南水北調(diào)中線(xiàn)工程分水口敏感性研究

吳怡 鄭和震 雷曉輝 王澈

摘要：南水北調(diào)中線(xiàn)工程按閘前常水位方式運(yùn)行，分水口（退水閘）流量變化會(huì)引起渠道水位的波動(dòng)，工程正常運(yùn)行要求渠道水位下降速率不超過(guò)0.15m/h。為了滿(mǎn)足這一要求，構(gòu)建南水北調(diào)中線(xiàn)工程一維水力學(xué)模型，分析分水口（退水閘）流量變化引起的渠池下節(jié)制閘閘前水位的變化過(guò)程，進(jìn)而確定其敏感性。結(jié)果表明：同一渠池、同一工況下，不同分水口的敏感性不同；渠道流量越大，分水口的敏感性越小。但是不同渠道流量下的分水口敏感性差異極小，在實(shí)際運(yùn)行中可忽略其影響，用不同渠道流量下的敏感性平均值來(lái)最終表征敏感性。

關(guān)鍵詞：分水口；敏感性；流量變化；渠道水位；南水北調(diào)中線(xiàn)工程

中圖分類(lèi)號(hào)：TV122+.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.026

南水北調(diào)中線(xiàn)T程總干渠全長(zhǎng)1432km，沿線(xiàn)設(shè)置64座節(jié)制閘、97座分水口和54座退水閘。節(jié)制閘是實(shí)現(xiàn)渠道運(yùn)行控制的主要設(shè)施，將長(zhǎng)距離輸水渠道劃分為多個(gè)渠段，實(shí)現(xiàn)對(duì)渠道水位和流量的控制；分水口是滿(mǎn)足沿線(xiàn)取水需求的主要設(shè)施；退水閘是為應(yīng)對(duì)應(yīng)急工況將渠道水體排出渠道的設(shè)施。在實(shí)際運(yùn)行中，通過(guò)節(jié)制閘的調(diào)節(jié)控制，將沿線(xiàn)各處需求的水量送達(dá)分水口門(mén)。輸水調(diào)度過(guò)程中，為保證渠道襯砌不被破壞，工程正常運(yùn)行要求渠道水位下降速率不能超過(guò)0.15m/h和0.30m/d。

20世紀(jì)50年代末，國(guó)外就提出灌溉系數(shù)敏感性分析的研究方法。D.Rrenault等對(duì)灌溉渠系的敏感性進(jìn)行了一系列的分析研究，分析了取水口門(mén)流量對(duì)渠道水位變化以及操作行為改變的敏感性。文獻(xiàn)指出，退水閘和分水口閘門(mén)結(jié)構(gòu)類(lèi)似，出流流量變化會(huì)引起渠道水位的波動(dòng)，這一影響可用敏感性來(lái)表征，并分析了分水口流量變化速率、分水變量占渠段流量比例和分水口流量變化幅度這3個(gè)參數(shù)對(duì)敏感性的影響，結(jié)果表明敏感性?xún)H由分水口流量變化幅度決定。但是，上述文獻(xiàn)的敏感性分析是針對(duì)分水口（退水閘）流量變化后，分析分水口（退水閘）斷面水位在最初1h內(nèi)的變化速率。而南水北調(diào)中線(xiàn)干線(xiàn)T程以閘前常水位的方式運(yùn)行，實(shí)際調(diào)度過(guò)程更關(guān)注節(jié)制閘閘前水位，并且渠道中的水尺當(dāng)前僅立在節(jié)制閘閘前閘后，分水口（退水閘）處沒(méi)有水位測(cè)量，已有研究成果不能完全滿(mǎn)足工程實(shí)際運(yùn)行調(diào)度管理的需求。

因此，本文構(gòu)建南水北調(diào)中線(xiàn)干線(xiàn)工程一維非恒定流水力學(xué)仿真模型，分析分水口流量變化對(duì)渠池下節(jié)制閘閘前水位的影響，為工程實(shí)際運(yùn)行調(diào)度管理提供技術(shù)支持。

1數(shù)學(xué)模型

針對(duì)南水北調(diào)中線(xiàn)工程特點(diǎn)，構(gòu)建一維非恒定流水力學(xué)仿真模型，對(duì)節(jié)制閘、分水口、退水閘、渠道等內(nèi)部構(gòu)筑物進(jìn)行概化處理，并與圣維南方程組進(jìn)行耦合。同時(shí)采用穩(wěn)定性好、計(jì)算精度高的Preissmann四點(diǎn)時(shí)空偏心格式對(duì)方程組進(jìn)行離散，用高效率的計(jì)算方法——雙掃描法求解。

總干渠輸水線(xiàn)路非恒定流計(jì)算采用一維圣維南方程組，由連續(xù)性方程和動(dòng)量方程組成：式中：A、Q為斷面面積和流量；x、t為空間和時(shí)間坐標(biāo)；q為單位長(zhǎng)度渠道上的側(cè)向人流流量；a為動(dòng)量修正系數(shù)；Z為水位；g為重力加速度；Sf為水力坡度；S0為渠道底坡坡度。式中：K為流量模數(shù)。

節(jié)制閘為弧形閘門(mén)，其流態(tài)可分為堰流和閘孔出

流。判斷標(biāo)準(zhǔn)為式中：e為閘門(mén)開(kāi)度；H0為包括行進(jìn)流速在內(nèi)的閘（堰）前水頭。

堰流公式為

2敏感性分析

為分析分水口（退水閘）流量變化對(duì)所在渠段下節(jié)制閘閘前水位的影響，選取中線(xiàn)T程前3個(gè)渠池的分水口、退水閘為研究對(duì)象（表1），以第1個(gè)渠池（陶岔渠首閘一刁河節(jié)制閘）的肖樓分水口為例，介紹敏感性指標(biāo)求解過(guò)程。

由于文獻(xiàn)已證明敏感性?xún)H與分水口流量變化幅度相關(guān)，因此僅分析分水口流量變化幅度這一參數(shù)。渠池初始狀態(tài)假設(shè)為3種狀態(tài)——節(jié)制閘閘前水位為設(shè)計(jì)水位，渠池流量分別為設(shè)計(jì)流量的30%、50%和70%；模型計(jì)算步長(zhǎng)為600s；假設(shè)各種流量變化均在600s完成。刁河節(jié)制閘閘前水位在最初1h的變化情況見(jiàn)表2。由表2可知，同一工況下，即使肖樓分水口分水流量變化的初值和末值不同，只要變化幅度相同，刁河節(jié)制閘水位變化就相同，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

對(duì)表3數(shù)據(jù)整理后進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，得到分水口流量變化幅度與閘前水位變化速率關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1。式中：y為閘前水位變化速率；x為分水口流量的變化幅度。

文獻(xiàn)中渠道敏感性指標(biāo)公式為式中：S為基于閘前水位的敏感性指標(biāo)；△H為最初1h的閘前水位變化速率；△Q為分水口流量的變化幅度。

因此，敏感性指標(biāo)為分水口流量變化幅度與閘前水位變化速率關(guān)系曲線(xiàn)的斜率。由此可確定渠段流量為設(shè)計(jì)流量的30%、50%和70%情況下的敏感性指標(biāo)分別為0.0031、0.0027和0.0022。而由閘前水位下降速率平均值求出的敏感性為0.0027，因?yàn)楦鞣炙髁孔兓认麻l前水位下降速率的標(biāo)準(zhǔn)差極小，因此0.0027即為肖樓分水口的敏感性指標(biāo)。

采用上述方法，可分別求出刁河退水閘、望城崗分水口、湍河退水閘、彭家分水口、嚴(yán)陵河退水閘在3種工況下的敏感性指標(biāo)，進(jìn)而由平均值可確定其敏感性指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。通過(guò)敏感性指標(biāo)可知，為滿(mǎn)足渠道水位下降速率不超過(guò)0.15m/h的要求，肖樓分水口、刁河退水閘、望城崗分水口、湍河退水閘、彭家分水口、嚴(yán)陵河退水閘的流量變化幅度（AQ=0.15/5）分別不應(yīng)超過(guò)55.6、51.7、78.9、46.9、46.9、45.5m^3/s。

由表4可見(jiàn)，同一工況下，敏感性關(guān)系為肖樓分水口<刁河退水閘，望城崗分水口<湍河退水閘，彭家分水口<嚴(yán)陵河退水閘，因此同一渠池、同一工況下，不同的分水口（退水閘）的敏感性不同，越靠近下節(jié)制閘敏感性指標(biāo)越大。肖樓分水口、刁河退水閘、望城崗分水口、湍河退水閘、彭家分水口和嚴(yán)陵河退水閘在渠池流量占設(shè)計(jì)流量的30%、50%和70%的條件下，敏感性遞減，因此渠道流量越大，分水口（退水閘）的敏感性指標(biāo)越小，但是差異極小。

通過(guò)分析可知，敏感性指標(biāo)是分水口流量變幅和渠池流量變化這兩個(gè)影響因素共同作用的結(jié)果。但是同一工況下，分水口流量變幅引起的閘前水位變化比渠道流量變化更為敏感，即分水口流量變幅是影響渠道水位的主要因素。尤其對(duì)于南水北調(diào)中線(xiàn)工程渠道而言，同一工況下，不同渠道流量對(duì)閘前水位變化的影響僅為毫米級(jí)，在實(shí)際運(yùn)行中可忽略其影響。因此，分水口（退水閘）的敏感性可以用其在不同渠池流量下的敏感性指標(biāo)的平均值來(lái)表征。

3結(jié)語(yǔ)

本文構(gòu)建了南水北調(diào)中線(xiàn)工程的一維非恒定流數(shù)值模擬模型，研究了節(jié)制閘閘前水位變化對(duì)分水口（退水閘）流量變化的敏感性，并應(yīng)用到前3個(gè)渠池的分水口和退水閘進(jìn)行分析。結(jié)果表明：同一渠池中，在同一工況下，不同的分水口（退水閘）的敏感性不同；渠道流量越大，分水口（退水閘）的敏感性越小，但差異極小。分水口流量變化幅度是敏感性的主導(dǎo)因素，渠道流量對(duì)敏感性的影響極小，可用不同渠道流量下的敏感性平均值來(lái)最終表征敏感性，進(jìn)而可計(jì)算分水口流量變幅的閾值。