基于水動力模型的長距離水資源聯合調度工程水力特性分析

陳麗群

(深圳市南山區水務局,廣東 深圳 518000)

0 引 言

水資源是人類賴以生存的重要資源,同時也是人類社會不斷發展的重要保障。我國水資源總量相對較為充足,但在區域間分布的不均勻、季節間分布的不均勻是社會經濟發展面臨的主要問題之一[1-3]。目前,我國水資源整體呈現出南方總體水量較多,北方總體水量較少;夏季總體水量較多,冬季總體水量較少的趨勢。同時,在一些極端氣候條件、豐水期、枯水期等因素的影響下,水資源的分布呈現出更為顯著的不均衡趨勢。因此,長距離水資源調配成為一種必要的水資源平衡手段[4-6]。在長距離水資源調配中,由于受到途徑地區氣候、地理環境、經濟發展現狀等因素的影響,資源調配往往難以采用較為單一的形式進行,而是需要采用不同的調運方式,在沿途基礎設施的支持下進行聯合式的長距離調度。在這一過程中,水資源的動力狀態對水資源調配過程中的水力特性會形成較為顯著的影響[7-9]。

因此,本文建立長距離水資源聯合調度模型,從水動力視角入手,分析調度工程中的水力特性,為水資源調度工程的前期水力特性模擬和中期水力分析提供技術基礎。

1 長距離水資源聯合調度水動力模型設計

1.1 非恒定流控制模型

在長距離水利工程的水資源調度中,非恒定流是一種較為常見的現象。當液體由于某種客觀因素導致其流場要素隨著時間的變化而發生變化時,便可以稱此時的流體運動為非恒定流[10]。本次研究在長距離水資源調度的非恒定流模擬基礎上,加入水利工程所必要的調度設備,并將管網水流問題轉化為水動力學模型。在此基礎上,將聯合調度工程的正常運行狀態作為一種初始狀態與邊界條件,建立調度方案。按照長距離聯合調度的主要調度形式,模型可分為有壓管流模型與明渠模型兩個主要分支。有壓管流是指在管道的斷面被液體徹底充滿的情況下,管道中缺乏自由液面流體,進而形成的壓強高于大氣壓的管流狀態。有壓管流與自由液面管流的管道內流體狀態差別見圖1。

圖1 有壓管流與自由液面管流對比

有壓管流模型連續方程如下:

(1)

運動方程如下:

(2)

將連續方程與運動方程聯立,便可得到一組一階擬線性雙曲微分方程組。在適當的條件下,可以計算得到調度中非恒定流的流體流量,同時也可用于分析水位對于流程與時間的變化影響。

在設計明渠模型時,按照通常定義,將明渠定義為諸如人工水渠等具有外部自有表面的流體渠,由于流體在明渠中自由表面上的壓強為零,因此也可稱為無壓渠。設計明渠模型時定義的基本假設見圖2。

圖2 明渠模型基本假設

從圖2可以看出,研究定義的假設主要為4類,分別為一維性假設、傾角假設、均勻性假設與作用力假設。一維性假設是指將三維問題概化為一維問題,在流體分析時只考慮其在長度方向上的變化,而不考慮由于河道彎曲等因素形成的流體離心力作用。傾角假設是指假定流渠的傾角正切值與正弦值總是處于相等的狀態。均勻性假設是指假定水壓力分布呈現出靜水壓力的狀態,即過水斷面上的流速是均勻分布的,同時流體壓力與流體深度呈正比例狀態。作用力假設是指由于假定將河床產生的摩擦力與流體運動產生的作用力對流體形成的影響進行概化處理。

在假定基礎上,模型的連續方程如下:

(3)

式中:z為流渠斷面水位;Q為流渠流量;B為流體面寬度。

1.2 窄縫法與邊界條件

在長距離水資源引調工程中,由于受到引調沿途地形等外部因素的影響,導致單一的運輸方式是難以實現的。因此,往往需要采用不同引調方式進行聯合調度,主要方式是采用有壓管道與明渠相結合的方式,其中涉及到流體從有壓狀態到無壓狀態的轉換。在流體過渡過程中,便有可能產生非恒定流。

非恒定流主要體現在實際長距離水資源調配過程中,是流體在有壓狀態與無壓狀態之間進行轉換過渡時經常產生的交替過渡狀態,并且在這一過程中產生的沖擊力很有可能形成輸水網絡的損壞,因此也需要對輸水系統運行過程中的這部分損壞可能性進行考慮。一般情況下,由于流體有壓狀態與無壓狀態之間的控制方程有所不同,因此進行過渡運算時往往存在一定的困難。

因此,研究采用激流捕捉法中的窄縫法進行過度運算。該方法的主要思路是假設在輸水管道的上方存在一條窄縫,這條窄縫不會擴大輸水管道的橫截面面積,同時也不會對水力半徑造成任何影響。見圖3。

圖3 窄縫假設

窄縫的寬度由水擊波速來進行確定,當輸水管道中的流體處于滿水狀態時,可以利用無壓狀態下的明渠方程來確定施加在輸水管壁上的壓力水頭數值。為了保障水資源長距離聯合運輸下的整體穩定性和輸水安全性,需要在水資源運輸的沿途河流與公路的等交叉工程處進行交叉布置。同時,在運輸途徑點適當布置諸如泵站、水庫、虹吸裝置等保障水資源運輸的建筑物,這使得運輸模型具備了一定的三維特征。

為了簡化運算,研究將沿線的建筑物作為內邊界條件進行處理。此外,為了控制輸水線路,線路沿途也設置了諸如分水口、閘門等控制裝置。研究將水位作為一種邊界條件,并將該邊界條件布置于節點上。節點即為連接不同段的輸水管線的汊點。通過進行輸水管線邊界條件的設置,可以對連接汊點的管線水力特性進行分析,同時也可控制節點處的水位滿足流量守恒定律。在流量邊界條件上,研究以單元作為流量邊界條件的主要定義處,因此可將流量邊界條件添加到邊界節點上游處的虛單元中,進而代入連續方程。

為使整體系統水利響應過程更加準確,研究將輸水結構中包含線路運行裝置、安全輸水裝置、輸水控制結構等三維結構均轉化為內邊界條件與概化處理目標,來滿足模型模擬計算時的精準性要求。在建立模型時,以北京市南水北調干線與配套工程的工程布局為基礎,建立基于水動力模型的優化調度模型。根據工程的CAD圖紙,在目前的南水北調工程基礎上進行管線規劃,并針對管線的剖面數據信息進行給定。系統會自動將文件中的圖層數據轉化為模型的基礎數據表,并在此基礎上添加和修改初始條件與邊界條件,形成管線動力學模型。

2 長距離水資源聯合調度水動力模型下的工程水力特性分析

2.1 模型檢驗

在進行長距離水資源聯合調度水動力模型下的工程水力特性分析時,首先需要對研究設計的模型進行驗證,模型驗證建立在模型模擬運算的基礎上。在運算時,模型設置的工程模擬運行時長為8個月,模擬計算的時間步長設置為0.005h,模型輸出過程中的輸出間隔為4h。研究分別對模型中的主要水資源調度渠道段進行分類,分別為管線類與明渠類。主要的管線與明渠數據見表1。

表1 管線與明渠數據示例

從表1可以看出,模型將管線分為兩個主要類型,分別為圓管與方管,各自按照管道高度數據、管道寬度數據、管徑數據進行約束。而明渠則不分類,按照高程數據、起點距數據進行約束。模型驗證結果見圖4。

圖4 模型驗證結果

從圖4可以看出,在4種渠段的不同區段狀態下,模型仍能對流量變化進行完整的預測,且預測曲線對真實流量曲線的跟蹤較為緊密。在突然性的劇烈波動與較為細密的階段性平穩波動兩種主要情況下,模型的預測曲線均保持平穩的預測效果,表明模型可以對渠道內流體的分流和匯流進行穩定預測,同時能夠對流體狀態保持穩定預測。由此可見,研究設計的模型所進行的模擬是符合現實流量狀態的,可以依靠模型進行流量分析。

2.2 水力特性分析

研究利用水動力模型進行工程工況模擬和水力特性分析,沿程流量變化見圖5。

圖5 沿程流量變化

研究選取的4個測試水資源運輸段分別為流量規格不同的、具有代表性的運輸段。從圖5可以看出,測試運輸段1與測試運輸段3均呈現出隨著累計距的增長而階段式降低的趨勢,表明測試運輸段1與測試運輸段3的運輸內水流量隨著段內分水口的分布而不斷流失沿途流量,這是水資源調配過程中的正常表現,同時測試運輸段1與測試運輸段3之間的流量規模差別也表現出不同調配渠之間的分配關系。測試運輸段2與測試運輸段4均表現出在前期流量突然增加,但是隨著累計距的繼續增加,流量進入隨著累計距的增長而階段式降低的穩定趨勢。這是由于測試運輸段2與測試運輸段4均從分水口處獲得來自外部運輸段補充來的水流量所導致的。沿途水位變化狀況見圖6。

圖6 沿途水位變化狀況

從圖6可以看出,測試運輸段1、測試運輸段3、測試運輸段4一直保持著有壓輸水的狀態。3個測試運輸段的水位均保持著穩定降低的趨勢,均呈現出較為自然的有壓輸水狀態。但測試運輸段2的水位變化則在累計距趨近0k～20k之間呈現出一次階段性的上升,這是由于測試運輸段2在沿途泵站的作用下形成穩定的水位供給,該測試段可以為諸如供水廠等設施提供穩定供水。

綜上所述,研究設計的模型可以對長距離水資源聯合調度工程的水力特性進行準確全面的分析,可以為長距離水資源聯合調度工程的前期規劃和中期維護提供模擬數據。

3 結 論

本研究將長距離水資源聯合調度工程劃分為有壓管線運輸與明渠運輸兩個主要運輸方式,建立了長距離水資源聯合調度工程水動力模型。研究結果顯示,在具備不同流量波動特征的測試調運渠段1到測試調運渠段4上,研究設計的模型均實現了收斂性良好的模擬運算,模擬結果與實測具有一致性。同時,在水力特征分析中,測試運輸段1與測試運輸段3以正常流量流失為主,測試運輸段2與測試運輸段4均有流量匯入現象。測試運輸段1、測試運輸段3、測試運輸段4一直保持著有壓輸水的狀態,測試運輸段2則經過水泵作用,能夠保持供水穩定。