南水北調(diào)中線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)中線工程按閘前常水位方式運行，分水口（退水閘）流量變化會引起渠道水位的波動，工程正常運行要求渠道水位下降速率不超過0.15m/h。為了滿足這一要求，構(gòu)建南水北調(diào)中線工程一維水力學(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程，進而確定其敏感性。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，在實際運行中可忽略其影響，用不同渠道流量下的敏感性平均值來最終表征敏感性。

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

中圖分類號：TV122+.5

文獻標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.026

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

20世紀50年代末，國外就提出灌溉系數(shù)敏感性分析的研究方法。D.Rrenault等對灌溉渠系的敏感性進行了一系列的分析研究，分析了取水口門流量對渠道水位變化以及操作行為改變的敏感性。文獻指出，退水閘和分水口閘門結(jié)構(gòu)類似，出流流量變化會引起渠道水位的波動，這一影響可用敏感性來表征，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個參數(shù)對敏感性的影響，結(jié)果表明敏感性僅由分水口流量變化幅度決定。但是，上述文獻的敏感性分析是針對分水口（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)中線干線T程以閘前常水位的方式運行，實際調(diào)度過程更關(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）處沒有水位測量，已有研究成果不能完全滿足工程實際運行調(diào)度管理的需求。

因此，本文構(gòu)建南水北調(diào)中線干線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渠池下節(jié)制閘閘前水位的影響，為工程實際運行調(diào)度管理提供技術(shù)支持。

1數(shù)學(xué)模型

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

總干渠輸水線路非恒定流計算采用一維圣維南方程組，由連續(xù)性方程和動量方程組成：式中：A、Q為斷面面積和流量；x、t為空間和時間坐標(biāo)；q為單位長度渠道上的側(cè)向人流流量；a為動量修正系數(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，其流態(tài)可分為堰流和閘孔出

流。判斷標(biāo)準(zhǔn)為式中：e為閘門開度；H0為包括行進流速在內(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）流量變化對所在渠段下節(jié)制閘閘前水位的影響，選取中線T程前3個渠池的分水口、退水閘為研究對象（表1），以第1個渠池（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)求解過程。

由于文獻已證明敏感性僅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)計水位，渠池流量分別為設(shè)計流量的30%、50%和70%；模型計算步長為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)果見表3。

對表3數(shù)據(jù)整理后進行曲線擬合，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，見圖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)系曲線的斜率。由此可確定渠段流量為設(shè)計流量的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，因為各分水流量變化幅度下閘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、嚴陵河退水閘在3種工況下的敏感性指標(biāo)，進而由平均值可確定其敏感性指標(biāo)，計算結(jié)果見表4。通過敏感性指標(biāo)可知，為滿足渠道水位下降速率不超過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、嚴陵河退水閘的流量變化幅度（AQ=0.15/5）分別不應(yīng)超過55.6、51.7、78.9、46.9、46.9、45.5m^3/s。

由表4可見，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、彭家分水口和嚴陵河退水閘在渠池流量占設(shè)計流量的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。尤其對于南水北調(diào)中線工程渠道而言，同一工況下，不同渠道流量對閘前水位變化的影響僅為毫米級，在實際運行中可忽略其影響。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)的平均值來表征。

3結(jié)語

本文構(gòu)建了南水北調(diào)中線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分水口（退水閘）流量變化的敏感性，并應(yīng)用到前3個渠池的分水口和退水閘進行分析。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最終表征敏感性，進而可計算分水口流量變幅的閾值。