以及在工況1、工況2和工況3的初始水位下，最后一級(jí)泵站龍德站停機(jī)，經(jīng)過最大響應(yīng)時(shí)間后，相鄰泵站依次停機(jī)，直至全線停機(jī)，共計(jì)3個(gè)工況。主要是研究在最不利工況下渠道水位是否超出各泵站進(jìn)出水口安全運(yùn)行水位區(qū)間。

以工況1的初始水位下西淝河站至龍德站依次停機(jī)工況為例（停泵時(shí)間依次為：0，5.78，9.33，9.85 h和9.85 h），模擬結(jié)果表明，在最不利工況下，闞疃南站前站和后站、西淝河北站后3處水位都將在到達(dá)下限水位（時(shí)間分別為5.78，10.58 h和11.8 h）后的1 min內(nèi)回升至安全范圍內(nèi);朱集站后水位即使在朱集站和龍德站同時(shí)停機(jī)的情況下，仍在10.92 h時(shí)下降至下限水位以下且不會(huì)回升;其余各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)水位均在安全運(yùn)行水位區(qū)間內(nèi)。

以上結(jié)果證明：在最大響應(yīng)時(shí)間之內(nèi)關(guān)閉相鄰泵站，能防止水位超出安全運(yùn)行區(qū)間;通過滯后響應(yīng)時(shí)間和最大可允許調(diào)控間隔推求最大響應(yīng)時(shí)間的方法是合理的。

3.4 結(jié)果分析

由上述分析可以看出：西淝河站-闞疃南站、西淝河北站-朱集站段的響應(yīng)時(shí)間受初始水位的影響較大，前者在不同工況下的響應(yīng)時(shí)間最大差距可達(dá)18.00 h，后者在不同工況下的響應(yīng)時(shí)間最大差距可達(dá)24.00 h;而闞疃南站-西淝河北站段河渠受初始水位影響較小，響應(yīng)時(shí)間始終在4.00～8.00 h左右的區(qū)間內(nèi);值得注意的是，朱集站-龍德站段由于朱集站出水口和龍德站入水口的正常運(yùn)行水位區(qū)間較小（分別為0.65 m和0.80 m），加上該站段大部分為較狹窄的人工渠道，槽蓄量較小，一旦上下游某個(gè)泵站停機(jī)，另一個(gè)泵站需立即響應(yīng)，但即使如此，也不能保證水位不超出正常的運(yùn)行區(qū)間。此外，西淝河北站-朱集站段由于是逆坡輸水，朱集站停機(jī)后西淝河北站仍能運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間，反之則不然，表現(xiàn)為正向和反向的響應(yīng)時(shí)間差較大（約18.00～59.00 h）。

此外，根據(jù)方案驗(yàn)證的模擬結(jié)果，由于西淝河站～闞疃南站、西淝河北站-朱集站和朱集站-龍德站段均存在分水口，因此停泵后這3個(gè)區(qū)間的水位將持續(xù)下降。由于西淝河站-闞疃南站區(qū)間d1=5 m3/s，水位受分水口影響較小，在西淝河站和闞疃南站停泵后3 d之內(nèi)水位仍保持在17.53 m以上，處于安全范圍。由于西淝河北站-朱集站段d2=25 m3/s，水位受分水口影響較大，在西淝河北站和朱集站停機(jī)后5.15 h（工況1西淝河站至龍德站依次按最大響應(yīng)時(shí)間停機(jī)）時(shí)，西淝河北站站后水位將下降至下限水位23.87 m。由于朱集站-龍德站段水位區(qū)間較小，可調(diào)控蓄量也較?。ㄏ孪藓蜕舷匏坏男盍坎畈蛔?00 萬m3），在朱集站和龍德站停機(jī)后1.08 h時(shí)，朱集站后水位將下降至下限水位27.35 m。因此，西淝河北站-朱集站和朱集站-龍德站區(qū)間分水口在上下游泵站停機(jī)后也應(yīng)立即降低分水流量，否則區(qū)間水位將會(huì)超出安全運(yùn)行區(qū)間。

4 結(jié) 論

本文選取了引江濟(jì)淮工程江水北送段西淝河線的五級(jí)串聯(lián)梯級(jí)泵站作為研究對(duì)象，利用非恒定流數(shù)值模型來模擬單機(jī)泵站事故停機(jī)工況，并分析了水位隨時(shí)間變化過程、突破上下限水位的時(shí)間等參數(shù)，得出以下結(jié)論。

（1） 當(dāng)區(qū)間在高水位運(yùn)行時(shí)，各級(jí)泵站需要更關(guān)注其下一級(jí)泵站的運(yùn)行狀況;區(qū)間在低水位運(yùn)行時(shí)，各級(jí)泵站則需要更關(guān)注上一級(jí)泵站的運(yùn)行狀況。

（2） 朱集站和龍德站在另一泵站事故停泵時(shí)應(yīng)立即響應(yīng)，或是共同調(diào)整機(jī)組流量，適當(dāng)延長(zhǎng)流量變化的時(shí)間，以防區(qū)間水位急劇變化，在高水位運(yùn)行時(shí)也能減少壅水。

（3） 朱集站需要及時(shí)關(guān)注西淝河北站的運(yùn)行狀況，尤其是低水位運(yùn)行時(shí)更需要及時(shí)作出響應(yīng);與此相反，西淝河北站對(duì)朱集站流量變化的響應(yīng)時(shí)間很長(zhǎng)，有充足的時(shí)間調(diào)整。

（4） 西淝河北站-朱集站和朱集站-龍德站段在渠段上下游泵站均停機(jī)后，區(qū)間分水口門也應(yīng)盡快降低分水流量直至0 m3/s，否則水位將持續(xù)下降直至低于下限水位，泵站恢復(fù)運(yùn)行后將處于安全運(yùn)行區(qū)間以外，存在風(fēng)險(xiǎn)。

以上結(jié)論不僅適用于事故停泵工況，也適用于正常輸水時(shí)各泵站的機(jī)組流量切換工況。

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（編輯：趙秋云）