孔 刚，乔 雨，陈晓楠，许新勇，孙瑞刚，苟少杰

(1.北京市水务局政务服务中心，北京 100071；2.南水北调中线干线工程建设管理局总调度中心，北京 100038；3.华北水利水电大学水利学院，郑州 450045；4. 中国南水北调集团有限公司，北京 100142；5.西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室,西安 710048)

长距离输水工程是缓解水资源短缺、改善水生态恶化的基础设施，也是实现水资源“空间均衡”的重要措施[1]。南水北调中线工程全长1 432 km，沿线布设64座节制闸、97座分水口、54座退水闸、61座控制闸，其中惠南庄泵站作为南水北调中线工程唯一的加压泵站，设计流量50 m3/s，位于总干渠末端，承担着向首都北京供城市用水75%的任务，一旦惠南庄泵站突然故障，会严重影响南水北调中线工程安全运行和首都供水。如果惠南庄泵站突然故障后应急调度策略不当，不仅会产生不必要的水量损失，严重时可造成供水中断，甚至危及受水区的社会稳定。

长距离输水工程应急调度模拟是利用水力学模拟技术为应急调度提供决策支持，通过数学模型或软件工具开展模拟预测，为应急响应和处置提供预案和依据。在面对突发事件时“有法可依有据可循”，将突发事件的影响和危害降至最低，并为事故清除争取时间和便利，使工程能够避免停水，是开展长距离输水工程应急调度仿真研究的主要目的。国内外，众多研究学者针对应急调度展开了一系列研究，如：德国、奥地利、捷克等9个国家研发了具有监测、预报、预警功能的多瑙河突发性污染事故应急预警系统[2]；法国研发了可以模拟和分析污染物进入地表水系后的输移扩散过程的SeauS软件系统[3]；欧盟开发了可实现多国协作、多专业协同、各警种相互配合、高效及时地开展应急响应的E-Risk系统[4]；孔令仲等[5]设计了适用于南水北调中线工程串联渠池的线性预测控制算法，提出了实时调度控制策略；Ma[6]基于C++语言和Visual Studio平台模拟分析了节制闸紧急快速关闭情况下的渠道水力特性；Long等[7]基于HEC-RAS建立一维水力学水质模型，模拟了南水北调中线工程突发水污染事故下的污染物扩散过程，分析了突发水污染事故下的应急调度策略；樊甲伟等[8]分析了鄂北水资源配置工程事故工况下长倒虹吸的水力响应过程，提出了一组节制闸应急调度策略；郑和震[9]分析了大量南水北调中线工程突发水污染事故情景下的污染物输移扩散过程，提出了“安全-经济”多目标协同的闸门群应急调度方法；Qiao等[10]基于圣维南方程组建立了明渠一维水动力应急调度模型，模拟了不同暴雨类型影响下的串联渠池的水动力响应过程，并给出了突发暴雨下的南水北调中线工程应急调度策略。

本文以世界上输水距离最长的南水北调中线工程为例，针对总干渠末端的加压泵站突然故障开展应急调度仿真及策略研究，为明渠调水工程应急调度提供参考。

1 研究区概况

南水北调中线工程规划分两期建设，2003年12月，南水北调中线一期工程正式开工建设， 2008年9月，南水北调中线工程京石段应急供水工程建成通水，2013年12月，南水北调中线工程主体工程完工，2014年12月，南水北调中线工程正式通水运行。南水北调中线工程总长1 432 km，从丹江口水库引水入总干渠，经长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口，途径黄淮海平原，全线自流到北京和天津，明渠段占总长的77%，沿线布设64座节制闸，54座退水闸，97个分水口，主要采用闸前常水位的渠系运行方式。为保证输水水质不受沿途污染，总干渠与沿线水系、道路全部立交，封闭式运行。南水北调中线工程的建成通水运行有效推动了受水区(特别是华北地区)地下水压采进程，大幅提高了受水区人民的用水品质。南水北调中线供水线路见图1。

图1 南水北调中线供水线路

惠南庄泵站作为南水北调中线总干渠唯一的加压泵站，位于总干渠最末端，承担着向首都城市供水75%的任务，一旦惠南庄泵站突然故障，会对南水北调中线工程产生严重影响。根据实际输水调度经验，若惠南庄泵站突然故障会导致总干渠末端上游若干渠段水位快速上涨，甚至渠道漫溢，由此可知，惠南庄泵站突然故障是南水北调中线工程当前面临的重要调度隐患。为研究惠南庄泵站突然故障对上游水位影响以及应急调度策略，本文选取惠南庄泵站上游3个串联渠池作为研究对象，包含J1瀑河节制闸、J2北易水节制闸、J3坟庄河节制闸、J4北拒马河节制闸4座节制闸，F1北易水退水闸(生态补水)、F2荆轲山分水口、F3下车亭分水口、F4三岔沟分水口4座分水口，P惠南庄加压泵站共1座。研究区串联渠池纵剖面见图2。

图2 研究区串联渠池纵剖面

2 应急调度系统开发

2.1 基本控制方程

明渠非恒定渐变流可描述明渠水流由某一恒定输水状态向另一恒定输水状态过渡的水动力过程，该过程可用一维圣维南方程组[11]进行计算，包括连续方程(1)和动量方程(2)：

(1)

(2)

公式(1)～(2)中:B是表面宽度，m；Z是水位，m；t是时间，s；Q是流量，m3/s；x是沿主流向的渠道纵向距离，m；q是旁侧入流，m3/s；α是动量校正系数；A是过水断面面积，m2；g是重力加速度，m/s2；Sf是摩阻比降。

2.2 方程离散化与线性化

本文采用收敛速度快、稳定性好的Preissmann四点隐式差分格式离散圣维南方程组，离散网格形式如图3所示。

图3 Preissmann四点隐式差分格式

Preissmann四点差分格式：

(3)

空间离散：

(4)

时间离散：

(5)

公式(3)～(5)中：θ为加权系数，0≤θ≤1.0；f表示函数值；下标i、i+1分别表示第i和第i+1个断面；上标n、n+1分别表示第n和n+1时刻；Δt是时间离散步长，s；Δx是空间离散步长，m。

2.3 边界条件处理

节制闸位置的连续方程和过闸流量公式可写成：

Qi=Qi+1

(6)

(7)

公式(6)～(7)中:Qm和Qm+1分别是节制闸闸前断面和闸后断面的流量，m3/s；K=(q2/g)1/3，q是闸门的单宽流量，m2/s；e是闸门的开度，m；He是节制闸上下游的水位差，m；i和j是与闸门型式和过闸流量有关的经验系数。

2.4 应急调度系统开发

应急调度系统采用C++语言开发，由工程参数、数值模拟、结果展示及分析处理4部分组成，具体操作界面如图4所示。

图4 应急调度系统界面

3 应急调度仿真

3.1 仿真工况设计

本文以惠南庄泵站栅前水位和流量、上游各节制闸的闸前设计水位和流量为初始运行条件，以惠南庄泵站流量的变化和上游各节制闸的闸门开度变化作为边界条件，假定各节制闸闸前水位变幅速度预警值均为0.15 m/h。

为分析惠南庄泵站故障后不同应急调度策略下的上游水位变化过程，给出了6种典型应急调度策略：无操作、上游压闸30%、开启旁通管、开启旁通管+开启退水闸、开启旁通管+开启退水闸+上游压闸30%、开启旁通管+退水闸+上游压闸50%，6种应急调度策略详细信息见表1。

表1 应急调度策略信息

3.2 仿真结果分析

3.2.1水力响应分析

根据实际输水调度经验，惠南庄泵站突然故障后，其上游临近的J4闸前水位影响最大，因此以J4闸前水位为研究对象，对比分析不同应急调度策略的控制效果。不同应急调度策略下J4闸前水位的变化过程见图5。

图5 不同应急调度策略下的J4闸前水位变化过程

从图5中可以看出，无操作、调减上游流量、开启旁通管的单独应急调度策略下的J4闸前水位出现快速持续上涨，其中无操作和调减上游流量下的J4闸前水位上涨过程基本一致，水位上涨速度均为0.4 m/h左右，表明单独调减上游流量不能缓解下游水位的上涨速度；相比于无操作和单独调减上游流量，单独开启旁通管的J4闸前水位同样呈现出持续上涨，但上涨速度有所减小，水位涨速约0.25 m/h，表明单独开启旁通管可在一定程度上缓解下游水位的上涨速度；开启旁通管+开启退水闸+调减上游流量的组合应急调度策略下J4闸前水位未出现快速持续上涨，上涨速度在0.05 m/h以内，表明开启旁通管+开启退水闸+调减上游流量的组合应急调度策略可有效控制惠南庄泵站上游水位的上涨速度。

3.2.2单独应急调度策略分析

为进一步分析不同单独应急调度策略的控制效果，查明单独调减上游流量和单独开启旁通管未产生预期控制效果的原因，绘制无操作、调减上游流量、开启旁通管3个单独应急调度策略下J3闸前水位和过闸流量的变化过程曲线见图6。

从图6中可以看出，单独调减上游流量下的J3闸前水位持续上涨，且上涨速度逐渐减小，平均上涨速度为0.1 m/h，过程中J3因快速减小闸门开度30%，J3过闸流量由57 m3/s先快速减小13～44 m3/s，再缓慢增加6 m3/s并稳定至50 m3/s。考虑到J3和J4之间距离22.8 km，J3调减的流量需要一定时间才能传递至J4，因此单独调减上游流量短时间内不仅没能有效控制下游水位的快速上涨，反而会造成J3闸前水位2 h内上涨0.2 m。

图6 3种单独应急调度策略下J3水力响应

3.2.3组合应急调度策略分析

为进一步分析不同组合应急调度策略的控制效果，查明不同组合应急调度策略控制效果差异，绘制3种组合应急调度策略下4 h 内的J4闸前水位变化过程曲线见图7。

图7 3种组合应急调度策略下J4水力响应过程

从图7中可以看出，开启旁通管+开启退水闸两者的组合应急调度策略下的J4闸前水位持续上涨，上涨速度为0.18 m/4 h表明开启旁通管+开启退水闸两者的组合应急调度策略可有效缓解下游水位的上涨速度，但是不能使J4闸前水位恢复至原目标水位；开启旁通管+开启退水闸+调减上游J3流量30%下的J4闸前水位先上涨0.08 m，然后在1.3 h开始非常缓慢下降，下降速度0.01 m/2 h，开启旁通管+开启退水闸+调减上游J3流量 50%下的J4闸前水位先上涨0.08 m，然后在1.3 h左右开始下降，下降速度0.13 m/2 h，表明开启旁通管+开启退水闸+调减上游J3流量的组合应急调度策略可使下游水位逐渐恢复至目标水位，且上游调减的流量在1.3 h左右传递至J4。为进一步分析不同组合应急调度策略的控制效果，绘制3种组合应急调度策略下4 h 内的J3闸前水位和过闸流量的变化过程曲线如图8所示。

从图8中可以看出，开启旁通管+开启退水闸两者的组合应急调度策略下的J3闸前水位无变化；开启旁通管+开启退水闸+调减上游J3流量30%三者的组合应急调度策略下的J3闸前水位持续上涨且上涨速度逐渐减小，其中J3过闸流量由57 m3/s先快速减小13～44 m3/s，再缓慢增加8 m3/s并稳定至52 m3/s，表明开启旁通管+开启退水闸+调减上游流量8～13 m3/s下的组合应急调度策略，可有效控制J4闸前水位，在1.3 h左右J4闸前水位开始以0.01/2 h的速度非常缓慢下降；开启旁通管+开启退水闸+调减上游J3流量50%下的J3闸前水位持续上涨且上涨速度逐渐减小，其中J3过闸流量由57 m3/s先快速减小23～34 m3/s，再缓慢增加10 m3/s并稳定至44 m3/s，表明开启旁通管+开启退水闸+调减上游流量13～23 m3/s，在1.3 h左右J4闸前水位开始以0.13 m/2 h的速度快速下降。

4 结 论

为有效应对南水北调中线工程总干渠末端惠南庄泵站突然故障，本文基于圣维南方程建立了由闸、泵、分水口、退水闸、旁通管等组成的复杂明渠一维水动力应急调度仿真系统，以惠南庄泵站流量50 m3/s突然故障为典型案例，模拟了开启退水闸、开启旁通管、调减上游流量等6种不同应急调度策略下的渠池水力响应特性，分析了应急调度策略下的水位变幅、水位恢复至原目标水位所需时间的相关关系，总结了惠南庄泵站突然故障下的应急调度策略。形成结论如下：

(1) 当惠南庄泵站故障前流量为50 m3/s时，且无任何操作的情况下，总干渠末端水位以0.4 m/h的涨速上涨，将突破假定的渠道水位变化速度阈值0.15 m/h，可能会造成上游渠道衬砌板破坏。

(2) 当惠南庄泵站故障前流量为50 m3/s时，开启旁通管+开启退水闸+调减上游流量的组合应急调度策略可使总干渠末端水位在1.3 h后开始下降。

(3) 当惠南庄泵站突然故障导致流量由50 m3/s减为0时，应立即开启两侧旁通管和北拒马河退水闸，同时减少上游流量25 m3/s并保持不变，直到下游水位恢复至目标水位时，此时可完全关闭北拒马退水闸。

(4) 当惠南庄泵站具备恢复原供水条件时，应提前1.3 h逐步增加坟庄河节制闸流量30 m3/s并保持不变，直到上游增加的流量传递至惠南庄泵站时，再将旁通管过流切换至原供水状态。