华北平原区域沿海线与东中等不同输水线路及水系联合组网数字化调水方法与流程
本发明涉及输水领域，特别涉及中国北方不同输水线路的组网互联互通，进行线网间水资源联合调配与平衡方法。
背景技术：
为解决我国北方缺水问题，规划了南水北调的东、中、西三线方案，东线与中线已建成运营，对于缓解华北地区的缺水问题意义重大，但调水能力相对较低，年调水不足100亿m³，仅能解决沿线少部分城市的生活用水问题。目前，在两线调水运营状态下，河南、山东、河北、北京及天津5省市每年抽取地下水的总量在370亿m³左右，用于解决部分居民的生活用水问题，但用水需求更大的农业、生态及工业等根本无法满足，约占用水需求的90%。近期近海海洋环境资源调查表明，我国沿海地区水资源短缺日益显现，超过90%的城市淡水资源不足，北方沿海城市的缺水问题更为严重。
传统调水方法存在如下几方面的问题。
（1）调水规模小。东中西三线规划调水规模分别达到150、130以及170亿m³，实际建成的东中线每年实际调水量分别为10亿、60亿m³左右，仅能解决沿线十几座大中城市生产生活和少部分工农业用水。因整体调水量小，即便全部达到现状规划方案的调水能力，其与整个中国北方的缺水规模存在较大的差距。
（2）各条线相互独立。东线从江都附近的长江干流引水，沿京杭大运河北上，经高邮湖、洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖调蓄、净化，由沿途布设的13级泵站提抽65m，由东平湖一路向北穿黄河后自流到天津，另一路向东进入胶东。中线从丹江口水库调水，在丹江口水库东岸河南省淅川县九重镇境内的工程渠首开挖干渠，经沿线的南阳、平顶山、许昌、郑州、焦作、新乡、鹤壁、安阳、邯郸、邢台、石家庄、保定、北京、天津等14座大、中城市。西线处于前期论证阶段，拟从长江上游雅砻江、大渡河等长江水系调水，至黄河上游青、甘、宁、蒙、陕、晋等地，补充黄河上游水资源，解决西北缺水问题。从规划的角度，东中西三线分别服务北方的东部、中部及西北地区，各自相对独立。
（3）后期西线与中线二期工程的建设难度极大、造价极高。以西线为例，其须在高寒地区长距离建设大断面隧道，构筑高坝工程等，而青藏高原具有寒冷缺氧、人烟稀少，区域多震等特点，材料、设备、技术等组织极为困难，实施难度极大，造价极高。中线工程大宁河三峡补水方案年调水能力仅30多亿m³，并须将水位提升400多米后进入丹江口，工程实施难度大，所调水量小，运营成本高。
（4）解决因调水引发的泥沙处理问题较困难。长江水含沙量约为0.2~0.3kg/m³，调水过程中，须对其进行沉淀净化。以东线为例，如果按设计150亿m³的调水规模，每年会形成300~450万t泥沙，并淤积于京杭大运河及沿线的水库，清理非常困难。
（5）部分线路较多利用了现状天然湖泊，如东线的洪泽湖、高邮湖、骆马湖、南四湖等，连接湖泊的水系众多，某些区域小范围的污染在雨水汇聚到线路湖泊，极易造成水源污染，而这些湖泊的自净能力相对较低、周期长。
（6）各输水线路缺乏实时统一指挥，集成调度。由于现状输水线路的总体调水规模较小，没有网络化调度运营，整体服务水平、集成化程度等均较低下。
如何将大流量的沿海输水线与东中西三线及其它水系组网，实现我国北方不同输水线路间淡水资源的相互补充，并实时进行网络化、数字化多线水资源调配是本发明核心解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在构建沿海大流量输水通路的基础上，将其与现状的东中线及黄河等流域通过压力隧涵、明渠、河道等组网，构建线网水资源实时检测分析系统，实现我国北方输水线网及水系间水资源相互补充，网络化、数字化集成调度。
本发明提出的一种北中国沿海线与东、中、西等不同输水线路联合组网调水方法，其发明的主要内容集中体现在如下几个方面：(1)创新构建沿海大流量输水主干路。利用江苏沿海及渤海湾滩涂地势平缓的特点，对现状防潮堤适当加高，并在外侧重新构建防潮堤，这样，从长江口上游获取的优质淡水资源，将沿南北形成纵向大流量超级输水主干路，向北一直输送至北京市的北部地区；(2)构建横向输水次干路，创新实现华北不同水系及输水线路物理组网。在华北平原区域，借助压力隧道、箱涵、明渠、渡槽等，构建数条东西横向输水次干路，实现新建的沿海线与南水北调东中线、黄河、海河、滦河及辽河等水系可干预物理组网；(3)创新构建多线路网络化联合调度系统。首先，对整个华北平原在不同输水主次干路、水系等交汇处，布设压力、流量、水位等测试仪器、设备等，实时监测相关参量；其次，实时分析区域用水需求，通过分析区域温度变化、人口分布、降雨量、面积、产业分布等定量与定性参数，形成区域用水需求汇总信息；再有，建设输水线路远程通信与联合控制网，依托系统对实测信息与用水需求的实时分析，以及当前不同线网间水资源总量，集成控制各泵站的运行，实现水资源数字化联合调配。
这样，长江口大量的优质淡水资源(
本发明的有益效果是：
(1)调水能力强。借助海岸线进行输水通道的建设，其水源条件好，长江年流量在10000亿m³左右；同时，建设300~500m宽的输水通道，相当于现状上海黄浦江的宽度，每年可将500~1000亿m³的淡水资源输往北方，甚至可以输出更多，可以解决今后数百年华北地区的用水不足的问题。
(2)水质条件好。长江是我国污染程度最低的流域，长江口青草沙水库的水质一直维持在
(3)可实现线网及不同水系流域间淡水资源的互补。通过创新建设的沿海线及横向输水次干网，并经小幅提升后，可实现淡水资源在东中线及黄河、海河等流域间互补，平衡华北各流域及输水线路的需水缺口。
(4)部分利用现有水利工程及现状水网、市政管网等，覆盖影响范围广。该发明方法部分利用现有的东、中线调水工程以及华北平原地区天然水系河道，降低了配套工程建设的总量，在从根本上解决平原数十万平方公里地区的缺水问题的同时，可以减少黄河、海河、滦河及辽河等水系的下泄流量，为上游的山西、陕西、内蒙、宁夏、甘肃、新疆等节约数百亿的淡水资源，极大缓解其缺水问题，服务影响范围极广。
(5)整个供水网络的稳定性、安全性与可靠性等将得到极大提升。采用多线路组网输水，克服了单一输水线路或区域水体被污染，或单一水系水资源丰枯分布不均状态下，即引发区域干旱、生产与生活用水不足等的缺陷，安全性好，可靠度强。
(6)大区域集成数字化调控，精准调水。创新对不同网络区域节点的水位、流量等进行实时监测，结合本系统远程通信与控制网，调度中心可对水资源分布与需求实时分析，精确控制网络站点运行参数，实现数字化精准调水。
(7)运营成本低。华北平原的整体地形分布平坦，高程多在+4.0~+70.0m之间，多数区域在+50.0m以下，平均在+30.0~+35.0m之间，即网络内水位平均提升35m左右，耗电约0.16度，即可以到达受水区，平均吨水运营成本约0.10元，相对较低。
附图说明
图1是沿海线与东、中等不同输水线路联合组网调水示意图；
图2是赣榆向西线输水次干路建设示意图；
图3是多线路水资源组网数字化调水流程图。
具体实施方式
可以通过如下几个核心步骤，实现本发明所述方法。
确定调水规模。在考虑黄河、海河、辽河及滦河等水系特枯年份下泄流量严重不足，并考虑正常年份为上游地区尽可能留出足够淡水资源的前提下，依据现状华北平原的人口与产业分布、生态与环境需求等，并为进一步的向西向北输送留出一定的空间，分析计算今后数百年满足各方面需求所缺的水资源总量，作为沿海主线调水规模的建设标准，该线位适当增加调水规模，对工程造价影响相对较小。
在长江口以北沿海岸线建设输水主干线。按照年输水500~1000亿m³以上的断面设计要求，建设一条满足百年一遇以上的新的防潮堤，并对原防潮堤进行适当的加高，新老防潮堤将形成沿海输水干线；在连云港以北建设一条一定宽度和深度的明渠或隧道穿越胶东半岛，至渤海西南岸，并沿岸线向西北延伸至天津湾，甚至更北的地区。
在长江入海口崇明岛上游北岸，布设大型泵站，江水经一级提升(2~7m)后，沿海岸线输水干线便可到达天津湾，若断面布置合适，沿途水头损失约2.5m左右。
在华北平原建设数条东西横向输水次干路。在华北平原的连云港至北京之间，借助压力隧道、明渠、箱涵及渡槽等，构建数条横向输水次干线，分流沿海输水线，并补充至现状的南水北调东中线，以及区域内的天然水系，如黄河、海河、辽河、滦河等，形成华北地区的三条纵向调水线及数条横向输水线，所有输水线与天然水系、市政管网等一起构成华北地区水资源调配网络。
建设华北地区水资源调配实时监测网络系统。在东中线与沿海线三条纵向输水线，以及横向输水次干线与区域水系交汇处，布设流量、压力、水位等测试仪器与设备，实时监测相关区域水资源总量。
建设华北地区水资源集成调度中心，实现远程信息数字传输与控制，数字化精准调配水资源。区域水资源经实时监测后，将不同参数的实测模拟信号，经转换器变成数据信号后，通过路由器将实时信息传送至联合调度中心，结合区域用水需求，经调度中心科学计算与分析，获得精确的水资源调配参数，并远程控制相应泵站的运行参数。
上述在充分考虑今后数百年中国北方地区缺水总量的基础上，适当减少黄河、海河、辽河及滦河水系下泄流量，通过增设沿海输水并与现状的东中线及天然水系组网，集成调控运营，整个系统及其修建方法构成了本发明华北平原区域沿海线与东中西等不同输水线路及水系联合组网数字化调水方法。
下面以一具体实例来说明本发明。
下面以构建华北平原地区三纵三横输水线与区域天然水系组网，进行集成调度供水进一步说明本发明的具体方法，具体通过如下步骤实现。
新增调水规模。对于沿海输水干线，一方面，应着重补上华北平原地区今后数百年的用水缺口，特别要考虑今后人口发展，工业经济建设，农作物与生态环境的用水等多方面，确保有足够的水资源为其保驾护航；另一方面，要考虑整个西北地区的缺水问题的解决，可考虑减少黄河、海河、滦河及辽河的下泄流量，为上游地区尽可能多地留出水资源，甚至在技术发展到一定阶段，借助本系统渤海湾储水湖，直接向西北地区供水。由于跨流域调水投资巨大，一旦方案确定，要进一步增加将较为困难，本发明新增调水暂按500~1000亿m³的规模进行设计。
沿海输水主干线建设。根据地质调查研究，输水干线沿途95%以上的区域主要为滩涂，地势平坦，南黄海坡度在2.8/10000左右，地层标高在0~+4.0m左右，下卧粘质土、粉土及砂性土等，拟距现状防潮堤300~500m的距离，建设一条新的防潮堤，即输水通路的宽度为300~500m。防潮堤按百年一遇不允许越浪进行结构设计，坝体高度在+9.0~+10.0左右，确保输水干线内的淡水资源不被海水污染。过程中，我们需要对现状防潮堤进行适当的加高。这样，将沿海岸线构建一条巨量长江口优质淡水资源的输送通道。
长江口大型泵站建设。在长江入海口崇明岛上游的北岸区域，布设特大型取水泵站，按照年取水1000亿m³的规模，水位最大提升高度在10m左右，以便在长江枯水咸潮期间，保证输水干线沿途、渤海湾储水湖等有足量的淡水储存。经计算，若输水断面的宽度及深度适当，沿途的水头损失在2.5m以内。因此，经长江口一级泵站提升，扬程在10m左右，巨量淡水资源可经沿海输水干线，自流到连云港、渤海湾等区域，并经进一步的提升，调往北方缺水地区。
横向输水次干线建设。在连云港以北至北京区间，布设2~3条左右的横向输水次干线，可以通过压力隧道、明渠、箱涵及渡槽等方式，本处以明渠、隧道为例，构建三条横向输水次干线。1)赣榆(0~+4.0m)、新沂(4~+35.0m)、微山湖(+32.0m)线，线路全长约235km，可进一步预留向西至河南商丘等区域的可能。同时，对济宁(+40.0m)、菏泽(+54.0m)、安阳(+50.0m)连通，将东线、黄河、中线分别在菏泽和安阳节点组网。西段分别与现状东、中线组网，向西北延伸可与黄河组网；该输水隧道建成后，可以服务江苏、安徽、河南北部地区，以及山东全部、河北大部地区，将来可向西延伸，服务山西部分地区。2)黄骅(+7.0m)、沧州(+8.2m)、饶阳(+22.0m)、石家庄(+30.0m)线，可与海河、东中线组网，全长约280km。主要服务河北中北部地区，加密、均衡线路两侧数万平方公里的区域供水。3)秦皇岛(+4.0m)、唐山(+35m)、北京(+43.5m)、涞水(+43.0m)线，可与中线、海河、滦河及辽河组网，线路长约290km，主要服务北京、河北北部及辽宁部分地区。组网具体形式如附图1所示。
输水隧道的纵向布置。以南横连云港到微山湖线为例，自赣榆至新沂市东南侧，长度约110km，区域的海拔高度在1~+6.0之间，开挖明渠，在新沂市北部至郯城之间，向西至台儿庄，选择+32.0~+35.0线位，开挖明渠，接京杭大运河，长度约70km。在新沂市的东南至西北的区域，建设一条输水隧道，隧道顶部埋设深度在+4.0左右，直径15m，并在新沂市的西北侧，布设加力泵站，将水位提升至+35.0m，经明渠输送至台儿庄以西的京杭大运河，并进一步输送至微山湖区域。输水明渠与沿线横向河流，采用立交的方式布设。整个输水南横的纵断面布置如附图2所示。
参照上述方法，借助明渠和少部分输水隧道，可建设由微山湖到菏泽、濮阳的输水通道，将水位提升至+54.0m左右，实现南横与黄河、中线的连通组网。
多线路水资源调配实时测控网络系统构建。如本输水网络系统，可在南、中、北三条横向输水通路与东线、黄河、中线、海河、滦河等交汇处的连云港、微山湖、安阳、菏泽、石家庄等节点处，布设流量计、压力盒、水位传感器等，实时检测相关区域水资源总量，并将相关参量经转换器变成数据信号，借助路由器将实时传输至联合调度中心。构建调度中心工作站，并实现如下几方面的功能：一是实时分析相关参数，计算分区可供水资源总量；二，计算分析区域用水需求；三，形成精确水资源调配参数；四，远程控制相应泵站的运行参数。如附图3所示。
这样，可对中线、东线、沿海线进行适当的功能分区，中线可以服务输水干线以西的高海拔地区，东线与沿海线组网后，主要服务鲁西南的+30.0m以上的高海拔平原区域，而整个华北平原其余地区的缺水问题，可借助沿海线及中横、北横加密输水线，均衡补水，缺水问题将从根本上得到解决，并置换黄河、海河、滦河、辽河等流域的下泄流量，为西北地区的新、蒙、甘、宁、陕、晋等高海拔区域节约数百亿立方的淡水资源。本发明构建的整个网络系统及其方法工省效宏，极大提升华北地区的淡水资源供应的水质、总量、稳定性、安全性等，具有极其重要的政治、社会、经济、环境等方面的战略价值，意义极其重大。
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