基于水動力模型的閘站特征水位分析

宋高揚，黃日軍

（東臺市水利建設有限公司，江蘇 鹽城 224200）

基于水動力模型的閘站特征水位分析

宋高揚，黃日軍

（東臺市水利建設有限公司，江蘇 鹽城 224200）

本文提出了基于水動力模型的閘站特征水位分析方法，與實測值的比較結果證明水動力學模型可以準確預測出研究區(qū)域的水位變化情況。應用該方法預測未來30年內的水位變化動態(tài)過程，從而可推算出閘站長期動態(tài)特征水位，為該閘站的管理運行及升級改造提供科學依據并為閘站特征水位的分析方法研究提供參考。

水動力模型；閘站；特征水位；預測

閘站特征水位主要包括閘站設計水位、最高運行水位、最低運行水位以及平均水位，它們是閘站設計施工的基礎資料、維修維護的重要參考、安全監(jiān)測的關鍵指標，也是灌溉排水的主要依據，因此其合理選值具有十分重要的現實意義。目前，閘站特性水位的選值主要基于歷史水文監(jiān)測數據，再參考《泵站設計規(guī)范》（GBT50265-97）等手冊中的規(guī)定來完成。這種方法應用廣泛且在我國的閘站建設與管理中發(fā)揮了重要的指導作用，但它在兩方面存在嚴重不足，具有極大的改進空間。首先，影響閘站運行的是未來的水位，但目前的閘站建設與管理都是基于歷史水位數據，這在氣候變化條件下可能出現運行與安全問題；其次，閘站的取水排水等操作可影響河流特性，但目前的分析都是基于閘站建設之前的河流特性，這沒有考慮閘站建設以及灌溉排水等人類活動對河流的影響，因此精細化管理程度不高。

針對以上兩點不足，本文提出基于水動力模型的閘站特征水位分析。選擇江蘇省東臺市串場河南閘站為案例，于已建成閘站的串場河側和引江河側進行水位監(jiān)測，得到兩區(qū)域的水位變化時間序列；利用Delft3D軟件對閘站所在區(qū)域水流進行模擬，并將計算水位與實測水位進行比較，證明基于水動力模型進行閘站特征水位分析的可行性；采用降尺度法及大氣環(huán)流模型結果得到該地區(qū)氣候變化情況，并預測未來30年研究區(qū)域內的水位變化及需水量變化情況，從而推算出閘站長期動態(tài)特征水位。為該閘站的管理運行及升級改造提供科學依據并為閘站特征水位的分析方法研究提供參考。

1 水動力模型與驗證

研究閘站為串場河南閘站，位于江蘇省東臺市，處于引江河入口處串場河，為III等中型灌排閘站。設計引、排水流量10m3/s。主要結構形式為：設抽排孔4孔，自排孔1孔；抽排孔兩兩布置在自排孔兩側，孔口凈寬3.0m，每孔設900ZLB-125型雙向立式軸流泵一臺，共計4臺，葉片安放角度為 0°，配套 YSL5002-12型電機，電機功率155kW，總裝機功率620kW；抽排孔每孔設潛孔式平面直升鋼閘門兩扇，采用SGCD12×50KN-12.0m電動葫蘆平水啟閉；自排孔孔口凈寬6.0m，采用雙扉式平面鋼閘門；主廠房內設10t電動單梁橋式起重機一臺。

水動力模型選用由荷蘭Deltares水力學研究所開發(fā)的Delft3D軟件，該軟件基于完整的Navier-Stokes方程，包含水動力、泥沙輸移、水質、化學以及生態(tài)環(huán)境等模塊。Delft3D軟件相較于實驗法及測量法成本較低、速度較快，因此在河流的水位預測中應用十分廣泛。該軟件的原理及控制方程可參見其用戶手冊。其邊界條件、初始條件、以及模型建立主要采用左書華的確定方法，但參數選擇方式完全不同。首先使用經驗值，其中河床糙率取為0.02，渦粘系數和擴散系數取為100m2/s；采用這些經驗值進行模擬并與實測結果進行比較，從而對這些參數進行修正，從而提高預測精確度；最終的河床糙率確定為0.045，渦粘系數和擴散系數為1000m2/s。于2015年4、5、6三個月進行引水工況下實地水位監(jiān)測，主要水位信息采集儀器選用量程范圍為0～5m的氣泡式水位計，監(jiān)測點分別位于串場河側和引江河側，共測得91d的平均水位。將測量及模擬數據測量序列由小到大排序，并進行比較，其結果如圖1所示。

圖1 實測水位與模擬水位比較

串場河側測量點位于圩內側，由圖1可知其水位范圍大約介于1.3～1.8m之間，引江河側測量點位于圩外側，因此其水位相對較低，介于 0.5～1.2m之間。圖中大多散點比較接近等值線，說明所用模型結果較為精確。為確定模型的精確水平，繪制10%誤差水平線，結果表明所有散點都在該線與等值線所表示的范圍之內，說明模型的精確度為10%。計算兩組數據的均方根差（RMSD）值，結果表明串場河側的水位預測誤差約為0.094m，而引江河側的誤差約為0.050m，該值均較小，說明模擬結果滿足工程實際需要，可以用于該閘站水位分析之中。但以上所得水位為目前狀況，為預測未來的水位需要考慮氣候變化及人類活動的影響。

2 閘站特征水位

為獲得氣候變化條件下動態(tài)的閘站特征水位值，首先對研究區(qū)域內的氣候變化情況進行預測。預測主要基于大氣環(huán)流模式結果，即CMIP5數據，利用Quantile-Quantile降尺度法結合東臺市氣象站監(jiān)測數據預測出研究區(qū)域內各氣候變化要素2016～2045年這30年間的變化情況，其結果如圖2所示。圖中橫坐標表示時間，縱坐標表示無量鋼化的參數值，其初始值為1，即表示當前狀態(tài)。當前狀態(tài)下該地區(qū)的蒸發(fā)量為1447.8mm、日照百分率為46.7%、平均風速為2.3m/s、平均氣溫為14.4° C、平均降水量為726.8mm。虛線為趨勢線，代表蒸發(fā)量、日照百分率、以及平均風速的趨勢線傾向率皆負值，因此呈下降趨勢為當前值的 0.977、0.916和0.522；而氣溫和降雨呈上升趨勢，30年后的因子值分別為當前值的1.021和1.489。

圖2 氣象因子時間序列預測值

圖3 水位變化預測值時間序列

將以上數據作為變化上邊界條件驅動水動力模型，得到不同工況下研究區(qū)域各年份的水位動態(tài)變化情況。圖3為閘站研究區(qū)域內的逐年水位動態(tài)變化情況，圖中橫坐標表示年份，縱坐標表示無量綱化的水位，而虛線為趨勢線。目前在排澇工況下串場河側的平均水位為 1.80m，而引江河側的為3.50m；在引水工況下串場河側的平均水位為1.55m，而引江河側的為1.00m。各種工況下各處水位皆呈上升趨勢，該現象出現的主要原因是降雨量的增加和蒸發(fā)量的減少。研究區(qū)域內的長期水位變化主要由氣象條件以及水文水循環(huán)因素影響，而工況的影響可忽略不計，為量化水位的變化情況，對兩側的水位變化序列進行線性擬合，得到串場河側和引江河側的平均水位與年份的關系方程分別為：和。因此在以后的閘站管理運行及升級改造中，可通過此方法對各特征水位進行修正，例如各工況條件下各年份的設計水位修正值如表1所示。

表1 設計水位修正值

綜上分析，受大氣變化影響，閘站所在位置的長期水位變化狀態(tài)呈上升趨勢，因此基于目前靜態(tài)水位的分析將使預測結果偏低，這在防洪與排水管理中存在一定的安全風險，而在引水工況下又存在水資源低效配置的問題。基于水動力模型的閘站特征水位分析法可以做到具體問題具體分析、在不較大幅度增加分析成本的情況下極大地提高預測精度，從而保證閘站的運行安全及水資源的高效利用。

3 結論

本文提出了基于水動力模型的閘站特征水位分析方法，結果表明該模型可以準確地預測出研究區(qū)域的水位變化情況；在未來30年內，研究區(qū)域內的蒸發(fā)量、光照以及風速皆呈下降趨勢，而氣溫和降雨呈上升趨勢；在所預側的大氣變化條件下，該閘站所在河流的水位呈上升趨勢，因此以靜態(tài)水位為依據的防洪及維護管理存在較大的災害危險以及水資源浪費問題；提出串場河側和引江河側的特征水位與年份的關系方程，分別為和，為該閘站的管理運行及升級改造提供科學依據并為閘站特征水位的分析方法研究提供參考。

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B

1672-2469（2017）02-0035-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.013

2016-06-13

宋高揚（1982年—），男，工程師。