浐灞河庫壩聯合調度系統論證分析和應用

董旭榮,付曼蓉

(陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001)

第十四屆全國運動會已于2021年9月15日至27日在西安成功舉辦,開閉幕式展演了大型水幕光影秀《常來長安》,全運湖(即灞河1#液壓壩)寬闊的水面作為展演舞臺。

全運湖位于浐灞河交匯口下游,壩頂過水高度控制在8 cm～15 cm。全運會期間湖水的水質至關重要,組委會對湖水景觀的要求是“水質優良水量充足”和“一河清水”,水質達到地表水Ⅲ類標準,爭取達到Ⅱ類標準。

統計多年平均水資源量滿足運行條件,九月中下旬可能存在洪水、干旱、事故溢流、水體渾濁等情況,分析后認為只有建設浐灞河庫壩群聯合調度系統才能達到組委會對水質水量的要求。搭建平臺并接入水文、氣象、水質、雨量、視頻、等數據后,運行后基本實現了預測、預報、預演、預案即“四預”功能,全運會開幕式滿足了景觀水量要求[1-13],達到了30年來最佳水質,9月下旬連續降雨,平臺很好地起到防洪調度作用。目前是國內調控庫壩數量最多、調控水質水量最復雜的工程[14-16]。

1 基本情況

1.1 庫壩群布置

浐河入灞、灞河入渭,浐灞河為西安市城中河。灞河流域位于西安東南部,全長104.1 km,流域面積2 581 km2,非汛期河水清澈見底,洪水時因挾帶泥沙而渾濁,上游藍田區建有李家河水庫。浐河穿浐灞生態區入灞河,流域面積760 km2,全長66.4 km,洪水挾沙量較大,冬春季節較清澈,上游長安區建有湯峪等6座水庫。浐河和灞河流域建有30多座梯級壩,庫壩位置見圖1。

圖1 浐灞河流域庫壩位置示意圖

1.2 工程現狀

1.2.1 水資源現狀

浐河、灞河年均徑流量分別為1.02億m3、4.84億m3。浐灞河流域降水量年際變化大,具有峰高量大、陡漲陡落的特點,汛期洪水攜沙大;年徑流量的55%左右集中于7月—10月,最大月徑流量出現在9月、占年徑流量18.1%,最小出現在2月、占年徑流量1%。以灞河為例,年徑流量變化大于8倍,變差系數Cv約0.47。

表1 灞河徑流量年際變化統計表

浐河、灞河多年平均懸移質輸沙量131.39萬t、216.80萬t,兩河泥沙特征相似,河道來水年際變化大、水大沙多、水小沙少。輸沙主要集中在7月—10月,占全年輸沙量的84.43%,與徑流變化一致。浐、灞河徑流量比0.21,沙量比0.61,浐河含沙量更高更渾濁。

1.2.2 水工程現狀

本次調度核心為全運湖,蓄水量200萬m3,壩長403 m,沿河道長度4.56 km,1#壩原采用橡膠壩,本次改為液壓壩,見圖2、圖3。改建后的液壓壩沿河道寬度設60扇,液壓壩高3 m,閘頂水位高370.5 m、閘前底檻高程367.75 m,有效調節高2.75 m。右岸設有兩孔3 m×4.8 m調節閘用以泄洪,最大泄量40 m3/s。

圖2 灞河1#壩剖面圖

圖3 灞河1#壩運行圖

灞河上游建有水庫1座,浐河上游建有水庫6座。浐灞河流域建有30多座景觀壩,為橡膠壩、液壓壩及混凝土壩三種形式,形成景觀水面,閘前有一定量沉沙。分析計算后確定3座水庫、17座壩參與調控,經計算湯峪和岱峪水庫扣減供水后可用水量約350萬m3,李家河水庫扣減城市供水后可用水量900萬m3,壩群可用水量1 890萬m3,見表2、表3。

表2 參與調節的水庫信息統計表

表3 參與調控的壩群信息統計表

1.2.3 水環境現狀

浐灞河流域共有多處水源地、6處湖泊及濕地公園、5座城市再生水廠及35處入河排水口。監測結果顯示:全運湖水質為Ⅳ類,2020年實測水質達標率為45%,化學需氧量最大超標0.6倍、氨氮最大超標4.82倍。浐灞河流域常規監測斷面位置圖如圖4所示,浐灞河水質時空變化圖如圖5所示。

圖4 浐灞河流域常規監測斷面位置圖

圖5 浐灞河水質時空變化圖

要滿足組委會關于化學需氧量、氨氮等指標外,同時還應聚焦于濁度。濁度是衡量水質良好程度的一個重要物理特征指標,水中含有泥土、粉砂、微細有機物、無機物、浮游生物等懸浮物和膠體物都可以使水質變渾濁,水質分析中規定:1 L水中含有1 mg SiO2所構成的濁度為一個標準濁度單位,簡稱1 NTU。浐灞河水體濁度升高的主要因素為水土流失,減輕濁度主要依靠自然沉降的方式。視覺對濁度并不敏感,從輕微含沙量增加到很高含沙量,直觀感受都覺得水體混濁。

壩群立壩后形成多級沉淀池連續沉沙,沉淀過程中上清下濁,上部含沙量較低的清水過壩溢流向下一級,越往下游水越清。據觀察,汛后河水由濁變清時長需5 d～7 d。

1.2.4 信息化現狀

浐灞河流域有水文站3座(馬渡王、常家灣、羅李村水文站)及部分雨量站,水質監測斷面5處,水文信息可自動上報。壩群均不能自動控制,李家河實可自動控制,其余水庫沒有自控裝置。

1.3 基礎數據

水文:水文站的流量、水位數據可適時上傳至市水務局,上傳共享。

氣象:流域范圍衛星云圖數據上傳到市氣象局,上傳共享。

視頻:河道沿線110處、自建5處視頻數據,上傳共享。

水質:流域內再生水廠、排污口、水質監測數據,人工上報。

雨量:李家河水庫45個雨量站數據,上傳共享。

其余數據人工上報。

2 需求分析及策略

2.1 需求分析

根據景觀要求全運湖鋼壩頂溢水高度8 cm～15 cm,對應流量18 m3/s～40 m3/s。

據水文資料分析,9月平均降水概率38%,中、下旬降水量分別為52.6 mm、18.6 mm。九月逐日流量為1 m3/s～500 m3/s,平均天然徑流31.5 m3/s,大于全運湖運行最低流量18 m3/s。雖徑流分配不均,水資源量具備全運湖運行基本條件。建設聯調聯控系統,做好上游庫壩群水資源管理與調配,解決水多、水少、水混及水臟等問題。結合水景觀和防洪要求,調度內容如下:

(1)洪水調度:(Q≥100 m3/s概率10.67%);

(2)滯水調度:(40 m3/s

(3)蓄水調度:(18 m3/s

(4)補水調度:(1 m3/s

(5)水質調度;

(6)攔沙調度;

(7)攔污調度;

(8)應急調度。

其中第(6)、(7)、(8)為水質調度,其余為水量調度。

2.2 調控策略和構架

2.2.1 調控策略

庫壩群調控按照防洪安全、及時預警、實時調控三原則。調控策略為:

(1) 執行浐灞河流域防洪預案。

(2) 除保障壩外,其余以水質保障為主,特別是浐河壩群。

(3) 遇到極枯工況,及時啟動庫壩群對保障壩補水。

(4) 研判水雨情測報,全運會前至少一周、最好兩周立壩充水。

2.2.2 調度構架

全運期間水景觀保障可分為三個階段,即開幕式、中間期、閉幕式。開閉幕當日保障流量取40 m3/s、時長約18 h,日需水量259.2萬m3;中間期流量18 m3/s、時長6 h/d,40 m3/s、時長6 h/d,日需水量155.52 m3。依據庫壩空間位置,壩群類型、可用調控水量及控制方式等,構建浐灞河調度模型,灞河A壩為基本保障壩、B壩為間接保障壩,10#、16#壩為調控壩。調度拓撲關系如圖6。

圖6 浐灞河庫壩群調度拓撲關系

2.2.3 水量調度模型

(1) 產匯流連續演算模型

選擇改進的 SCS 模型建立產匯流方案[1],根據每個DEM 網格得到子區間CN 值,引入區域調整系數提高模擬精度,坡面匯流和河道匯流采用滯后演算法再分別進行參數率定,根據水雨情資料采用自適應隨機搜索算法率定參數,直到與流域內有三個水文站實測流量基本吻合。支流來水按照河道匯流演算,子區間產流按照坡面匯流演算,疊加支流和區間產匯流得到河流匯流結果;橡膠壩或液壓壩根據閘門立壩、 塌壩狀態計算得到出流過程。以此計算出產匯流、匯流節點、河道水流演進、控制壩出流全過程,并進行率定和驗證,利用遍歷算法、 自下到上反推控制壩調度方式。

(2) 水量調度算法

運行期三階段水量分配和時長構成了獨立又關聯耦合系統,在粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO) 基礎上[2],采用并行性協同粒子群優化算法 (Coordinated Particle Swarm Optimization,CPSO)[3],求解三階段子系統各自目標函數,耦合得到系統最優解,最終確定水景觀調控方式[4]。水景觀流量計算如下:

(1)

聯合調度模型需滿足水景觀與庫壩群的動態平衡,考慮直接和間接控制壩、上游庫壩、立壩狀態、庫容等因素,具體影響如下:

1) 水景觀流量

(2)

2) 直接控制壩灞河A壩水量平衡

(3)

3) 間接控制壩灞河B壩水量平衡

(4)

4) 上游庫壩群水量平衡

(5)

2.2.4 水質調度模型

(1)泥沙成因和沉降模型

土壤侵蝕是造成河流汛期濁度上升的首要因素,加劇汛期產沙,造成浐灞河濁度在汛期上升,嚴重影響水質和景觀效果。

土壤侵蝕研究中,國內外學者建立了許多數學模型[1],應用最廣泛的是USLE(Universal Soil Loss Equation)土壤侵蝕模型。影響土壤侵蝕的因子有降雨侵蝕力(R)、坡度(S)、坡長(L)、土壤可蝕性因子(K)、植被與作物管理因子(C)、水土保持措施(P)等,國內學者根據我國實驗資料不斷改進修正,得到適用于我國的計算方法[5]。

1) 推移質沉降模型

推移質泥沙沉降速度:

(6)

式中:ω為泥沙沉降速度;ν為水的運動粘度;γs1為泥沙的重度;γ為水的重度;D為泥沙粒徑;g為重力加速度。

2) 懸移質沉降模型

懸移質為重力和水流紊動共同作用,計算公式如下:

(7)

式中:εs為懸移質豎向擴散系數;γs2為床沙干重度;S為含沙量。

3) 庫壩泥沙沉降運移模型

懸移運動的泥沙粒徑很小,隨水流而紊動。庫壩懸移質泥沙隨沿程變化的運移模型公式如下:

(8)

據庫壩泥沙的運動規律建立懸移泥沙的沉降模型和運移模型,得出懸移泥沙在不同位置的空間分布特征,具體為:懸移泥沙濃度沿水流方向逐漸減少,垂直方向的濃度從上到下逐漸增加,泥沙沉降后出現的上清下渾現象,計算后一般需5 d～7 d可以澄清。

(2) 水體納污稀釋模型

據全運湖水質要求,結合現狀水質及入湖污染物推算稀釋需水量,公式如下:

(9)

式中:Qi為稀釋需水量;Ls為單位湖水面積磷的水域納污能力;V為湖體庫容;Ra為磷在湖中的滯留系數;Ps為湖中磷的年平均控制濃度;h為湖平均水深。

經計算全運湖受第三污水廠污染后稀釋需水量為457萬m3/a。

丹麥水力研究所研發的DHI系列軟件是目前廣泛應用并經工程驗證模型軟件,MIKE 21是其中的水動力學軟件,采用MIKE 21中的水動力模型(HD)模擬水流流動,采用水質模型(TR)模擬污染物的遷移擴散。主要應用模型如下:

1)水動力數學模型

二維水動力數學模型的控制方程是由質量守恒方程和垂向積分的動量方程組成。

質量守恒方程:

(10)

x方向動量方程:

(11)

y方向動量方程:

(12)

式中:ζ為水位;t為時間;x和y為空間坐標;d為隨時間變化的水深;h為水深;p、q分別為單寬流量在x與y方向上的分量;C為謝才系數;g為重力加速度;f為風摩擦系數;V、Vx和Vy分別為風速及其在x與y方向上的分量;Ωp與Ωq分別為x、y方向的科氏系數;pa為大氣壓強;ρw為水的密度;τxx,τxy,τyy為有效切應力分量。

2) 水質數學模型

采用MIKE21的對流擴散模塊(TR模塊)計算污染物濃度分布,建立的水質數學模型的控制方程為:

(13)

式中:Dx、Dy分別為x和y方向上的擴散系數;c為污染物濃度;F為衰減系數;S為源匯項;其它符號含義同水動力模型控制方程。

3) 模型計算區域及模型建立

采用Mesh Generator將邊界地形文件導入并進行邊界平滑處理,對全運湖進行非結構化網格單元劃分生成網格文件,將水深差值網絡劃分插入后得到地形圖,見圖7,計算時間15 d。

圖7 網格劃分及污染擴散示意圖

第三污水廠總溢流量30 000 m3、時長28 h,此時河道流量7.95 m3/s,經計算需要14 h,可達到地表水Ⅱ類。

3 水量水質調控方案

8月29日開始向灞河A、B壩充水,開幕式前平臺投入運行,運行期一年。

3.1 水量調控

3.1.1 洪水調度

流量為Q>100 m3/s時,壩群塌壩運行,執行“浐河灞河防洪預案”。當羅李村、常家灣流量水文站流量減到30 m3/s、馬渡王水文站流量減到50 m3/s時,壩群自下向上逐級立壩。并考慮攜沙量等因素,選擇全立或半立。

3.1.2 滯水調度

流量為40 m3/s80 m3/s時不能滿足景觀要求。

3.1.3 蓄水調度

流量為18 m3/s

3.1.4 補水調度

流量為1 m3/s≤Q<18 m3/s時,其中流量4 m3/s≤Q<18 m3/s發生概率為57.63%,壩群下泄補水滿足景觀流量;流量小于4 m3/s發生概率為13.7%,為應急工況,壩群和李家河水庫聯合調度加大補水,滿足景觀最小流量。凈補水量最大約1 016.08萬m3,其中水庫最大補水量為622.08萬m3。

3.1.5 應急調度

遇突發涉水事件,分析水雨情勢,研判調度方案,保障防洪和水環境安全。

3.2 水環境調度

3.2.1 水質調度

考慮河道排污口超排、第三再生水廠雨污溢流工況,采用MIKE 21中的水動力模型(HD)模擬水流,采用水質模型(TR)模擬污染物的遷移擴散。通過水質分析計算,結合聯合調度計算,根據不同工況調控上游清水補給量。

以近十年來排放最差的水質作為計算邊界,稀釋后達標時間見表4。

表4 最差水質時水質達標時間表

雨污溢流時A壩蓄滿稀釋更快,以2020年9月20號雨污溢流最為嚴重,總溢流量30 000 m3、時長28 h,平均q=0.298 m3/s,此時全運湖邊界條件:COD濃度為15 mg/L、NH3-N濃度為0.5mg/L,以此為邊界條件進行計算,結果見表5。

表5 雨污溢流時水質達標時間表

3.2.2 攔沙調度

隨著洪水下泄河水濁度逐漸升高,達不到景觀要求。洪水過后,根據壩群運行狀態和流量,調度壩群,分級、分時立壩攔沙,加速泥沙沉淀,減少泥沙進入全運湖,經5 d～7 d沉沙后水體濁度小于40 NTU,可滿足景觀要求。

3.2.3 截污攔漂

浐灞河道汛期隨洪水飄下較多樹枝、生活垃圾等漂浮物,從高鐵橋下依據橋墩建有攔污網攔截污物,網格尺寸100 mm×100 mm,人工打撈、保持湖面清潔。

4 調度效果驗證

浐灞河庫壩聯合調度系統的調度指揮中心設在五常驛,調度工作組在自5月份起進行了5次演練,平臺運行后進行多次參數率定,精度從55%提高到接近80%。2021年為近60年來降雨量最大的一年,多個水文站水流量超警戒線。先后經歷了“8.19”、“8.31”、“9.06”、“9.16”、“9.23” 等多次強降雨過程,很好地調度了5場洪水。

以“9.06”洪水調度為例,實時監測洪水衰減及強降雨過程,9月2日起浐河水濁度一直維持1000+NTU,9月3日—4日降雨后,灞河水濁度在6日也達到1000+NTU,河水非常渾濁。經預測未來一周不會有降雨,對李家河水庫、灞河壩群、浐河壩群實施“庫壩聯調、河庫錯峰”、“由上至下,梯級立壩”、“半壩滯洪、分級沉沙”的調度方式,7日晚8時開始浐河灞河逐級立壩,李家河水庫不再泄洪,13日湖水濁度已由1000+NTU降至20NTU,全運會開幕式當日湖水清澈見底,達到了“水量充足、水質優良”、“一河清水”的目標,水質達到地表為三十年來最佳,地表水質達到Ⅱ類標準,濁度時空變化見圖8、圖9,說明調度效果非常好。

圖8 調度期浐灞河濁度時空變化趨勢圖

圖9 調度期浐灞河濁度變化實景

9月23日至26日持續降雨,洪水達到40年一遇。25日8時測得浐河流量271 m3/s、灞河259 m3/s,灞河小于浐河概率1%,可見浐河防洪壓力很大。李家河水庫庫水位距離正常蓄水位僅0.5 m,通過云圖預測到25日大雨,結合水雨情預報,測算李家河水庫庫區降雨量1 100萬m3～1 500萬m3,根據預報確定方案后進行預演,并確定預案,以120 m3/s的流量提前泄洪,騰出庫容1 200萬m3,25日晚入庫流量持續下降,水庫安全度過洪水。河道壩群于24日早8點全部塌壩放空迎汛,李家河控泄流量控制在200 m3/s左右,錯開與浐河匯流時間,避免最大洪水值匯合,減輕了下游河道防洪壓力。防洪過程中調度系統的預測、預報、預演、預案起到關鍵性指導作用。預測趨勢正確,預測流雨量、流量值有一定誤差,準確率接近80%,以后還需要繼續加強率定。

5 結 語

該系統為在全運會期間出色完成了調控任務,同時在代運營一年中出色完成了防洪任務。本次研究進行了水庫和梯級壩聯合水量精準調度,分析了泥沙成因和泥沙沉降機理,進行了污染后水質達標計算,平臺主要發揮了以下作用:

(1) 大大提高了流域防洪能力?？刂破脚_納入全流域水文、雨量、水庫、壩群信息,結合各自運行方式,分級調控,提高流域整體防洪能力。

(2) 提高了流域水資源利用效率。充分利用水資源,實時統一調度,發揮水庫調蓄作用,解決用水與水景觀需求之間矛盾。

(3) 節約流域巡防成本,提高了管理效率?？刂破脚_作為庫、壩、河的監控和調度管理中心,實現了對流域內各涉水工程梯級調度管理,精簡了調度和巡視作業,優化了管理方式。

本次研究是國內聯調聯控數量最多、研究內容最豐富、調控最嚴格的研究,并取得了成功,在國內起到很好的示范作用?？紤]下一步擴展為數字孿生平臺,可用于水資源調配和精確控制、河道防洪、調水調沙、城市景觀等智慧化水利建設。