孔 剛，喬 雨，陳曉楠，許新勇，孫瑞剛，茍少杰

(1.北京市水務(wù)局政務(wù)服務(wù)中心，北京 100071；2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局總調(diào)度中心，北京 100038；3.華北水利水電大學水利學院，鄭州 450045；4. 中國南水北調(diào)集團有限公司，北京 100142；5.西安理工大學西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室,西安 710048)

長距離輸水工程是緩解水資源短缺、改善水生態(tài)惡化的基礎(chǔ)設(shè)施，也是實現(xiàn)水資源“空間均衡”的重要措施[1]。南水北調(diào)中線工程全長1 432 km，沿線布設(shè)64座節(jié)制閘、97座分水口、54座退水閘、61座控制閘，其中惠南莊泵站作為南水北調(diào)中線工程唯一的加壓泵站，設(shè)計流量50 m3/s，位于總干渠末端，承擔著向首都北京供城市用水75%的任務(wù)，一旦惠南莊泵站突然故障，會嚴重影響南水北調(diào)中線工程安全運行和首都供水。如果惠南莊泵站突然故障后應(yīng)急調(diào)度策略不當，不僅會產(chǎn)生不必要的水量損失，嚴重時可造成供水中斷，甚至危及受水區(qū)的社會穩(wěn)定。

長距離輸水工程應(yīng)急調(diào)度模擬是利用水力學模擬技術(shù)為應(yīng)急調(diào)度提供決策支持，通過數(shù)學模型或軟件工具開展模擬預(yù)測，為應(yīng)急響應(yīng)和處置提供預(yù)案和依據(jù)。在面對突發(fā)事件時“有法可依有據(jù)可循”，將突發(fā)事件的影響和危害降至最低，并為事故清除爭取時間和便利，使工程能夠避免停水，是開展長距離輸水工程應(yīng)急調(diào)度仿真研究的主要目的。國內(nèi)外，眾多研究學者針對應(yīng)急調(diào)度展開了一系列研究，如：德國、奧地利、捷克等9個國家研發(fā)了具有監(jiān)測、預(yù)報、預(yù)警功能的多瑙河突發(fā)性污染事故應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)[2]；法國研發(fā)了可以模擬和分析污染物進入地表水系后的輸移擴散過程的SeauS軟件系統(tǒng)[3]；歐盟開發(fā)了可實現(xiàn)多國協(xié)作、多專業(yè)協(xié)同、各警種相互配合、高效及時地開展應(yīng)急響應(yīng)的E-Risk系統(tǒng)[4]；孔令仲等[5]設(shè)計了適用于南水北調(diào)中線工程串聯(lián)渠池的線性預(yù)測控制算法，提出了實時調(diào)度控制策略；Ma[6]基于C++語言和Visual Studio平臺模擬分析了節(jié)制閘緊急快速關(guān)閉情況下的渠道水力特性；Long等[7]基于HEC-RAS建立一維水力學水質(zhì)模型，模擬了南水北調(diào)中線工程突發(fā)水污染事故下的污染物擴散過程，分析了突發(fā)水污染事故下的應(yīng)急調(diào)度策略；樊甲偉等[8]分析了鄂北水資源配置工程事故工況下長倒虹吸的水力響應(yīng)過程，提出了一組節(jié)制閘應(yīng)急調(diào)度策略；鄭和震[9]分析了大量南水北調(diào)中線工程突發(fā)水污染事故情景下的污染物輸移擴散過程，提出了“安全-經(jīng)濟”多目標協(xié)同的閘門群應(yīng)急調(diào)度方法；Qiao等[10]基于圣維南方程組建立了明渠一維水動力應(yīng)急調(diào)度模型，模擬了不同暴雨類型影響下的串聯(lián)渠池的水動力響應(yīng)過程，并給出了突發(fā)暴雨下的南水北調(diào)中線工程應(yīng)急調(diào)度策略。

本文以世界上輸水距離最長的南水北調(diào)中線工程為例，針對總干渠末端的加壓泵站突然故障開展應(yīng)急調(diào)度仿真及策略研究，為明渠調(diào)水工程應(yīng)急調(diào)度提供參考。

1 研究區(qū)概況

南水北調(diào)中線工程規(guī)劃分兩期建設(shè)，2003年12月，南水北調(diào)中線一期工程正式開工建設(shè)， 2008年9月，南水北調(diào)中線工程京石段應(yīng)急供水工程建成通水，2013年12月，南水北調(diào)中線工程主體工程完工，2014年12月，南水北調(diào)中線工程正式通水運行。南水北調(diào)中線工程總長1 432 km，從丹江口水庫引水入總干渠，經(jīng)長江流域與淮河流域的分水嶺方城埡口，途徑黃淮海平原，全線自流到北京和天津，明渠段占總長的77%，沿線布設(shè)64座節(jié)制閘，54座退水閘，97個分水口，主要采用閘前常水位的渠系運行方式。為保證輸水水質(zhì)不受沿途污染，總干渠與沿線水系、道路全部立交，封閉式運行。南水北調(diào)中線工程的建成通水運行有效推動了受水區(qū)(特別是華北地區(qū))地下水壓采進程，大幅提高了受水區(qū)人民的用水品質(zhì)。南水北調(diào)中線供水線路見圖1。

圖1 南水北調(diào)中線供水線路

惠南莊泵站作為南水北調(diào)中線總干渠唯一的加壓泵站，位于總干渠最末端，承擔著向首都城市供水75%的任務(wù)，一旦惠南莊泵站突然故障，會對南水北調(diào)中線工程產(chǎn)生嚴重影響。根據(jù)實際輸水調(diào)度經(jīng)驗，若惠南莊泵站突然故障會導(dǎo)致總干渠末端上游若干渠段水位快速上漲，甚至渠道漫溢，由此可知，惠南莊泵站突然故障是南水北調(diào)中線工程當前面臨的重要調(diào)度隱患。為研究惠南莊泵站突然故障對上游水位影響以及應(yīng)急調(diào)度策略，本文選取惠南莊泵站上游3個串聯(lián)渠池作為研究對象，包含J1瀑河節(jié)制閘、J2北易水節(jié)制閘、J3墳莊河節(jié)制閘、J4北拒馬河節(jié)制閘4座節(jié)制閘，F(xiàn)1北易水退水閘(生態(tài)補水)、F2荊軻山分水口、F3下車亭分水口、F4三岔溝分水口4座分水口，P惠南莊加壓泵站共1座。研究區(qū)串聯(lián)渠池縱剖面見圖2。

圖2 研究區(qū)串聯(lián)渠池縱剖面

2 應(yīng)急調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)

2.1 基本控制方程

明渠非恒定漸變流可描述明渠水流由某一恒定輸水狀態(tài)向另一恒定輸水狀態(tài)過渡的水動力過程，該過程可用一維圣維南方程組[11]進行計算，包括連續(xù)方程(1)和動量方程(2)：

(1)

(2)

公式(1)～(2)中:B是表面寬度，m；Z是水位，m；t是時間，s；Q是流量，m3/s；x是沿主流向的渠道縱向距離，m；q是旁側(cè)入流，m3/s；α是動量校正系數(shù)；A是過水斷面面積，m2；g是重力加速度，m/s2；Sf是摩阻比降。

2.2 方程離散化與線性化

本文采用收斂速度快、穩(wěn)定性好的Preissmann四點隱式差分格式離散圣維南方程組，離散網(wǎng)格形式如圖3所示。

圖3 Preissmann四點隱式差分格式

Preissmann四點差分格式：

(3)

空間離散：

(4)

時間離散：

(5)

公式(3)～(5)中：θ為加權(quán)系數(shù)，0≤θ≤1.0；f表示函數(shù)值；下標i、i+1分別表示第i和第i+1個斷面；上標n、n+1分別表示第n和n+1時刻；Δt是時間離散步長，s；Δx是空間離散步長，m。

2.3 邊界條件處理

節(jié)制閘位置的連續(xù)方程和過閘流量公式可寫成：

Qi=Qi+1

(6)

(7)

公式(6)～(7)中:Qm和Qm+1分別是節(jié)制閘閘前斷面和閘后斷面的流量，m3/s；K=(q2/g)1/3，q是閘門的單寬流量，m2/s；e是閘門的開度，m；He是節(jié)制閘上下游的水位差，m；i和j是與閘門型式和過閘流量有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)。

2.4 應(yīng)急調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)

應(yīng)急調(diào)度系統(tǒng)采用C++語言開發(fā)，由工程參數(shù)、數(shù)值模擬、結(jié)果展示及分析處理4部分組成，具體操作界面如圖4所示。

圖4 應(yīng)急調(diào)度系統(tǒng)界面

3 應(yīng)急調(diào)度仿真

3.1 仿真工況設(shè)計

本文以惠南莊泵站柵前水位和流量、上游各節(jié)制閘的閘前設(shè)計水位和流量為初始運行條件，以惠南莊泵站流量的變化和上游各節(jié)制閘的閘門開度變化作為邊界條件，假定各節(jié)制閘閘前水位變幅速度預(yù)警值均為0.15 m/h。

為分析惠南莊泵站故障后不同應(yīng)急調(diào)度策略下的上游水位變化過程，給出了6種典型應(yīng)急調(diào)度策略：無操作、上游壓閘30%、開啟旁通管、開啟旁通管+開啟退水閘、開啟旁通管+開啟退水閘+上游壓閘30%、開啟旁通管+退水閘+上游壓閘50%，6種應(yīng)急調(diào)度策略詳細信息見表1。

表1 應(yīng)急調(diào)度策略信息

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1水力響應(yīng)分析

根據(jù)實際輸水調(diào)度經(jīng)驗，惠南莊泵站突然故障后，其上游臨近的J4閘前水位影響最大，因此以J4閘前水位為研究對象，對比分析不同應(yīng)急調(diào)度策略的控制效果。不同應(yīng)急調(diào)度策略下J4閘前水位的變化過程見圖5。

圖5 不同應(yīng)急調(diào)度策略下的J4閘前水位變化過程

從圖5中可以看出，無操作、調(diào)減上游流量、開啟旁通管的單獨應(yīng)急調(diào)度策略下的J4閘前水位出現(xiàn)快速持續(xù)上漲，其中無操作和調(diào)減上游流量下的J4閘前水位上漲過程基本一致，水位上漲速度均為0.4 m/h左右，表明單獨調(diào)減上游流量不能緩解下游水位的上漲速度；相比于無操作和單獨調(diào)減上游流量，單獨開啟旁通管的J4閘前水位同樣呈現(xiàn)出持續(xù)上漲，但上漲速度有所減小，水位漲速約0.25 m/h，表明單獨開啟旁通管可在一定程度上緩解下游水位的上漲速度；開啟旁通管+開啟退水閘+調(diào)減上游流量的組合應(yīng)急調(diào)度策略下J4閘前水位未出現(xiàn)快速持續(xù)上漲，上漲速度在0.05 m/h以內(nèi)，表明開啟旁通管+開啟退水閘+調(diào)減上游流量的組合應(yīng)急調(diào)度策略可有效控制惠南莊泵站上游水位的上漲速度。

3.2.2單獨應(yīng)急調(diào)度策略分析

為進一步分析不同單獨應(yīng)急調(diào)度策略的控制效果，查明單獨調(diào)減上游流量和單獨開啟旁通管未產(chǎn)生預(yù)期控制效果的原因，繪制無操作、調(diào)減上游流量、開啟旁通管3個單獨應(yīng)急調(diào)度策略下J3閘前水位和過閘流量的變化過程曲線見圖6。

從圖6中可以看出，單獨調(diào)減上游流量下的J3閘前水位持續(xù)上漲，且上漲速度逐漸減小，平均上漲速度為0.1 m/h，過程中J3因快速減小閘門開度30%，J3過閘流量由57 m3/s先快速減小13～44 m3/s，再緩慢增加6 m3/s并穩(wěn)定至50 m3/s?？紤]到J3和J4之間距離22.8 km，J3調(diào)減的流量需要一定時間才能傳遞至J4，因此單獨調(diào)減上游流量短時間內(nèi)不僅沒能有效控制下游水位的快速上漲，反而會造成J3閘前水位2 h內(nèi)上漲0.2 m。

圖6 3種單獨應(yīng)急調(diào)度策略下J3水力響應(yīng)

3.2.3組合應(yīng)急調(diào)度策略分析

為進一步分析不同組合應(yīng)急調(diào)度策略的控制效果，查明不同組合應(yīng)急調(diào)度策略控制效果差異，繪制3種組合應(yīng)急調(diào)度策略下4 h 內(nèi)的J4閘前水位變化過程曲線見圖7。

圖7 3種組合應(yīng)急調(diào)度策略下J4水力響應(yīng)過程

從圖7中可以看出，開啟旁通管+開啟退水閘兩者的組合應(yīng)急調(diào)度策略下的J4閘前水位持續(xù)上漲，上漲速度為0.18 m/4 h表明開啟旁通管+開啟退水閘兩者的組合應(yīng)急調(diào)度策略可有效緩解下游水位的上漲速度，但是不能使J4閘前水位恢復(fù)至原目標水位；開啟旁通管+開啟退水閘+調(diào)減上游J3流量30%下的J4閘前水位先上漲0.08 m，然后在1.3 h開始非常緩慢下降，下降速度0.01 m/2 h，開啟旁通管+開啟退水閘+調(diào)減上游J3流量 50%下的J4閘前水位先上漲0.08 m，然后在1.3 h左右開始下降，下降速度0.13 m/2 h，表明開啟旁通管+開啟退水閘+調(diào)減上游J3流量的組合應(yīng)急調(diào)度策略可使下游水位逐漸恢復(fù)至目標水位，且上游調(diào)減的流量在1.3 h左右傳遞至J4。為進一步分析不同組合應(yīng)急調(diào)度策略的控制效果，繪制3種組合應(yīng)急調(diào)度策略下4 h 內(nèi)的J3閘前水位和過閘流量的變化過程曲線如圖8所示。

從圖8中可以看出，開啟旁通管+開啟退水閘兩者的組合應(yīng)急調(diào)度策略下的J3閘前水位無變化；開啟旁通管+開啟退水閘+調(diào)減上游J3流量30%三者的組合應(yīng)急調(diào)度策略下的J3閘前水位持續(xù)上漲且上漲速度逐漸減小，其中J3過閘流量由57 m3/s先快速減小13～44 m3/s，再緩慢增加8 m3/s并穩(wěn)定至52 m3/s，表明開啟旁通管+開啟退水閘+調(diào)減上游流量8～13 m3/s下的組合應(yīng)急調(diào)度策略，可有效控制J4閘前水位，在1.3 h左右J4閘前水位開始以0.01/2 h的速度非常緩慢下降；開啟旁通管+開啟退水閘+調(diào)減上游J3流量50%下的J3閘前水位持續(xù)上漲且上漲速度逐漸減小，其中J3過閘流量由57 m3/s先快速減小23～34 m3/s，再緩慢增加10 m3/s并穩(wěn)定至44 m3/s，表明開啟旁通管+開啟退水閘+調(diào)減上游流量13～23 m3/s，在1.3 h左右J4閘前水位開始以0.13 m/2 h的速度快速下降。

4 結(jié) 論

為有效應(yīng)對南水北調(diào)中線工程總干渠末端惠南莊泵站突然故障，本文基于圣維南方程建立了由閘、泵、分水口、退水閘、旁通管等組成的復(fù)雜明渠一維水動力應(yīng)急調(diào)度仿真系統(tǒng)，以惠南莊泵站流量50 m3/s突然故障為典型案例，模擬了開啟退水閘、開啟旁通管、調(diào)減上游流量等6種不同應(yīng)急調(diào)度策略下的渠池水力響應(yīng)特性，分析了應(yīng)急調(diào)度策略下的水位變幅、水位恢復(fù)至原目標水位所需時間的相關(guān)關(guān)系，總結(jié)了惠南莊泵站突然故障下的應(yīng)急調(diào)度策略。形成結(jié)論如下：

(1) 當惠南莊泵站故障前流量為50 m3/s時，且無任何操作的情況下，總干渠末端水位以0.4 m/h的漲速上漲，將突破假定的渠道水位變化速度閾值0.15 m/h，可能會造成上游渠道襯砌板破壞。

(2) 當惠南莊泵站故障前流量為50 m3/s時，開啟旁通管+開啟退水閘+調(diào)減上游流量的組合應(yīng)急調(diào)度策略可使總干渠末端水位在1.3 h后開始下降。

(3) 當惠南莊泵站突然故障導(dǎo)致流量由50 m3/s減為0時，應(yīng)立即開啟兩側(cè)旁通管和北拒馬河退水閘，同時減少上游流量25 m3/s并保持不變，直到下游水位恢復(fù)至目標水位時，此時可完全關(guān)閉北拒馬退水閘。

(4) 當惠南莊泵站具備恢復(fù)原供水條件時，應(yīng)提前1.3 h逐步增加墳莊河節(jié)制閘流量30 m3/s并保持不變，直到上游增加的流量傳遞至惠南莊泵站時，再將旁通管過流切換至原供水狀態(tài)。