跨流域调水工程水污染应急调控技术及应用

按照污染发生的渠段和控制策略,可将整个渠段分为污染段、污染段上渠段、污染段下渠段。对应于不同的控制策略,采用不同的调控规则。

1.退水闸控制规则

退水闸的使用主要目的:①削峰,降低节制闸最大水位壅高;②调节渠道水力波动过程中的节制闸前水位,使其接近目标水位。而使用退水闸也会造成水量的浪费,因此在一般情况下不开启退水闸,只有在水位威胁到工程安全的时候,才开启退水闸。这里,用警戒水位指标来判断是否使用退水闸。以南水北调中线工程为例,高于警戒水位开始启用退水闸。

事故渠段退水闸控制规则:当闸前水位高于警戒水位时启用退水闸,当事故渠段蓄水体积接近目标体积时,快速关闭退水闸。

事故渠段水面平稳后,再根据事故级别决定是否再次启用退水闸弃水,若事故渠段水体不能实现自净或自净时间过长影响下游用水,则需再次启用事故渠段退水闸,将污染水体排放到渠段附近临时水塘,或者废弃湖泊进行处理,待渠道水放空后再关闭退水闸,恢复供水。

事故渠段上游退水闸控制规则:当上游各节制闸前水位高于警戒水位时,启用退水闸;无退水闸渠段,闸前水位高于警戒水位时,该渠段节制闸门当前计算时步暂停关闭。目的:①削峰,降低节制闸最大水位壅高;②调节渠道水力波动过程中的节制闸前水位,使其接近目标水位。

事故渠段下游不启用退水闸,原因在于事故渠段下游属于渠道进水低于出水的工况,采用合理的节制闸操作过程基本不会出现闸前水位高于警戒水位的情况,而且,为了维持下游段尽可能的供水,不启用退水闸。

2.分水闸控制规则

事故渠段分水闸控制规则:事故渠段分水闸随着事故渠段节制闸的快速关闭而快速关闭,以达到尽快减少污水扩散危害受水人群的作用,对于发现较晚污染扩散较快的情况,可以采取向下游延伸数个节制闸关闭闸门的方式。

事故渠段上游分水闸不参与应急调度,保持原有正常调度开度,保证事故渠段上游正常供水。

事故渠段下游分水闸控制规则:事故渠段下游各分水闸流量按照所在渠段下游节制闸流量减小比例进行控制。

3.节制闸控制规则

节制闸控制主要分为同步关闸和异步关闸操作两种,这里的同步关闸指的是同时开始关闭闸门,异步关闸指的是有一定的时间间隔关闸。异步关闸的作用有两个:①利用进、出口的流量差来完成蓄量转换;②利用水波抵消的原理来消除水位过大的波动。

异步关闸的异步时间选择:

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式中:K为比例系数,这里选为0.2。

这里以中线干渠的靠近上游渠段为例,用式(6.1)进行计算,可得出中线各渠段的异步时间大致见表6.1。

表6.1　80%设计流量下的异步关闸间隔时间表

可以看出若采用异步关闸,则要求间隔时间大致要求在40min以上。采用此种间隔时间,则可以让上游的降水波和下游的涨水波相互抵消,从而减小水位波动。具体效果如图6.1所示。图中虚线为异步关闸情况下的闸前水位变化,可以看出,闸前水位较同步关闸晚大概4步开始变化,这是因为设置的上下游间隔时间为2400s。在异步关闭操作下,闸前水位最高升高0.5m,远低于同步操作情况下的0.9m,可见异步关闸效果要明显好于同步关闸。

图6.1　南水北调工程某渠段采用不同闭闸方式下闸前水位变化图

但对于应急工况的污染渠段,若要控制污染物的传播,则要求闸门尽可能快速关闭。尽管异步关闸的效果更好,但是要求上下游的间隔时间为40min左右。而在应急情况由于允许开启退水闸,因此可采用开启退水闸来降低水位。所以,应急情况更倾向于采用同步闭闸的方式。

图6.2　南水北调工程某渠段采用不同闭闸方式下闸前水位变化图

由图6.2可以看出,在开启退水闸的情况下,同步闭闸也能控制水位波动在较小的范围内。由于事故渠段以及事故渠段上游允许开启退水闸,因此,对于事故渠段以及事故渠段上游,应当采用同步闭闸方式,若水位波动过高可以开启退水闸。而对于事故渠段下游,由于不允许开启退水闸,且为了满足向下游多供水的目标,应该采取异步闭闸方式,延长下游供水时间并减小水位涨幅。

事故渠段节制闸控制规则:事故渠段的上节制闸及下节制闸快速关闭至0开度。事故渠段上节制闸快速关闭是为了快速减少流入事故渠段的水体;事故渠段下节制闸快速关闭目的是防止水污染向下游渠道进一步扩散,以便及时采取措施净化被污染水体,若污染源扩散,则自动将事故渠段上下节制闸向上下游延伸。

事故渠段上游节制闸控制规则:按照同步控制的思路,上游各节制闸也迅速关闭至指定的开度,在这个过程中水位波动较大。若之后不采取任何操作则稳定后水位为等体积控制对应的水位,且整个系统从波动到稳定的过程较长。之后为满足水位达到目标水位,需再按照体积法的思路,计算得出各个阶段闸门的调整开度,直到流量达到目标流量,水位达到目标水位。

事故渠段下游节制闸控制规则:事故渠段下游各节制闸流量按体积法进行控制,并计算各闸的启闭时间及闸门开度。其目的是通过事故下游渠段闸门启闭时间及速率控制,维持过渡过程的水位变幅在较小的变化范围。