甌飛一期圍墾工程排澇規(guī)模優(yōu)化計算

劉 云,林登榮,王 斌,包中進(jìn)

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.溫州市水利投資開發(fā)有限公司,浙江 溫州 325000)

排澇工程規(guī)模計算及論證一般采用簡單對比法或全部試驗法[1-6]。簡單對比法是在確定其他影響因素的基礎(chǔ)上,對單一因素進(jìn)行逐個比較,探索較為合理的排澇規(guī)模,這種方法的代表性很差;另外,排澇規(guī)模的論證牽涉因素眾多,各種因素之間關(guān)系錯綜復(fù)雜,簡單對比法不能綜合考慮這些因素的影響,結(jié)果的可靠性也就無法驗證。全面試驗法雖然涵蓋了各種影響因素,但是試驗次數(shù)太多,工作量較大。正交試驗法[7]則能夠解決這些問題,它是利用“正交表”科學(xué)地安排與分析多因素試驗的方法,其主要優(yōu)點是能在很多試驗方案中挑選出代表性強的幾個試驗方案,用統(tǒng)計計算的方法對試驗結(jié)果進(jìn)行分析研究,分辨出主次因素,推斷出最優(yōu)方案。采用正交試驗法既能縮短周期、降低成本,又能全面科學(xué)地分析問題,使得結(jié)論更加可靠。正交試驗法在醫(yī)藥、食品、化工等領(lǐng)域應(yīng)用較多且比較成熟,也有研究者將正交試驗法應(yīng)用到機械、巖土、水利等領(lǐng)域中[8-12]。

本文將正交試驗法應(yīng)用到溫州甌飛一期圍墾工程排澇規(guī)模優(yōu)化計算中,充分考慮閘門控制、水利調(diào)度等因素的影響,確定了影響圍區(qū)排澇能力的主次因素,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化排澇組合,最后確定了合理的排澇規(guī)模。

1 工程概況

溫州甌飛一期圍墾工程位于甌飛灘高灘區(qū)域,南、北邊界分別是飛云江及甌江河口邊界的外延線,圍墾面積約為116km2。圍區(qū)以中央橫河為界,西片設(shè)置南1號閘、北1號閘;圍區(qū)東片東面設(shè)置東1號閘、東2號閘,南北向設(shè)置南2號閘、北2號閘及兩個調(diào)蓄湖及兩個排澇泵站,東片主體為“二橫七縱兩湖”的排澇格局。設(shè)計方案南1號和北1號閘閘室凈寬均為80m,閘底板高程-2.0m;南2號和北2號閘閘室凈寬均為60m,閘底板高程-3.0m;東1號閘和東2號閘閘室凈寬均為40m,閘底板高程-3.0m。圍區(qū)近期為功能養(yǎng)殖期;中期擬采取“分區(qū)排澇、分片解決”的排澇總體格局,上游溫瑞平原客水作為一個排水系統(tǒng),高水高排,圍區(qū)東片澇水由圍區(qū)設(shè)置的排水閘及泵站等設(shè)施排出,與客水排澇體系相互獨立;遠(yuǎn)期則考慮相互貫通[13]。圍區(qū)排澇布局見圖1[14]。圍區(qū)排澇洪水標(biāo)準(zhǔn)除中期圍區(qū)東片按10年一遇控制,其他均按照50年一遇控制,各階段各閘調(diào)度控制水位不同,見表1,控制原則為高于起調(diào)水位開閘,低于最低控制水位關(guān)閘。

圖1 甌飛一期圍墾工程圍區(qū)排澇布局

表1 各閘調(diào)度控制水位

2 模型建立

數(shù)學(xué)模型主要模擬甌飛一期圍墾規(guī)劃水系,計算不同排澇規(guī)模組合下圍區(qū)最高洪水位。由于計算區(qū)域范圍較大、水動力條件復(fù)雜、涉水建筑物較多,并需要考慮水閘調(diào)度運行方式等因素,因此平面二維數(shù)學(xué)模型采用基于三角形網(wǎng)格的有限體積模式[15],并根據(jù)水閘調(diào)度運行原則設(shè)置了閘門開關(guān),當(dāng)圍區(qū)水位達(dá)到排澇控制條件時,閘門開啟,低于最低控制水位時閘門關(guān)閉,水閘僅允許單向排澇出流,不考慮納潮?；痉匠倘缦?

式中:h為水深,m;u,v分別為x,y方向上的垂向平均流速分量,m/s;t為時間,s;z0為河床高程,m;g為重力加速度;f為柯氏力參數(shù),f=2ωsinφ,其中φ為緯度,ω為地球自轉(zhuǎn)速度;εx,εy分別為x,y方向的渦動擴(kuò)散系數(shù);Wx,Wy分別為x,y方向的風(fēng)應(yīng)力分量;Cz為謝才系數(shù),Cz=h1/6/n,其中 n為糙率系數(shù)。方程(1)為水流連續(xù)方程,方程(2)和方程(3)分別為x,y方向的動量守恒方程。

模型上游客水邊界模擬至工程臨近圍區(qū)的排澇閘,下游則模擬至外排至甌江及東海的排澇閘附近。模型計算上游客水邊界采用流量過程線;下游飛云江、甌江以及東海附近6個閘的閘下邊界則采用對應(yīng)的外海潮位過程線;圍區(qū)降水直接按照降水邊界設(shè)置。

3 排澇規(guī)模優(yōu)化計算

排澇規(guī)模優(yōu)化計算主要考慮水閘配套規(guī)模問題,在水閘設(shè)計中,閘室寬度及閘底板高程對水閘的排澇能力影響較大,因此,本文在各閘閘室寬度及閘底板高程多個水平基礎(chǔ)上對圍區(qū)西片及東片排澇進(jìn)行正交組合計算,比選出對圍區(qū)排澇水位影響較大的因素并進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)合工程投資提出較為合理的水閘布置規(guī)模,最后用遠(yuǎn)期貫通方案對優(yōu)化方案進(jìn)行復(fù)核。

3.1 中期及遠(yuǎn)期西片客水排澇工況

中期及遠(yuǎn)期西片排澇工況排澇控制標(biāo)準(zhǔn)相同,因此計算組合亦相同。圍區(qū)西片客水排澇影響因素主要考慮南1號閘、北1號閘的閘室寬度及閘底板高程,結(jié)合工程實際,對各因素分別選取了3個水平,即采用四因素三水平進(jìn)行計算,如表2所示。

表2 排澇規(guī)模優(yōu)化計算因素水平

按照常規(guī)計算方法需要計算81組次,為提高效率,加快進(jìn)度,將正交試驗法用于排澇優(yōu)化計算中,采用L9(34)正交試驗表,將試驗組次減少為9組,詳見表3,試驗結(jié)果見表4。

表3 西片客水閘室規(guī)模正交試驗組次

表4 西片客水閘室規(guī)模正交試驗結(jié)果 m

根據(jù)正交設(shè)計的特性,由Ki的大小可以判斷各水平對試驗指標(biāo)的影響大小,本試驗統(tǒng)計指標(biāo)為圍區(qū)最高洪水位,因此Ki越小,試驗結(jié)果越好。由極差大小可以看出南1號閘閘寬、南1號閘閘底板高程對圍區(qū)最高洪水位影響最大;由ˉK i值大小得出各因素水平3為最優(yōu)排澇組合,即閘室寬度取最大,閘底板高程取最低,該結(jié)論也符合工程實際情況。

另外,從表3可以看出,除組次5、組次7、組次9外,其余組次圍區(qū)最高洪水位均高于設(shè)計最高洪水位。從投資來看,組次5為相對較優(yōu)方案,但考慮組次4方案圍區(qū)最高洪水位與設(shè)計最高洪水位較為接近,僅相差0.04m,且由極差分析得出,南1號閘閘底板高程對圍區(qū)最高洪水位的影響僅次于南1號閘閘寬,因此根據(jù)閘室附近實際地形高程嘗試將組次4的南1號閘閘底板降為-2.0m,即比較方案(組次10)。計算結(jié)果表明,組次10圍區(qū)最高洪水位為3.74m,等同于設(shè)計最高洪水位,滿足排澇要求。因此,根據(jù)圍區(qū)西片排澇計算,推薦組次5和組次10為較優(yōu)方案。

3.2 中期及遠(yuǎn)期東片圍區(qū)排澇工況

中期及遠(yuǎn)期東片圍區(qū)排澇工況仍采用以上方法進(jìn)行計算分析,計算組次都由81組減少為9組,計算所得優(yōu)化方案為南2號、北2號閘寬40m,東1號、東2號閘寬45m,閘底板高程均為-3.5m,圍區(qū)東片閘室總凈寬170m。

3.3 遠(yuǎn)期聯(lián)合排澇工況

該方案將圍區(qū)東片及西片通過節(jié)制閘進(jìn)行貫通組合,用此方案對以上計算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核,見表5。計算結(jié)果表明,貫通后圍區(qū)優(yōu)化方案1及2的最高洪水位分別為3.60m和3.61m,低于設(shè)計最高洪水位3.65m,滿足設(shè)計排澇標(biāo)準(zhǔn)。兩方案閘室總凈寬分別為330m和320m,均比設(shè)計總凈寬360m小,減少了工程投資。

表5 遠(yuǎn)期貫通閘室規(guī)模復(fù)核

4 結(jié) 論

a.將正交試驗法用于排澇規(guī)模優(yōu)化計算中,減少了計算組次,提高了效率,根據(jù)極差分析法找出了圍區(qū)最高洪水位影響因素的主次順序,從而進(jìn)一步優(yōu)化了排澇組合方案。

b.通過計算推薦兩個較優(yōu)方案,兩個方案的排澇寬度均比設(shè)計方案總凈寬小,減少了工程投資,為設(shè)計及工程運行提供了依據(jù)。

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