水庫水閘運行和水位管理規則曲線的開發

阮 師

(汕尾市規劃編制研究中心，廣東 汕尾 516600)

1 試驗區概況

東湖水庫位于廣東省陽江市陽東區那龍鎮東南部那龍河上游，距325國道4.5 km，水庫集雨面積51.148 km2，壩址以上干流河長13.3 km，干流平均比降0.0036，是一座以灌溉、防洪為主，兼發電、供水、養殖及旅游業等綜合利用的大型水庫。水庫樞紐由主壩、5座副壩、溢洪道、輸水涵洞、壩后電站及輸水涵管等建筑物組成[1-4]。

2 研究方法

2.1 出流量計算

東湖水庫控制結構由四個連續的平坦金屬閘門組成，高度均為1.60 m，位于箱涵的上游側。第一和第二閘門的寬度分別為100 m和200 m，頂部高度為849 m和70 m。第三和第四閘門的寬度均為300 m，頂部標高850 m和10 m。整個工程的平面圖和沿水流的三個橫截面如圖1所示。出流量是水庫高度和閘門尺寸及開口的函數。根據閘門開度的不同，可能出現兩種不同的流態，即全開閘門的自由溢流和部分開閘門的孔口流動[5]。

圖1 水閘沿流動方向的平面及斷面示意圖

2.1.1 閘門1和閘門2的自由出流計算

從水庫中通過具有陡坡的矩形渠道的自由溢流量計算如式(1)，式(1)是用于計算堰上流量的標準公式[6-9]。

Q=CbH3/2

(1)

式中：Q為溢流流量，m3/s；C為經驗系數，取1.705(理論分析證明C=g1/2×(2/3)3/2)；b為渠寬，m；H為壓力水頭，m。

系數C的取值1.705是通過理論計算得到的，但在每次實際工作中，要么通過實驗室試驗確定，要么通過現場測量確定。在所考慮的情況下，由于缺乏實際測量，用圓柱形堰表示認為結構是令人滿意，在流動的底部上方有零上升。對于閘門1和閘門2，系數C取值為1.675 。

2.1.2 閘門3和閘門4自由出流計算

水閘3和水閘4是完全打開或關閉的。由于上游側的矩形混凝土梁(0.4 m×0.4 m)無法進行水力論證，因此，流量對應于寬頂堰上方的溢流。在系數C的眾多取值中，其中四個在圖2中示出。本研究使用了最合適的建議值4。

圖2 四個不同的溢流系數建議值

2.2 孔口流量

當閘門部分開啟時，流量可通過式(2)、式(3)進行計算[9]。

(2)

(3)

式中：Cd為溢流系數，當1.5

對于東湖水庫中的閘門3和閘門4，式(2)和式(3)給出了相似的結果，且計算結果的差異不超過3%。本文采用式(2)進行計算，取值為Cd=0.60和CC=0.625。

2.3 規則曲線的開發步驟

建立規則曲線的步驟如下：

(1)根據閘門位置利用式(1)或式(2)計算溢流流量Q。(2)計算某一時間步長dt(V=Q·dt)的處理體積V。(3)利用水庫面積/體積函數計算水位下降。

3 結果和討論

規則曲線已廣泛應用于水庫管理中，主要用于支持閘門運行的實時決策。本文基于東湖水庫的情況，為每個閘門建立了規則曲線。在規則曲線遵循的程序中，最初的固有假設是水庫處于穩定狀態。此外，如果水位趨勢已知且在一定時間內恒定，也可以使用建立的規則曲線。在這種情況下，水位下降被修改以說明水位趨勢變化。圖3給出了閘門1完全打開和部分開啟對水庫水位的影響。圖4中給出了每個單獨閘門以及由于每個閘門的影響疊加產生的五種組合對水庫水位的影響。結果表明，在已知水位高度和閘門位置的情況下規則曲線可以快速可靠地計算水位下降。

圖3 東湖水庫1 m寬閘門1規則曲線

圖4 東湖水庫四個閘門的規則曲線

規則曲線在2005年春季和2006年春季的兩次水位管理模擬中被使用。6個不同的操作者使用了記錄的水位數據和開發的規則曲線。每個操作員的目標是在整個模擬周期內將水庫高度保持最接近水平目標(設置為+850，57 m)。如果在整個模擬期間所有閘門都關閉的話，為了運行模擬則將記錄的水位時間序列轉換為水位時間序列。這提供了系統在整個模擬期間的自然趨勢。應用過程可概括如下：

(1)操作員在時間步長i時，通過規則曲線按照閘門操作方案對閘門進行操作并測量水位的時間變化序列。目的是為了使時間步長i+1的水位盡可能接近水位目標。除了時間步長i的水位之外，水位趨勢(時間步長i和步長i+1之間的水位變化)也非常重要，因為它提供了時間步長i+1的預期水位的估計值。

(2)在時間步長i的每個操作都會影響在時間步長i+1的模擬水位，該水位是在考慮了操作和轉換后的數據記錄進行計算的。從2005年3月28日—2005年5月13日以及從2006年2月27日—2006年6月14日的模擬期間，所有六個操作員獲得的結果都令人滿意，如圖5和圖6所示。值得一提的是，操作員沒有以前的經驗，只接受了使用規則曲線的簡短培訓，并且每個操作都在5 min內做出。這說明規則曲線具有很好的適用性。

圖5 基于規則曲線的2005年春季水庫水位模擬示意圖

圖6 基于規則曲線的2006年春季水庫水位模擬示意圖

4 結 論

開發的規則曲線可以快速可靠地估計各種閘門操作方案對水庫水位的影響。規則曲線的使用既不需要特定的知識，也不需要特定的培訓，并且可以在很短的時間內估算任何閘門操作或操作組合對水庫水位的影響，從而成功地實時決定閘門的操作。規則曲線的使用與在一定時間內設定的特定目標水平無關。圖表與流出量計算的準確性和水庫的面積-體積函數有關。在水位上升或下降期間使用規則曲線也很簡單，因為，它只需要抽象或添加預測的水位變化而不需要閘門操作。未來的工作將集中于對上述所有過程和程序進行編程，以便可以自動選擇最佳操作。