基于河網(wǎng)水動力學模型的珠江三角洲排澇調(diào)度設計

杜偉華，趙宇坤，賀順德

（1.山東黃河河務局，山東濟南250011；2.黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南鄭州450003）

基于河網(wǎng)水動力學模型的珠江三角洲排澇調(diào)度設計

杜偉華1，趙宇坤1，賀順德2

（1.山東黃河河務局，山東濟南250011；2.黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南鄭州450003）

基于一維非恒定流的圣維南方程組，在節(jié)點水量嚴格平衡的基礎上，結合防洪防潮排澇調(diào)度設計，對河網(wǎng)水動力學模型的閘泵入出流計算和河網(wǎng)節(jié)點設計進行優(yōu)化。針對廣州市番禺區(qū)蕉東聯(lián)圍排澇區(qū)的外江水閘和河道整治項目，探討了河網(wǎng)概化方法、邊界條件的確定和模型的輸出。

珠江三角洲；水動力學模型；河網(wǎng)概化；排澇調(diào)度

0 引言

近年來，水動力學模型在河道洪水模擬、城市管網(wǎng)排水設計等方面得到了很好的應用。珠江三角洲位于珠江下游的平原地區(qū)，地勢低洼平坦，河網(wǎng)密布，是珠江水系內(nèi)陸河流的入海河口。受外江洪潮水位頂托，該區(qū)河道泄水不暢，洪澇災害頻繁。由于珠江三角洲地區(qū)河網(wǎng)縱橫交錯，建筑物眾多，水流運動十分復雜，用水動力學模型對河網(wǎng)水流運動情況進行數(shù)值模擬，建立適用于珠江三角洲地區(qū)河網(wǎng)水動力學模型，為地區(qū)防洪、防潮、排澇等規(guī)劃設計提供技術依據(jù)尤為重要。

廣州市番禺區(qū)地處珠江三角洲中心，東臨獅子洋，與東莞市隔江相望；西及西南以陳村水道和洪奇瀝為界，與佛山市南海區(qū)、順德區(qū)及中山市相鄰；北隔瀝滘水道，與廣州市海珠區(qū)相接；南及東南與廣州南沙開發(fā)區(qū)相鄰。番禺區(qū)番禺區(qū)蕉東聯(lián)圍屬于典型的平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，為了配合《廣州市番禺區(qū)外江水閘及河道整治工程》的順利完成，筆者建立了珠江三角洲地區(qū)河網(wǎng)水動力學模型，以期為廣州市番禺區(qū)外江水閘和河道整治工程的設計提供依據(jù)。

1 河網(wǎng)水動力學模型的基本原理和優(yōu)化

1.1 基本方程組

對于平底、棱柱形明渠中的非恒定流，根據(jù)一維非恒定流動基本方程組—圣維南方程組求解，如式（1）和式（2）所示［1］。

式中：x為距離，m；t為時間，s；A為過水斷面面積，m2；Q為斷面流量，m3／s；Z為斷面水位，m；α為動量修正系數(shù)；K為流量模數(shù)；qL為單寬旁側入流量，m2／s，入流為正，出流為負；vx為入流沿水流方向的速度，m／s。

在水流運動模擬計算中，規(guī)劃的河道斷面可以按式（3）優(yōu)化成梯形斷面［2］。

式中：S為兩側邊坡之和；ΔZ為Δt時段內(nèi)水位增量，m；BT為梯形斷面的開口寬，m。

由式（4）可知，δ*總是大于零的，且水位變幅越大，δ*值越大。因此，對于潮水河道，計算歷時較長時，如果忽略這一項會引起水量平衡的誤差。以水位和流量為變量的平底棱柱體河道水流非恒定運動的基本方程組如式（5）和式（6）所示。

1.2 閘門及運行方式模擬［3］

在水流模擬中，不僅要正確地模擬水閘工程的規(guī)模、位置，而且還要模擬水閘的控制運行方式。在河網(wǎng)概化中，每條河道兩端均設有節(jié)點，河道與河道的連接均通過節(jié)點，水閘的上、下游也設有節(jié)點。即，每個控制建筑物均介于上、下節(jié)點之間。堰閘的概化模型如圖1所示。概化模型與河道不同之處是：（1）兩節(jié)點之間的距離可以忽略不計；（2）節(jié)點之間水位差與流量之間的關系取決于堰流公式及運行方式。

圖1 堰閘概化示意圖Fig.1 W eir sluice sim p lified method

在閘門開啟情況下，過閘流量Q可按式（7）和式（8）所示的寬頂堰公式進行計算。

式中：Q為過閘流量，m3／s；m為自由出流系數(shù)；φ為淹沒出流系數(shù)，一般取1.0～1.18之間；B為閘門開啟總寬度，m；Z0為閘底高程，m；Zu為閘上游水位，m；Zd為閘下游水位，m。對于已建控制建筑物最好根據(jù)實測過閘流量來確定系數(shù)m和φ值。

為了計算方便及兩種出流之間的銜接連續(xù)，將自由出流公式與淹沒出流公式統(tǒng)一成式（9）。

1.3 簡單河網(wǎng)方程［4］

簡單河網(wǎng)示意圖如圖2所示。

圖2 河網(wǎng)示意圖Fig.2 River network

在圖2中，有9條河流，11個節(jié)點，2個閘。其中，節(jié)點4、5、6為水位邊界點，其水位為已知值。其他節(jié)點水位和水閘的過閘流量可用下列方程組計算。

式中：Z1，Z2，…，Z11為節(jié)點水位；Qg1、Qg2分別為閘1與閘2的過閘流量。

由方程組（10）可知，節(jié)點水量平衡方程式是線性的，過閘流量方程式是非線性的。方程組的求解采用迭代法。

2 河網(wǎng)水動力學模型的應用

2.1 河網(wǎng)概化

在采用河網(wǎng)水動力學模型計算河道水面線，并計算水閘和泵站規(guī)模時，需要根據(jù)區(qū)域地形特征和城市建設規(guī)劃情況，以及現(xiàn)狀和規(guī)劃的排澇工程布置特點，繪制河網(wǎng)概化拓撲圖。本設計繪制拓撲圖時，河段、泵站、閘門分別編號（其中，泵站和閘門由3個節(jié)點表示，中間節(jié)點表示閘門編號，兩側節(jié)點表示入流和出流）。然后，根據(jù)河網(wǎng)概化河段及節(jié)點情況，并依據(jù)河段的匯流特點，將整個蕉東聯(lián)圍排澇區(qū)劃分為較小的分區(qū)。分區(qū)時，根據(jù)河段長度，并考慮河段所在的匯水面積和地形條件，按河段數(shù)將蕉東聯(lián)圍排澇區(qū)劃分為59個排澇小區(qū)。蕉東聯(lián)圍河網(wǎng)概化拓撲圖如圖3所示。

圖3 蕉東聯(lián)圍河網(wǎng)概化拓撲圖Fig.3 Jiaodong lianwei river network topology map

2.2 邊界條件［5］

（1）河道斷面。根據(jù)蕉東聯(lián)圍排澇區(qū)的水系特點、河網(wǎng)特性及規(guī)劃的河道斷面進行河道斷面概化。概化時，斷面間距一般取為500～1 000m。

（2）設計洪澇水。根據(jù)河網(wǎng)概化河段及節(jié)點情況、河段的匯流特點，將整個蕉東聯(lián)圍排澇區(qū)劃分為59個排澇小區(qū)，并將整個聯(lián)圍的設計洪水成果分配到每個匯水小區(qū)。但是，最終各小區(qū)設計洪水成果以整個蕉東聯(lián)圍排澇區(qū)的設計洪水成果作為控制。

（3）設計外江潮位過程。設計外江潮位過程同樣采用多年平均高潮位過程和多年平均最高潮位過程2種。按照設計的外江潮位過程分別對自排水閘規(guī)模和抽排情況下的泵站規(guī)模進行復核，并確定自排和抽排情況下的水閘泵站聯(lián)合運用方式。

（4）河道控制水位。河道起調(diào)水位確定為0.2m，最高控制水位采用1.0m。

（5）河道糙率。蕉東聯(lián)圍排澇區(qū)河道糙率缺乏實測資料，根據(jù)各河流的現(xiàn)狀以及規(guī)劃斷面形式，初步擬定河道的綜合糙率為0.027。

（6）泵閘聯(lián)合運用方式。自排情況下，外江水位較低。首先開啟閘門，當外江水位高于閘門前水位時，關閘。外江水位回落，當?shù)陀陂l門前水位時，開閘搶排，直至閘前水位距河道常水位0.2m時，關閘，維持常水位。抽排情況下，外江水位較高，此時關閉閘門，閘內(nèi)水位抬升至0.2m時，開啟泵站抽排，直到外江水位開始回落，并低于閘內(nèi)水位時，開閘搶排，直至閘前水位距河道常水位0.2m后，關閘，維持常水位。

2.3 模型輸出

模型輸出的成果為河道水面線、河道內(nèi)各節(jié)點的水位歷時變化過程線、各節(jié)點的流量及流向、各閘的排水流量過程、泵站的抽排流量過程、外江水位的變化過程等，因篇幅所限，本文不再詳列。根據(jù)不同邊界條件的模擬結果，以河道水面線不超過河道最高控制水位為原則，可以通過試算綜合分析該排澇區(qū)的河道整治規(guī)模、泵站抽排規(guī)模和水閘排水規(guī)模。由于蕉東聯(lián)圍內(nèi)河網(wǎng)交錯，相互串流，所以排澇模式為整體排澇。在排澇設計時，需要綜合考慮河道的調(diào)蓄作用和泵站的抽排作用，以及外江水閘的自排作用，使得排澇模式更合理。

3 結語

通過建立的河網(wǎng)水動力學模型對珠江三角洲地區(qū)水流狀態(tài)的數(shù)值模擬，經(jīng)過不同邊界條件的組合和不同排澇方案的優(yōu)化，可以提供滿足該地區(qū)排澇要求的河道整治規(guī)模、水閘泵站設計規(guī)模以及設計的水閘泵站防洪排澇運用方式。同時，該模型也可以為平原感潮地區(qū)的防洪、防潮、排澇調(diào)度提供技術支撐。

參考文獻：

［1］付典龍，傅春.一維圣維南方程組的特征線法［J］.南昌大學學報：工科版，2006，28（4）：386－389.

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［4］呂滿英，江洧，詹杰民.河網(wǎng)節(jié)點水流連接條件處理方法研究［J］.人民黃河，2007，29（3）：31－33.

［5］李毓湘，逄勇.珠江三角洲地區(qū)河網(wǎng)水動力學模型研究［J］.水動力學研究與進展：A輯，2001，16（2）：143－155.

[責任編輯 楊明慶]

Design of T he Pearl River Delta Drainage Regulation Based on Hydrodynam ics M odel for River Network

DU Wei－h(huán)ua1，ZHAO Yu－kun1，HE Shun－de2
（1.Shandong Yellow River Bureau，Jinan 250011，Shandong，China；2.Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd.，Zhengzhou 450003，Henan，China）

Based on the Saint－Venant equations of one－dimensional unsteady flow，on the basis of nodeflux strict balanced，and combin g with flood and moist control and drainage regulation design，it optimizes pump works in－out flow calculation and node design of hydrodynamics model for river networks.It discusses the river network simplified method，boundary conditions and the output of the model in view of the outer river brake and channel improvement project of jiaodong lianwei drainage area in Panyu district of Guangzhou city.

The Pearl River Delta；hydrodynamics model；river networks simplified method；drainage regulation

TV13

A

10.13681／j.cnki.cn41－1282／tv.2016.04.001

2016-03-23

杜偉華（1975-），男，山東齊河人，高級工程師，碩士，研究方向為水利工程建設與管理。