应急调控关键技术与应用：调整跨流域调水工程的运行方式

闸前常水位运行方式是最常见的“供水型”渠道的运行方式,其具有以下的优点:

(1)渠道的尺寸可以按最大输水流量设计,稳定流状态的水深从不超过设计流量下的正常水深,因此渠道的尺寸和超高可以达到最小,从而降低了工程建设费用。

(2)分水闸通常位于渠段的下游端附近,这使得分水闸能按渠中最大的且稳定的水深设计,也避免了因水位太低或水面波动给用户带来的配水问题。

但同时在闸前常水位运行方式下,由于渠道的蓄水量和需水量变化趋势刚好相反,这种运行方式也会带来以下的缺点:渠道的响应速度较慢,恢复特性相对较差,易造成水量损失或用户供水不足。而且在应急工况下,需水量的改变是很迅速的,且改变量很大(从正常输水到停止供水)。

综上,目前设定闸前常水位为应急调控采用的运行方式。该运行方式具有输水能力大的特点,同时存在响应与恢复特性差的缺陷。现有的闸前常水位运行方式具体的应急调控能力如何,能否进一步改善提高,亟须开展研究。

图6.3　等容积运行方式

等体积控制具有“保水量”的特点。等容积运行方式时,渠段内蓄水量在任何时刻均保持不变。当流量从一种稳定状态转变到另一种稳定状态时,水面以位于渠段中点附近的支枢点为轴转动。等容积法运行方式有时也称为“同步运行法”,因为该运行方式常通过同步控制上、下游闸门来保持蓄水量的稳定。渠段楔形蓄水量的变化出现于渠段中间支枢点的两侧,如图6.3所示。对于一个给定的流量变化,支枢点两侧的楔形状蓄水量变化相等,方向相反。当流量减少时,上游楔形状蓄水量减少,下游楔形状蓄水量增加;当流量增加时,则出现相反的情况。

等体积运行的优点:工况转换过程中,渠池的蓄量不变,因此,等体积运行能迅速改变整个渠系的水流状态。这尤其适合于应急工况使用。

等体积运行的可行性分析如下:

分析等体积运行的可行性,应识别并测试其最不利工况。(www.xing528.com)

若工程正常输水期采用闸前常水位方式,应急期切换至等体积运行方式,为保证切换过程中快速平顺,切换前后不应从相邻渠段补充或排出水量,因而等体积运行时的渠道蓄水量应与闸前常水位运行的相等。

闸前常水位方式下渠道所蓄存的水体积随流量变动,流量越大,蓄量越多,对应渠道运行安全裕度越小。类似地,该工况下切换为等体积运行时对应的安全裕度最小。因此,测试等体积运行时,其蓄量应采用闸前常水位设计流量下的蓄水量。

相等蓄量下,等体积运行的水面线并不唯一,而是随流量变化转动,其中最不利情形为0流量下对应的水平水面线,这是因为此时在渠段下游端部位,即下游节制闸闸前处水面线最接近堤顶。因而,等体积运行方式的测试流量应为0流量。

综合以上分析,应急等体积运行最不利工况为流量为0,蓄量于闸前常水位设计流量下的蓄量的工况。

等体积运行最不利工况下中线各渠池水位抬升最大值发生在闸前,根据设计流量下闸前水深Hd和各渠池闸前常水位运行设计流量,使用明渠恒定均匀流程序计算水面线,并分段积分,得到各渠池的蓄量V0。其次,以渠池蓄量V0为目标,0流量为已知条件,设定不同的闸前水深,采用二分法试算,直至确定对应的Hd1,即为等体积运行最不利工况下中线各渠池闸前水深。以某输水工程为例,计算其等体积运行最不利工况下水位抬升值与工程安全富余值,见图6.4和图6.5。从图中可知,该输水工程上游渠段有足够的富余值实施等体积运行,下游较多的渠池没有足够的富余值。

图6.4　等体积运行较闸前常水位运行闸前水深抬升值(最不利工况)

图6.5　等体积运行闸前水位安全富余值(最不利工况)

综上所述,对于应急情况,在条件许可的时候可考虑不使用正常运行时的闸前常水位运行方式,而采取等体积运行方式。