張立全
(深圳市水務(wù)工程檢測有限公司,廣東 深圳 518000)
水利建設(shè)在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中的地位日益突出,水閘是水利建設(shè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,起到了調(diào)節(jié)水庫上下游水位、水庫洪水等作用。目前,大型引水工程、水庫還普遍存在管理能力與水平相對落后的問題,工程管理和行業(yè)管理仍以開放式管理和手工作業(yè)為主,導致水利工程管理信息雜亂,無法統(tǒng)一管理,各級行業(yè)主管部門難以及時、準確、全面地了解水利工程運行管理狀況,更無法對現(xiàn)有水資源進行科學調(diào)配。文獻[1]提出了基于信息資源整合的防汛系統(tǒng),利用GIS、移動應(yīng)用、搜索引擎等技術(shù),通過與各區(qū)域的空間信息相連接,將各區(qū)域的洪水調(diào)度目標整合起來,實現(xiàn)信息的綜合關(guān)聯(lián)查詢和實時監(jiān)控。文獻[2]提出了基于MIKE 模型的洪水風險分析方法,對防洪區(qū)的各個突發(fā)事件進行了洪水過程的仿真分析。
某水利工程地區(qū)水文復雜、潮位不相等,河堤內(nèi)部的地形由西向東傾斜,防洪堤較長,河段較短,涵閘數(shù)量較多,防守任務(wù)繁重。該地區(qū)夏天經(jīng)常出現(xiàn)暴雨,而全市湖區(qū)的水位也將會出現(xiàn)明顯的上漲。而從潮差角度進行分析,上述這兩種方法防洪效果并不佳,為此,下文提出了水利工程中的群閘智能聯(lián)動控制平臺設(shè)計。
使用傳統(tǒng)的調(diào)水模塊防汛墻后,會出現(xiàn)缺水、流速降低、河涌水質(zhì)變壞等問題。因此,通過智能系統(tǒng)的群閘視頻監(jiān)控聯(lián)控控制,來改善河涌水質(zhì),讓“死水”變成“活水”,實現(xiàn)“水活、水滿、水清”,使河涌水質(zhì)不會發(fā)黑發(fā)臭。
利用簡單水道中的非穩(wěn)態(tài)漸進流動的運動規(guī)律,對其進行數(shù)值模擬[3]。基本流程:1)流場為一維,且在橫切面內(nèi)的速度分布較均勻,可忽略由于通道彎曲而產(chǎn)生的離心作用;2)在橫斷面上的壓強是不計豎向加速度的靜壓分布[4];3)通過對邊界的摩擦力和紊動效應(yīng)的分析,可以用阻力來表示。盡管自然河流極為復雜,變化萬千,但在實際中,卻沒有一維的流動[5]。因此,充分考慮剖面的平均水力要素,假定一維的流體運動是可行的,構(gòu)建水動力數(shù)學模型,其基本方程式:
式中:h為過水斷面寬度;z為水量流動速度;t為時間;q為流量;Vz為防汛速度;s為過水斷面面積;λ為動量校正系數(shù)。通過公式(1)可計算河道水流。
通過構(gòu)建的水動力數(shù)學模型確定平均水力要素,以此為基礎(chǔ),采用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析潮汐及引排水可能性。
潮汐是一種典型的半日潮,每個月有2 次漲潮和2 次退潮,潮位和落潮的位置各不相同,漲潮和退潮的持續(xù)時間也各不相同。大潮出現(xiàn)在月初,小潮出現(xiàn)在每月的初七或初八,循環(huán)15 d。近岸潮位觀測站的實測數(shù)據(jù)較為完備,能夠準確地反映出潮位的多年變化[6]。通過對浮標場站的潮流位觀測,得到了潮流位的統(tǒng)計特性:高潮位最高值為2.61 m,低潮位最低值為-2.15 m,漲潮差最大值為3.53 m,落潮差最大值為2.76 m,平均漲潮歷時5.02 h,平均落潮歷時7.25 h。
根據(jù)實時勘察過程中的潮汐觀測資料,統(tǒng)計出引潮水水位和排水水位在不同保證率情況下的歷史數(shù)據(jù),如表1所示。
表1 不同保證率下的引排水水位
從表1中可以看出,在保證率大于75%時,引、排水水位均不超過2.00 m,可以滿足導流、排水的要求。
根據(jù)上述環(huán)境下的統(tǒng)計數(shù)據(jù),利用智能視頻控制方法,設(shè)計出群閘聯(lián)控調(diào)度平臺。在天然河道狀態(tài)下,所有的閘門都是開著的。在雙向引排水閘調(diào)度下,控制閘門打開和關(guān)閉,以適應(yīng)內(nèi)部和外部的水位差異。在閘門外,如果水位在入口,則外部水位不會超過可控制的,而水面不會比最低點低;如當閘門內(nèi)的水位不低于最低控制水位時,應(yīng)開啟全部閘門,讓河流從內(nèi)河進入外河。在其他條件下,當水位在控制范圍內(nèi)時,所有的閘門都會開啟,將外界的水流引入到河流中[7]。在西引東排調(diào)度下,水閘定向引水和利水。當閘門外部水位超過河道,且低于防洪標準,這時閘門沒有超過最大控制水位,閘門就會完全開啟;在水流從外部進入河水后,要將閘門關(guān)閉;當閘門外部水位低于河道水位時,閘門和河道水位不會降到最低點,所有閘門都會開啟,其他情況下關(guān)閉。
受沖刷、地震、暴雨、水位變化等因素的影響,邊坡容易出現(xiàn)崩塌,大面積的崩塌往往造成波浪[8]。基于此,構(gòu)建二維的潰壩滑坡浪涌問題數(shù)值模擬模型。對于該模型的分析,設(shè)置了兩個條件:1)初始條件,所研究的目標在初始階段,將整個水域設(shè)定為靜止狀態(tài),并將滑板與岸邊坡面連接;2)邊界條件,斜坡的邊坡是一種固體的邊界線,而斜坡則是一種滑移邊界[9]。
基于此,計算楔體入水涌浪,并用楔型滑坡體模型進行流型分析,由此確定的動態(tài)感興趣區(qū)域水流形態(tài)示意圖如圖1所示,圖中t為楔體入水涌浪。
圖1 動態(tài)感興趣區(qū)域的水流形態(tài)圖
由圖1可知,在0.05 s 時,水流在水流中的慣性作用基本維持不變,而在楔下的水流則受到了很大的壓力,從而使水流在斜坡上的速度增大;在0.25 s 內(nèi),水流通過楔形塊體滑移;0.50 s 后,水流持續(xù)上升,形成旋渦。這一楔形運動的方法與現(xiàn)實中的情形十分相符。
通過數(shù)值模擬基于動態(tài)感興趣區(qū)域的潰壩滑坡浪涌問題,構(gòu)建模塊式活動防汛墻。可拆卸式的模塊化防汛墻,無須預先進行大量的土建工作,能夠迅速地進行組合式安裝,具有輕便、運輸便捷、制造簡約等優(yōu)點,能有效地實施汛期防洪[10]。將防汛墻設(shè)計成移動形式,裝配于兩棟房屋墻壁間,該防汛墻還設(shè)有可移動堤壩,由若干標準單元和一對末端單元組成,標準單元為具有T 形截面的空心磚,每個標準件的側(cè)邊由一個連接機構(gòu)與鄰近標準件的側(cè)邊相連,形成正、負拼接的中間隔水墻,其厚度、彎曲側(cè)的形狀及大小與標準模塊一致[11]。防汛墻末端組件的扁平邊緣經(jīng)由固定機構(gòu)與建筑物墻壁的內(nèi)部相連接,末端組件的彎曲和垂直邊緣分別由連接機構(gòu)與中間擋水墻兩端的彎邊和直邊相連接,從而構(gòu)成整個擋水墻。在各標準組件前端和各末端組件前端的上下半部分,都設(shè)有1 個帶堵頭的注水孔[12,13]。模塊式活動防汛墻的正面圖如圖2所示。
圖2 模塊式活動防汛墻的正面圖
由圖2可知,防汛墻還包括調(diào)整模塊,該調(diào)整模塊采用四邊形中空塊形式,通過固定機構(gòu)與端部模塊相連。調(diào)整模塊的厚度和側(cè)面尺寸分別與末端組件的厚度和扁平邊緣的大小相對應(yīng),該調(diào)節(jié)組件前端上下半部分各設(shè)有1 個帶堵頭的注水口,使整個隔水壁可分成左右兩部分[14]。在調(diào)整模塊中設(shè)置分塊調(diào)節(jié)模式,分塊調(diào)節(jié)組件的厚度和邊緣尺寸與末端組件厚度和邊緣尺寸一樣,且在組件前端的上下半部各設(shè)置有1 個噴水口,噴水口還帶有1 個塞子[15]。
在工程實踐中,模塊式活動防汛墻的每一單元均由輕型PVC 板材制成,其運輸生產(chǎn)成本低,安裝方便。此外,在洪水來臨時,可以迅速組裝,并注入水分,以避免雨水形成地表積水。
在天然河道狀態(tài)、雙向引排水閘調(diào)度、西引東排3 種調(diào)度方式下,分別對使用基于信息資源整合的防汛系統(tǒng)、基于MIKE 模型的洪水風險分析方法和智能水利工程群閘聯(lián)動控制平臺的應(yīng)用效果進行對比分析,見表2。
表2 各種工況下平均流量分析
某水利工程管理模型是根據(jù)下列資料構(gòu)建的。
1)地形
在三維數(shù)字地形建模中,獲取和輸入地形信息是進行三維數(shù)字地形建模的先決條件。2002年,某工程公司于運用航圖(包括水流、水位)對飛機進行了航空數(shù)據(jù)處理,將數(shù)據(jù)輸入到網(wǎng)格上的數(shù)字地面模型中,并通過圖形軟件獲得了基本的立體地貌數(shù)據(jù)。
2)建筑物
在技術(shù)設(shè)計階段,根據(jù)工程實際情況,對樞紐工程進行了三維建模,并對其進行了圖像仿真。為了達到大規(guī)模的建模,可以采用更有效的組件裝配技術(shù),即把單個基本部件的三維實體當作材料。在構(gòu)造復雜的構(gòu)件時,應(yīng)按不同的條件選擇適當?shù)臉?gòu)件。
3)水面
采用一種基于導流明渠的數(shù)值計算方法,對該模型進行了數(shù)值仿真,并建立了相應(yīng)的三維模型。為了滿足水庫治理工程中的復雜河床流型,采用了一種新的曲線坐標系統(tǒng),采用N-S 模型對導流明渠的流型進行數(shù)值模擬,可為工程設(shè)計提供依據(jù)。通過動態(tài)顯示技術(shù),可以讓模擬的結(jié)果更加逼真。通過以上模擬,得到了物料的種類、重量(包括尺寸)。
由表2可知,對于天然河道工況,由于潮汐在上游和下游的相互影響,水體是來回振蕩的,流量較小,因此,能在一段時間內(nèi)進行換水,而不會產(chǎn)生死水。在雙向引排水工況下,盡管可以在一定程度上縮短了置換過程,但更換周期依然較長。對于西引東排工況,使用水利工程群閘聯(lián)動控制平臺,可以大大縮短更換水體的時間,并能迅速地實現(xiàn)河道間水體的快速交換,在各種條件下,西引東排調(diào)度方式是促使水質(zhì)變化最快的調(diào)度方案。
在水利管理工程中,通過解決動態(tài)感興趣區(qū)域的潰壩滑坡浪涌問題,對水利工程群閘智能聯(lián)動控制平臺進行分析,為水利工程管理工作提供依據(jù)和保障。傳統(tǒng)的信息整合防汛系統(tǒng)無法分析水體交換時間,導致出現(xiàn)水質(zhì)污染,群閘智能聯(lián)動控制平臺通過群閘聯(lián)控、引水補水,使河道水質(zhì)達到“清水、綠岸、魚游”的良好生態(tài)景象。該平臺可充分利用水資源信息,科學調(diào)水補水,不斷提升水利管理水平。