王浩　雷曉輝　尚毅梓

摘要：南水北調中線工程具有輸水線路長、涉及區(qū)域廣、參與工程多、調水規(guī)模大、輸水工況多變等特點，給工程的調度、控制和運行管理帶來極大困難。工程上技術的難題在于其背后的科學機理性問題并沒有完全揭示和解決，包括變化條件下多水源聯(lián)合多維均衡調控機制、水量水質多過程耦合機理、多物質突發(fā)水污染應急調度模式、多閘門聯(lián)合運用下的明渠水力學響應機理與控制等。為建立一套完備的技術體系來支撐其調度運行，圍繞“預報-調度-模擬-控制-評價”這五個關鍵環(huán)節(jié)對現有研究進行分類總結；然后，在綜述以往研究不足的基礎上，對亟需攻關的關鍵技術進行了詳細闡釋，涵蓋了水源區(qū)與受水區(qū)預報調度、總干渠冰水污染多相模擬、總干渠水量水質聯(lián)合調度、中線全線自動化控制技術、調度評價技術與平臺建設等多個方面；最后，文章討論了實現中線智能調控和應急調度亟待解決的科學問題，并進行了研究總結。

關鍵詞：南水北調中線工程；智能調控；應急調度；關鍵技術

中圖分類號：TV68 獻標識碼：A 文章編號：1672-1683f2017102-0001-08

南水北調中線工程（中線工程）可解決河南、河北、北京和天津4個省市的水資源短缺問題，具有重要的戰(zhàn)略意義。中線工程于2003年12月30日開工建設，并于2014年12月12日正式通水。中線工程從丹江口水庫調水，全程自流，跨越長江、淮河、黃河、海河四大流域，設計年均調水量95億m³。中線工程具有如下幾個特點：第一是長距離輸水。中線總干渠長1 432 km，沿線共被63座節(jié)制閘和1座泵站分為63個渠段，閘泵群聯(lián)調困難、潛在的污染點較多、工程建設和運行的要求非常高：第二是水力建筑物種類繁多，水流非線性極為顯著，精確控制比較困難；第三是調水量大且無在線調節(jié)水庫。中線渠道在設計流量下渠池水深比較大，渠池蓄水量大，應對突發(fā)事故的調控能力小：第四是水流由低緯度流向高緯度，在冬季運行，黃河以北渠段容易出現冰情。

為了支撐中線工程的自動化調度、控制和運行管理，在“十一五”和“十二五”期間，科技部、國務院南水北調辦公室和中線干線工程建設管理局（中線局）設置了一些項目/課題進行研究。2005年，國務院南水北調辦公室組織相關單位開展了“南水北調中線一期長距離調水水力調配與運行控制技術研究及應用”。2006年，科技部設置了“十一五”科技支撐項目，其中中線相關課題有“南水北調中線水資源調度關鍵技術研究”和“中線工程輸水能力與冰害防治技術研究”。2007年，中線局委托相關單位設計了南水北調中線干線工程自動化調度與運行管理決策支持系統(tǒng)，并于同年開展了南水北調中線一期工程總干渠供水調度方案研究及編制工作。目前，中線工程運行管理決策系統(tǒng)已經建成投用，系統(tǒng)包含閘站監(jiān)控、水量調度、工程防洪、水質監(jiān)測、信息管理等功能模塊，為科學水量調度、閘群的集中控制提供了基礎。為應對中線突發(fā)水污染等其它緊急情況，2012年，科技部在“十二五”水專項設置課題，研究了南水北調東中線水質水量聯(lián)合調控與應急處置關鍵技術，并對其中一些技術進行示范應用。2015年，科技部在“十二五”科技支撐計劃中，設置“南水北調中線干線工程應急運行集散控制技術研究與示范課題，重點圍繞應急工況下的中線自動化控制開展研究。

上述項目/課題在中線工程水資源調配、常規(guī)和應急調度控制、工程運行管理等方面取得了諸多成供決策支持。胡惠方完成了鄭州市的工業(yè)、農業(yè)和生活需水量預測，王雪梅對河北省的生活、工業(yè)、農業(yè)和生態(tài)需水量進行了預測。

總體來看，中線工程已經建立的預報模型還沒有完全覆蓋中線水源區(qū)與受水區(qū)整個區(qū)域：也沒有專門的氣象模型，無法為中線的冰期和生態(tài)調度提供氣溫、水溫等信息支持。因此，建議開展針對中線工程全線開展建立集合預報模型研究，研究長中短期嵌套集合預報模式，以提高預報的準確性，增強預報對調度的指導作用。

1.2模擬

模擬模型是調度、運行決策基礎。模擬既包括常規(guī)的水動力學模擬，還包括極端情況下的冰期模擬和水質污染下的污染模擬等。針對渠道糙率，王開等通過模型模擬分析了中線總干渠糙率變化對水面線及過流能力的影響：馬吉明等通過水槽試驗研究了糙率變化對中線干渠輸水過程的影響。此外，王光謙等通過模型試驗與理論分析，得出中線干渠的糙率合適取值；楊開林等通過擬合實測數據，得出了糙率的經驗計算公式。為考慮倒虹吸的影響，王開等計算了倒虹吸的局部水頭損失系數。陳文學等分析了橋梁對中線渠道水流形態(tài)改變和渠道過水能力的的影響，方神光等分析了分、退水閘啟閉下的渠道非恒定流過渡過程。在以上研究的基礎上，方神光等通過對閘門、渡槽、倒虹吸等復雜水力建筑物進行概化處理，建立了一維模型，能模擬各種工況下的渠道水力響應過程。在冬季運行時，黃河以北700 km渠道中的水流由于受寒冷氣溫的影響，將有不同程度的冰凌產生。因此，穆祥鵬等開發(fā)了冰期輸水模擬模型。范北林等。分析了中線冰期輸水過渡過程，并且預測了中線冰期輸水渠道冰情發(fā)展的時空分布特征；劉國強綜合利用模型試驗、數值模擬等多種手段，評估了中線冰期輸水能力。南水北調中線總干渠沿線的跨渠橋梁、交叉河流和化學品企業(yè)眾多、劣質地下水內排段長，藻類滋生條件富足，容易發(fā)生各種類型的水質污染事件。因此，雷曉輝和陳翔等開發(fā)了中線一維水質模型，朱德軍開發(fā)了一維及二維水質耦合模型，能夠較精確的預測污染擴散過程。

當前，中線所采用的水動力學模型、冰期輸水和污染擴散模擬模型主要是一維模擬模型，尚無法精確模擬渠道邊壁及水力建筑物對水流影響。當受水區(qū)配套工程完善后，中線工程是由水源區(qū)、干渠、配套工程等組成的復雜輸配水系統(tǒng)，應建立統(tǒng)一的耦合模型進行模擬。此外，為精細化模擬，還應該針對不同的工況研究建立二維、三維模型。

1.3調度

中線工程的運行調度研究，多針對水源區(qū)和中線干渠分別開展研究。水源區(qū)丹江口水庫調度的首要目的是供水，但其還有防洪、發(fā)電、生態(tài)、航運等功能。楊光等考慮未來徑流變化，建立了丹江口水庫調度規(guī)則。王浩和董延軍等建立了中線準市場水量分配模型來分析水源區(qū)的可調水量和受水區(qū)的需水量，在此基礎上建立丹江口水庫水量調度方案。中線干渠的調度包括常規(guī)、應急和冰期輸水3個方面。常規(guī)調度即是面對分水口流量變化，對閘門開度進行調整，以滿足閘前常水位的運行方式，目標就是在滿足渠道運行安全的情況下，使渠道輸水流量快速而平穩(wěn)地過渡到目標流量，黃會勇建立了常規(guī)調度模式下的閘門群調度規(guī)則。為了應對中線潛在的突發(fā)水污染事件，王浩和雷曉輝等建立了“數值模擬-評價診斷-溯源預測-應急調控污染處置”5大環(huán)節(jié)于一體的應急調度技術體系，練繼建等、聶艷華、房彥梅等在事故渠池上游段、事故渠池和事故渠池下游段建立了相應的應急調度規(guī)則。針對冰期輸水調度，楊開林等建立了通過控制水位、流量來防止中線冰期輸水發(fā)生冰凌災害的冰期輸水調度規(guī)則。

1.4控制

控制是實現調度目標的具體措施。常規(guī)控制算法大致可分為“前饋”控制算法、“反饋”控制算法以及“前饋+反饋”控制算法。明渠非恒流輸水的水動力學過程具有強耦合、大時滯等非線性控制特點，導致傳統(tǒng)控制算法具有有限的適用性?！扒梆仭彼惴ㄝ^為簡單，主要的機理是通過提前蓄量補償來減小渠池的水位波動，但無法保證中線閘前常水位運行。“反饋算法主要是將自動化控制領域的集中控制算法應用于渠道模型。尚毅梓。將魯棒控制算法應用于中線渠道，相關試驗結果表明采用閘門魯棒算法可以避免有限擾動造成的控制失穩(wěn)。此外，楊樺等、安寧分別將模糊控制算法、預測控制算法應用于模擬渠道，也都取得了較好的效果。韓延成等提出了采用流量水位分層控制的邏輯思路，這是一種有益的嘗試和探索。針對中線應急控制，尚未報導有較為成熟的控制算法。針對冰期運行，穆祥鵬等提出了防控冰凌災害的運行控制算法，但沒有考慮實時可能發(fā)生的氣象條件變化。

總體而言，已有的控制算法研究推進我們對中線工程運行控制問題的認識，但不能完全解決中線的所有的控制問題。建議根據中線實際特點，應針對明渠輸水的分布式、多點、非穩(wěn)態(tài)控制的特點，開展分級、分層的實時、智能控制研究。

1.5評價

目前，在應急預案評價、河流健康評價等方面取得了較好的應用效果。這些評價方法都是先建立評價指標體系，然后進行分析，但有著主觀影響較大的缺點。但是，對中線的評價技術研究很少，目前只有針對丹江口水庫的水質的評價方法，對其他方面尚未涉及，這是一塊亟需研究填補的空白。

2亟需攻克和解決的技術難題

前述研究極大的推進了我們對中線工程問題的認識，但是以下八個方面技術難題還沒有完全解決，需要深入研究。這八個方面的技術構成了中線智能調度研發(fā)核心技術體系（圖2）。

2.1中線工程水源受水區(qū)預報技術

為滿足新形勢下的中線水資源綜合調度需求，需要建立集成氣象、水文、徑流預報還有用水預測模型的預報/預測平臺。實現此項目標，我們還需要繼續(xù)深入開展以下四方面的研究：（1）基于數值天氣預報模式，研發(fā)漢江流域長中-短期多層嵌套的降水集合預報模型；（2）統(tǒng)計分析前期徑流、降水等數值關系，并考慮氣候變化對未來降雨徑流影響，研究建立變化條件下的漢江流域分布式水文模型和丹江口水庫來水長中短預報模型；（3）研究建立中線工程沿線受水區(qū)的氣象預報模型，為中線工程的調度運行提供氣溫、水溫等信息輸入；（4）研究建立受水區(qū)大中型水庫來水長中短預報模型。

2.2變化環(huán)境下水源水庫水資源多目標調度技術

目前，水源區(qū)條件較設計之初也發(fā)生了變化，中線通水后，又規(guī)劃建設鄂北調水等大型調水工程，影響丹江口水庫的調度。氣候變化不只影響水源區(qū)的降雨與徑流，也影響著水源區(qū)的水量調度目標：此外，輸配水過程中還存在著諸多不確定性的風險，如污染，水華等。因此，需要分析研究這些新的情況和形勢對中線工程影響，研究兼顧多項效益目標的水源水庫水資源調度技術和方法，包括以下研究：（1）開展變化環(huán)境下的漢江流域水循環(huán)機理研究，研究氣候變化對水源區(qū)水資源可利用量的影響，評估丹江口上游水庫群、下游需用水變化和新建外調水工程對丹江口外調水量的影響：（2）建立水污染事件風險評估模型，估計和預測水污染發(fā)生概率，研究通過改變水庫流場來防止污染物進入中線干渠的陶岔閘和丹江口大壩聯(lián)合運用方式；（3）研究通過徑流調節(jié)抑制藍藻水華發(fā)生的水庫群調度方式和方法；（4）研發(fā)水源區(qū)水庫群水資源多目標優(yōu)化調度模型。

2.3變化條件下受水區(qū)多水源聯(lián)合調度技術

2012年全國開始實施“最嚴格水資源管理制度”，在這項制度的引導下中線受水區(qū)用水結構發(fā)生較大變化，再生水、海水淡化等非常規(guī)水資源利用效率得到了較大幅度的提升，減少了受水區(qū)對外調水的需求；受水區(qū)某些省份，譬如河北省，借助中線工程通水的契機，開展了超采區(qū)的地下水的壓采工作，增加了河北省的外調水的需調水量。因此有必要針對這些變化的條件開展分析，分析這些變化對受水區(qū)用水影響，研發(fā)受水區(qū)多水源聯(lián)合調度技術，包括以下內容：（1）評估“最嚴格水資源管理制度考核辦法”對外調水使用量的影響，分析“考核辦法”實施前后受水區(qū)用水量和用水習慣的變化；（2）評估受水區(qū)再生水、海水淡化等非常規(guī)水利用對外調水使用量的影響，量化分析中線供水配套工程逐步建成后受水區(qū)的用水結構變化：（3）評估受水區(qū)水源轉換對超采區(qū)地下水恢復影響；（4）研究建立受水區(qū)多水源聯(lián)合優(yōu)化調度模型，為調度和分水方案優(yōu)化提供技術支撐。

2.4總干渠冰水污染多相多過程耦合模擬技術

中線干渠的潛在污染源和污染物種類較多，污染物的擴散會受到中線復雜水力建筑物的影響，這造成了中線的污染過程擴散模擬和追蹤溯源有較大的難度。在冰期為防治冰害，需考慮氣候的影響，完善冰期冰凌形成原理，并模擬冰情發(fā)展過程。因此需開展以下研究內容：（1）分析中線干渠閘門、橋梁、渡槽、倒虹吸等過水建筑物對明渠輸水過程的影響，研發(fā)能夠精細化模擬水流形態(tài)的一維、二維或三維的耦合模擬模型；（2）研發(fā)水動力學模型參數的在線辨識技術，能夠使水動力學模型根據實測數據動態(tài)調整參數，以進一步提高模擬計算的準確性；（3）研究建立與天氣預報相耦合的冰情發(fā)展模擬模型；（4）分析不同類型污染物擴散特點，研發(fā)針對整個輸配水渠系的污染擴散預測與溯源追蹤技術；（5）研發(fā)地表水與地下水的耦合模擬模型，分析地下水內排對南水北調中線干渠水質的影響；（6）研究多模擬模型集成耦合技術，研發(fā)模型的快速求解技術，實現渠道冰、水動力學和污染擴散過程的在線實時模擬。

2.5總干渠應急工況下水量水質聯(lián)合調度技術

中線工程沿線存在突發(fā)水污染事故等應急工況，建議開展以下四方面研究：（1）研究能夠靈活應對突發(fā)水污染事件的渠道運行方式，建立節(jié)制閘、分水口門退水閘聯(lián)合運用規(guī)則；（2）研究運用閘門、分水口門和退水閘聯(lián)合進行污染防控的技術手段和保障機制，制定科學合理的閘群應急調度預案；（3）以工程安全（水力、水質安全）為主、以經濟調度（減少棄水、簡化閘門操作程序）為輔，研究建立中線干渠的水量水質的聯(lián)合調度模型，保障事故發(fā)生后中線干渠能夠快速恢復至常態(tài)的閘前常水位運行方式；（4）針對受水區(qū)遭遇嚴重干旱情景，開展中線工程應急供水研究。

2.6總干渠閘泵群非線性耦聯(lián)智能控制技術

中線總干渠63個渠段通過水流波動相互關聯(lián)，但這種關聯(lián)和作用是非線性的。非線性是水流、閘門/泵站動態(tài)調節(jié)、渠道水力運行要素相互關聯(lián)的紐帶，是控制系統(tǒng)內外協(xié)同、進行水力輸移機理研究的關鍵。我們需將閘門控制算法與渠道運行方式結合起來考慮，開展渠道運行方式、控制方式和閘門控制算法的適用性和匹配性研究：（1）檢驗渠道現有運行模式、實現方式和閘門自動控制技術的合理性和控制精度；（2）研究分段子系統(tǒng)渠道水力特性對控制系統(tǒng)影響的物理機制，探索合理的渠道運行方式和閘泵控制器；（3）改進渠道運行模式，開發(fā)動態(tài)耦合控制模式和控制算法，研發(fā)開發(fā)中線總干渠閘泵群實時控制平臺；（4）研發(fā)冰期輸水過程控制技術，研究制定冰期輸水的閘泵群安全調度操作程序；（5）研究極端、事故條件下的分級、分段控制模式，研發(fā)能夠處理常態(tài)和應急工況的閘泵群全自動控制平臺。

2.7南水北調中線調度全周期評價技術

全周期評價是指對模型、調度方案及效果等進行客觀的分析，不斷總結經驗教訓，并通過及時有效的信息反饋，為調度決策完善和供水相關的方案計劃修訂提出建議。通過全周期評價不斷對模型、方案進行持續(xù)改進，實現調度綜合效益最大的目標。建議開展以下研究：（1）開展預報的準確率分析，從提高預報精度入手，研究建立針對氣象、水文和徑流預報模型的性能評價指標和模型；（2）開展模擬模型的標定和校核研究，研究建立水文模擬，水力學模擬、污染擴散模擬、冰期發(fā)展模擬等模擬模型的性能評價指標和模型；（3）從水資源的供需平衡角度入手，分析供水計劃的完成情況，研究建立能夠衡量中線工程水資源優(yōu)化配置效果的指標和模型；（4）綜合考慮系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性、快速性和準確性，研究建立控制性能評價指標和模型；（5）圍繞“預報-模擬-調度-控制”四個關鍵環(huán)節(jié)，研究建立能綜合全面反映調度措施執(zhí)行效果的評價指標體系和模型。

2.8中線工程常態(tài)與應急調度云服務平臺

中線工程的云服務平臺就是將前述的先進技術進行集成，以支撐中線工程全自動化運行與智能調控。要實現這一目標，需開展如下四方面研究：（1）分析提取云服務平臺所集成模型的通用、共性功能，對這些功能進行抽象封裝后形成應用組件，建立可以相互調用的模型或應用組件庫；（2）研究中線工程現用應用系統(tǒng)之間信息交互方式，針對中線業(yè)務系統(tǒng)的需求以及閘控系統(tǒng)的需求，設計數據庫關聯(lián)關系和范式；（3）研究構建滿足用水戶和控制中心雙向信息交互的云服務平臺，滿足既能在云服務平臺進行信息展示，又能通過云服務平臺收集水廠、用水戶需求；（4）研究閘泵群控制系統(tǒng)與云服務平臺的接入方式，研究云服務平臺下信息隔離和共享技術，通過對不同的用水戶設置不同的權限來達到平臺的信息安全和信息共享。

3核心科學問題

中線工程的運行調度控制是工程技術問題，但是鑒于其工程自身的復雜性和諸多組成要素的耦合關聯(lián)特征，要研發(fā)核心調控技術，需要開展科學問題集中攻關。核心科學問題如下。

（1）變化條件下多水源聯(lián)合多維均衡調控機制。跨流域調水渠道跨越多行政地區(qū)、多地質結構、多地貌形態(tài)，同時由于水源區(qū)供水量以及受水區(qū)的需水量的不確定性，需要深刻認識水資源調度具有社會效益、工程效益、經濟效益等多維性特點，綜合考慮未來可能的條件變化，以及當前目標調整情況，找出多水源聯(lián)合多維均衡調控的方法和理論。

（2）水量水質多過程耦合機理及逆時序反問題求解。中線的過水建筑物眾多，復雜內邊界條件造成渠道水流形態(tài)復雜，不僅影響到水動力學過程調控，同時也影響到渠道物質的對流擴散。因此，因此需要研發(fā)中線水量水質一、二、三維模模型。并在一維、二維、三維模型的基礎上研究追蹤溯源技術。

（3）長距離調水系統(tǒng)多物質突發(fā)水污染應急調度模式。不同的污染物具的擴散機理不同。我們必須針‘對多種潛在污染物質，開展污染物擴散特性研究，研發(fā)針對不同類型污染物的應急調度模式。

（4）多閘門聯(lián)合運用下的明渠水力學響應機理與控制。任一閘門動作都會影響到上下游渠池控制點水位，上下游閘門同時操作將會造成水位、流量波動的疊加，危及渠道安全運行。分析多閘門聯(lián)合運用下的明渠水力學響應，開展渠池間波動耦合機理研究，研發(fā)合適的渠道運行模式和閘群控制算法，提高輸水安全性，提升輸水效率。

4結論

中線工程可解決河南、河北、北京和天津4個省市的水資源短缺問題，具有重要的戰(zhàn)略意義。中線工程輸水線路長、水力建筑物眾多、工況復雜多變、尤其是存在突發(fā)水污染事故等應急工況，對中線調度控制和運行管理造成困難。此外，隨著經濟社會的發(fā)展和流域水文條件的變化，現在中線水源和受水區(qū)的自然水文和用水情況都較設計階段發(fā)生了較大改變。因此亟需對中線調度運行中存在的關鍵技術難題開展研究，研發(fā)中線工程的智能化調控和應急調度平臺，支撐中線智能化安全運行。開展這項研究需要從“預報-模擬-調度-控制-評價”五個關鍵環(huán)節(jié)開展，研發(fā)包括水文預報、水庫調度、渠道水力特性模擬、渠道污染擴散分析、閘泵群自動化控制等在內的多種技術，涵括工程的調水方案編制到實時閘門操作的整個流程上的科學問題。解決這些關鍵技術難題和科學問題，將有助于最大發(fā)揮中線工程的綜合效益。