串聯(lián)渠池閘門同步關(guān)閉情況下關(guān)閘時間對閘前水位雍高影響

趙鳴雁 孔令仲 鄭艷俠 雷曉輝 權(quán)錦

摘要：針對采用應(yīng)急同步關(guān)閘措施導(dǎo)致的水位雍高問題，分析了多閘門同步關(guān)閘情況下不同關(guān)閘時間對水位雍高的影響。通過建立一維水力學(xué)模擬模型，進行了大量的關(guān)閘工況計算，研究了上、下游節(jié)制閘分別關(guān)閘動作對閘前水位的影響過程，結(jié)果表明，下游節(jié)制閘的關(guān)閘過程中產(chǎn)生的水位漲幅速率遠大于關(guān)閉完成后的水位漲幅速率。并以此為依據(jù)設(shè)置了不同的下游關(guān)閘時間，分析上、下游節(jié)制閘同步動作情況下關(guān)閘時間對閘前最大雍高產(chǎn)生時間與雍高高度的影響，結(jié)果表明最大雍高出現(xiàn)在上游水波傳遞到下游的時間或者滯后一小段時間，且下游關(guān)閘時間是影響水位雍高的主導(dǎo)因素。通過對多渠池聯(lián)調(diào)下其他渠池的閘門調(diào)控對研究渠池的水位影響分析，得出了同步關(guān)閘情況下渠池雍水基本只受本渠池上、下游閘門動作的影響的結(jié)論，從而為多閘聯(lián)調(diào)情況下閘前水位優(yōu)化提供了參考。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)渠池;同步關(guān)閘;雍水;關(guān)閘時間

中圖分類號：TV66文獻標(biāo)志碼：A

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：趙鳴雁

Analysis of the influence of gate closure time on the height of the water level before the control gate in a multi-channel system

ZHAO Mingyan.1，KONG Lingzhong.2，ZHENG Yanxia.3，LEI Xiaohui.4，QUAN Jin.4

（1.Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Diversion Middle Route Project，Beijing 100038，China;2.College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University，Hangzhou 310058;3.Beijing Department of South-to-North Diversion，Beijing 100097，China;4.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract：In view of the problem of water level rising caused by emergency synchronous closure of control gates，this paper analyzes the influence of different closure time on the water level under the condition of synchronous closure of multiple gates.We established a one-dimensional hydraulic simulation model，conducted plenty of calculations on closure conditions，and studied the influence of the closure of upstream and downstream control gates on the water level before the gate.The results showed that the water level rise rate during the closure process of the downstream control gate was much greater than that after the completion of the closure.On this basis，we set different downstream gate closure time，and analyzed the influence of the closure time on the height and happening time of the maximum water level during the synchronous closure of upstream and downstream control gates.The results showed that the maximum water level appeared during the transmission of the upstream water wave to the downstream section or a short time after that，and the downstream gate closure time was the dominant factor affecting the water level.After analyzing the influence of gate operation in other pools on the water level of the study pool in a multi-channel system，we concluded that the water level of a pool is basically affected by the operation of the upstream and downstream gates of the pool alone under the condition of synchronous closure.This paper can provide a reference for the optimization of the water level before the gate under synchronous closure.

Key words： multi-channel system;synchronous closure;water level rise;gate closure time

為了解決水資源分布不均的問題，國內(nèi)外已建或在建有許多的大型調(diào)水工程，比如南水北調(diào)工程、美國的加州調(diào)水工程、法國的普羅旺斯工程。這些輸水工程大部分輸水段都是采用明渠輸水，并采用明渠兩端的節(jié)制閘進行輸水調(diào)控[1-2]。正常運行過程中，明渠的運行工況較為穩(wěn)定，一般其分水流量較小，引起的渠道流量或者水位變化很小。因此其節(jié)制閘控制目標(biāo)較為簡單，達到輸水目標(biāo)流量并且保證水位盡可能穩(wěn)定在目標(biāo)水位即可[3]。目前針對渠道運行控制方法主要為蓄量補償算法或者預(yù)測控制算法[4-5]。這些算法都是假設(shè)渠池的流量變化需求提前知道的情況下進行的閘門控制策略計算[6-7]。但是，當(dāng)工程遇到可能發(fā)生的應(yīng)急事件，比如氣候、洪水、地震、滑坡、建筑物損害、人為失誤和交通事故，就需要進行突然的輸水流量調(diào)控[8]。最為嚴重工況就是在發(fā)生下游段突發(fā)水污染事件的時候，整個上游段渠池都需要進行大幅度的流量減小[9]。而閘門的關(guān)閉勢必會在渠池下游產(chǎn)生雍水，如果渠池下游雍水過高則可能導(dǎo)致漫溢。而漫溢會導(dǎo)致渠池水體淹沒節(jié)制閘機房，造成液壓油污染或者其他類型的污染。漫溢在渠池的調(diào)控過程中一般是不允許發(fā)生的[10]。因此，在應(yīng)急調(diào)控過程中，除了考慮渠池的穩(wěn)定問題，還需要考慮關(guān)閘導(dǎo)致的節(jié)制閘水位雍高，節(jié)制閘的調(diào)控較為困難[11]。

目前，針對渠池下游的突發(fā)的大流量變化下的閘門調(diào)控方法研究較少。國外學(xué)者主要是研究了在渠池上游來水突然減小下的應(yīng)急調(diào)控方法，由于上游調(diào)控產(chǎn)生的漲水波需要一定的時間才能到達下游渠池，結(jié)果表明可以通過閘門異步調(diào)整來減小水位雍高[12-13]。部分學(xué)者考慮了利用在線水庫的庫容來進行突發(fā)水量變化情況下的閘門調(diào)控[14]，但是并不是所有的渠池都具有在線調(diào)節(jié)水庫。中國學(xué)者則針對南水北調(diào)中線工程的突發(fā)水污染事件，研究了大型明渠的的應(yīng)急調(diào)控方法[15-16]，并得出應(yīng)急渠段的上游適合采用同步關(guān)閘措施，并且結(jié)合退水閘的使用來保證工程的安全的結(jié)論。雖然通過退水閘的使用可以減小渠道雍水，但是退水閘的開啟及其不經(jīng)濟，會退掉大量的可飲用水。國內(nèi)已有研究表明在節(jié)制閘的開度調(diào)節(jié)過程中可以通過延長關(guān)閘時間來減小水位變幅速率[17]。如果在節(jié)制閘的關(guān)閉過程中，考慮節(jié)制閘的關(guān)閉時間對節(jié)制閘的閘前雍水高度的影響，則可以通過合適的關(guān)閘時間選擇來盡可能的降低閘前雍水高度。因此，本文通過研究節(jié)制閘關(guān)閘時間對閘前雍水的影響，分析在應(yīng)急情況下的閘門關(guān)閘時間選擇。

1建模方法

（1）渠系建模方程。

對于輸水明渠而言，其渠道多為長窄類型[18]，因此，可以采用一維水力學(xué)模型來進行較精確模擬。一維方程為圣維南方程組[19]：[JB（{][SX（]?A[]?t[SX）]+[SX（]?Q[]?x[SX）]=q[SX（]?[]

式中：x和t為空間和時間坐標(biāo);A為過流面積;Q為流量;h為水深;S0為渠道底坡;g為重力加速度;q為單位長度渠道上的側(cè)向出流量;Sf為摩擦坡度，定義為

Sf=Q|Q|/K.2（2）

其中K為流量模數(shù)。

（2）節(jié)制閘建模方程。

節(jié)制閘處流量水位關(guān)系過閘流量方程描述。一般情況下輸水明渠的節(jié)制閘過閘流量可以假設(shè)可以用與上游水深有關(guān)的方程描述，方程為：

Q=Cdlb[KF（]2gh1[KF）]（3）

式中：Q為流量;l為閘門開度;b為閘門寬度;h1為上游水深;Cd為過閘流量系數(shù)，根據(jù)閘門開度、閘門過流形式等而定，其取值可參考Henry公式[20]。

在節(jié)制閘開度已知的情況下，整個模型是具有定解的。在模型計算中，假設(shè)節(jié)制閘的開度是根據(jù)關(guān)閘時間線性減小的。

對于明渠水流，一般最下游節(jié)制閘水位不至于過低以至于影響閘門過閘能力，基本為明渠緩流，不存在急緩流交替。因此模型的數(shù)值解可采用Preissman隱式差分格式求解[21]。

2研究情景設(shè)置

閘門關(guān)閉過程對水位的影響主要在于流量改變后形成的水波。其中，下游閘門關(guān)閉過程中會形成漲水波，而上游閘門關(guān)閉過程會形成降水波。由于上游的降水波到達下游節(jié)制閘存在著時間上的滯后。因此，下游節(jié)制閘閘前水位在上游降水波傳遞過來的過程中會先上升后下降從而產(chǎn)生雍水現(xiàn)象。為分析上、下游關(guān)閘時間對下游水位的影響，首先構(gòu)造了一個簡單兩渠池串聯(lián)渠道，通過設(shè)置兩個渠池的上、下游閘門的關(guān)閉時間，來分析關(guān)閘時間對渠池下游水位的影響。這里，設(shè)置的兩個渠池的渠池長度均為15 km，每個渠池的最下游水深均為3.1 m;初始的工況為最上游進口流量為40 m.3/s，中間分水口流量均為0，最下游的出流也為40 m.3/s。此工況下計算得到的水波的傳遞速度約為4.7 m/s，水波在每個渠池中的從上游傳播到下游以及從下游傳播到上游的時間分別約為50 min和70 min，因此可考慮設(shè)置關(guān)閘時間為10～90 min來進行分析。研究渠段的具體結(jié)構(gòu)和具體參數(shù)見圖1和表1。

2.1單一渠池中節(jié)制閘動作對渠池下游水位的影響分析計算工況

為了分析單一渠池中，上、下游節(jié)制閘分別關(guān)閉作用下的閘前水位變化過程，這里選取了渠池1作為研究對象。為分析上游節(jié)制閘關(guān)閘對下游水位的影響，假設(shè)節(jié)制閘0的流量從40 m.3/s變?yōu)? m.3/s，而其他節(jié)制閘的開度保持不變;為了分析下游節(jié)制閘關(guān)閘對下游水位的影響，假設(shè)節(jié)制閘1的流量從40 m.3/s變?yōu)? m.3/s，而其他節(jié)制閘的開度保持不變。此外，為分析關(guān)閘時間不同導(dǎo)致的水位變動差異，設(shè)置了10 min、30 min兩種關(guān)閘時間，即節(jié)制閘0或節(jié)制閘1的流量分別在10 min和30 min內(nèi)線性從40 m.3/s變?yōu)? m.3/s。此外，設(shè)置初始的變化開始時間均為10 min。計算工況見表2。

2.2單一渠池中上、下游節(jié)制閘同時動作對渠池下游雍水的影響分析計算工況

而在上、下游節(jié)制閘同時關(guān)閉的過程中，由于上游漲水波到達下游節(jié)制閘前的滯后性，會導(dǎo)致閘前水位的雍高。為分析在單一渠池中，上、下游節(jié)制閘共同作用下的渠池下游閘前水位雍高過程，這里選取了渠池1作為研究對象。假設(shè)節(jié)制閘0以及節(jié)制閘1同時開始關(guān)閘，而節(jié)制閘2的開度保持不變，分析節(jié)制閘1的閘前水位雍高過程。為分析節(jié)制閘關(guān)閘時間對閘前水位雍高的影響，同樣需要設(shè)置兩個不同的關(guān)閘時間。而由于上游水波傳播時間到達下游的時間具有滯后性，這里計算滯后時間大約為50 min。因此，節(jié)制閘1設(shè)置了70 min關(guān)閘，以分析下游節(jié)制閘關(guān)閘時間大于水波傳播時間情況下的水位雍高過程。設(shè)置計算工況見表3。

2.3串聯(lián)渠池其他渠池節(jié)制閘動作對渠池1下游水位的影響分析計算工況

而在串聯(lián)渠池中，一般多個渠池處于聯(lián)動狀態(tài)，這個時候就需要考慮多渠池節(jié)制閘關(guān)閘對閘前水位的影響。對于某一渠池而言，其下游閘前水位除了受渠池上、下游節(jié)制閘影響，也受到上游渠池的節(jié)制閘和下游渠池的節(jié)制閘動作影響。以渠池1中的節(jié)制閘1的閘前水位為研究對象，其即受到節(jié)制閘0上游的節(jié)制閘的關(guān)閘動作的影響，也受到節(jié)制閘2以及節(jié)制閘2下游的關(guān)閘動作的影響。但是由于節(jié)制閘0上游的節(jié)制閘動作產(chǎn)生的水波到達節(jié)制閘1處要需要傳播兩倍的渠池長度，其影響滯后時間很[CM（22]長，而且在傳播過去時節(jié)制閘0的降水波已經(jīng)與節(jié)制閘1產(chǎn)生的漲水波相遇，因此其對最大水位雍高幾乎沒有影響。所以這里就只考慮節(jié)制閘2的關(guān)閘對渠池1中節(jié)制閘1的閘前水位影響。

首先分析閘門2采取關(guān)閘動作，而渠池1中的節(jié)制閘0和節(jié)制閘1開度保持不變工況下，閘門2關(guān)閘對節(jié)制閘1的閘前水位的影響。設(shè)置工況見表4。

2.4串聯(lián)渠池閘門都關(guān)閉其他渠池節(jié)制閘動作對渠池1下游雍水的影響分析計算工況

此外，還需要考慮其他渠池關(guān)閘對本渠池中的水位雍高過程的影響。由于節(jié)制閘2的關(guān)閉對節(jié)制閘1的閘前水位的影響時間的滯后性較大，如果節(jié)制閘1的關(guān)閘時間很短，下游水波傳播上來時節(jié)制閘1已經(jīng)關(guān)閉，其對節(jié)制閘1的閘前水位影響幾乎可忽略。因此這里選擇較長的節(jié)制閘1關(guān)閘時間。此外還設(shè)置了對照組：節(jié)制閘0和節(jié)制閘1關(guān)閉，而節(jié)制閘2的開度保持不變。以分析在節(jié)制閘同步關(guān)閘過程中，其他渠池的節(jié)制閘關(guān)閉對本渠池的閘前水位的影響。具體工況設(shè)置見表5。

采用第2部分的建模思路建立水力學(xué)模擬模型，按照各工況設(shè)定的節(jié)制閘運行工況，進行非恒定流模擬，分析各工況中節(jié)制閘1的閘前水位變化過程。假設(shè)初始時刻渠池處于恒定流運行工況，所有的關(guān)閘都是從10 min開始。

3結(jié)果分析

3.1單一渠池中節(jié)制閘動作對渠池下游水位的影響

首先分析上、下游關(guān)閘對渠池下游水位的影響。設(shè)置節(jié)制閘0關(guān)閘時間分別為10 min和30 min，其節(jié)制閘0的過閘流量變化過程與節(jié)制閘1的閘前水位變化過程見圖2。設(shè)置節(jié)制閘1關(guān)閘時間分別為10 min和30 min，其節(jié)制閘1的過閘流量變化過程與節(jié)制閘1的閘前水位變化過程見圖3。

在圖2中，節(jié)制閘0在10 min開始關(guān)閉，而下游節(jié)制閘閘前水位則在56 min分鐘才開始變動，說明中間間隔著46 min左右的滯后時間。這說明上游關(guān)閘產(chǎn)生的降水波需要一段時間才能到達下游閘前。一般渠池上游擾動傳遞到下游的時間為水波的傳遞時間[22]。對于上游擾動，水波傳播時間計算公式為t=[SX（]L[]c+v[WTBX][SX）]，水波波速也用c=[KF（]gh[KF）]近似估計。在本文設(shè)置工況中，渠池上、下游的水波波速計算結(jié)果分別為4.1 m/s和4.6 m/s，上、下游水流流速分別為0.8 m/s和0.5 m/s，上游水波傳播到下游時間計算為47～50 min。這也說明模型的計算結(jié)果較為準確。

而且對比10 min和30 min關(guān)閘時間下的閘前水位變化過程可以看出，其產(chǎn)生的水位下降大致是兩階段的線性變化：（1）第1階段和第2階段水位都是線性降低，且第1階段的水位降速略大于第2階段;（2）第2階段不同關(guān)閘時間帶來的降速基本接近，水位降幅的差別是在第1階段產(chǎn)生的。

從圖3可以看出，本地節(jié)制閘關(guān)閉后的一段時間內(nèi)閘前水位大致分為兩階段上升：（1）第1階段和第2階段水位都是線性降低，且第1階段的水位降速略大于第2階段;（2）關(guān)閘結(jié)束后的第2階段的水位漲速也是相同的。其中，關(guān)閘完成之后水位線性增加且增速基本保持一致，符合現(xiàn)階段在渠道集中控制中常用的積分時滯模型[23-24]的相關(guān)結(jié)論，也說明了本文模型模擬結(jié)果的準確。

而對比圖2和圖3可以看出，下游節(jié)制閘在關(guān)閘過程中（關(guān)閘第1階段）引起的水位變動更為強烈，水位變化速率遠大于下游節(jié)制閘關(guān)閘完成后的變化速率以及上游節(jié)制閘關(guān)閘引起的下游渠池水位變化速率。而上游節(jié)制閘關(guān)閘引起的渠池下游水位下降速率略大于或者等于下游節(jié)制閘關(guān)閘完成后引起的水位上升速率。

[BT（3+*6]3.2單一渠池中上、下游節(jié)制閘同時動作對渠池下游雍水的影響

假設(shè)下游節(jié)制閘的關(guān)閘時間分別為10 min、30 min和70 min。分析在不同的下游關(guān)閘時間情況下，上游節(jié)制閘不同的關(guān)閘時間導(dǎo)致的渠池下游閘前水位變化情況。其結(jié)果見圖4。

從圖4中可以看出，在上、下游節(jié)制閘的共同作用下，渠池下游水位出現(xiàn)波動，而閘前的水位雍高大致出現(xiàn)在第一個波峰處;水位最大雍高出現(xiàn)的時間大約在60～80 min之間，也就是上游水波傳播到下游節(jié)制閘1滯后一段時間。即最大雍高主要是由于上、下游水波的傳遞時間的差值造成的。

同時，對比相同上游時間，下游不同關(guān)閘時間的情況可以看出，延長下游關(guān)閘時間20 min帶來的水位降幅約為0.06 m;相比之下，在下游相同時間，縮短上游關(guān)閘使勁20 min帶來的水位降幅約為0.02 m，這也說明下游關(guān)閘時間是影響下游雍水高度的主要因素。

3.3串聯(lián)渠池其他渠池節(jié)制閘動作對渠池1下游水位的影響

假設(shè)節(jié)制閘0和1開度不變，而節(jié)制閘2關(guān)閉，其關(guān)閘時間分別為10 min、30 min。分析節(jié)制閘2的關(guān)閉對渠池1的下游水位（節(jié)制閘1的閘前水位）的影響。

從圖5中可以看出，節(jié)制閘2在10 min開始關(guān)閉，而節(jié)制閘1閘前水位則在78 min分鐘才開始變動，說明中間間隔著68 min左右的滯后時間。這是因此下游關(guān)閘產(chǎn)生的漲水波需要一段時間才能到達上游節(jié)制閘，其傳播時間即為渠池除以水波的速率。計算水波傳播時間t=[SX（]L[]c-v[SX）]≈70 min。 而在對比10 min和30 min對閘1的閘前水深的影響可以看出，節(jié)制閘2的關(guān)閉也會造成節(jié)制閘1的閘前水位升高，但是關(guān)閘時間幾乎不會影響到水位的變化速率。

在節(jié)制閘0、節(jié)制閘1、節(jié)制閘2分別采用10 min關(guān)閘而其他節(jié)制閘不操作工況下的水位過程，見圖6。從圖6中可以看出節(jié)制閘0和節(jié)制閘1關(guān)閉對渠池1的閘前水位影響較為強烈，且后期導(dǎo)致的水位變化速率接近，而節(jié)制閘2的關(guān)閉對渠池1的閘前水位影響極小，且還存在著很大的滯后時間。因此，需要分析在節(jié)制閘都同步采取關(guān)閘措施情況下的節(jié)制閘2對渠池1的閘前水位的影響。

3.4串聯(lián)渠池閘門都關(guān)閉其他渠池節(jié)制閘動作對渠池1下游雍水的影響

從圖7中可以看出，在節(jié)制閘都采取關(guān)閘過程的時候，下游節(jié)制閘2的關(guān)閉對渠池1的下游閘前水位沒有任何影響。圖7（a）中，節(jié)制閘1在70 min內(nèi)關(guān)閉，由于節(jié)制閘2產(chǎn)生的水波到達節(jié)制閘1的時間為76 min，所以節(jié)制閘2關(guān)閘不會對閘1的閘前水位產(chǎn)生影響。而在圖7（b）中，盡管節(jié)制閘1的關(guān)閘時間為90 min，但是由于下游的水波傳遞到節(jié)制閘1時，節(jié)制閘1的閘前水位雍高較大，而節(jié)制閘1的閘前水位雍高較小，且節(jié)制閘開度很小，處于自由閘孔出流狀態(tài)，計算方程假設(shè)下游水深對上游流量與水深沒有影響[25]，所以下游水波不會對節(jié)制閘1的閘前水位產(chǎn)生影響。也就說明，在同步關(guān)閘時候，除非是極端情況，下游渠池的關(guān)閘幾乎是不會對上游渠池的關(guān)閘產(chǎn)生的雍水有影響的。而由于上游渠池的關(guān)閘產(chǎn)生的水波到達下游存在很大的時間滯后，幾乎也不會對渠池的關(guān)閘雍水有影響。因此，可以假設(shè)在多渠池串聯(lián)渠系中，同步關(guān)閘產(chǎn)生的最大雍水只與本渠池的上、下游的節(jié)制閘動作有關(guān)。

4結(jié)論

（1）渠池上游節(jié)制閘關(guān)閉對下游水位的影響具有滯后性，滯后時間為上游水波的傳播時間。而且其導(dǎo)致的渠池下游水位是呈兩階段線性變化的，關(guān)閘時間越快第1階段的降速越快，而第2階段的降速在不同關(guān)閘時間下基本相同。由于第1階段的降速差別導(dǎo)致最終的水位降幅差別。

（2）渠池下游節(jié)制閘關(guān)閉對渠池下游水位的影響是瞬時的。而且其導(dǎo)致的渠池下游水位的也是兩階段線性變化的。第一階段和關(guān)閘過程同步，且第一階段的漲速快于第二階段的。第2階段的漲速在不同關(guān)閘時間下基本相同。由于第1階段的漲速差別導(dǎo)致最終的水位雍高幅度差別。

（3）在渠池中上、下游閘門都關(guān)閉的情況，最大水位雍高出現(xiàn)在上游水波傳播到下游的時間或者之后一小段時間。且最大水位雍高隨著下游關(guān)閘時間的延長以及上游關(guān)閘時間的縮短而逐漸降低，但是下游關(guān)閘時間是影響最大雍高的主要因素。

（4）在多串聯(lián)渠池同步關(guān)閘情況，其他渠池的閘門操作幾乎不會對其他渠池的水位雍高產(chǎn)生影響。各個渠池的最大水位雍高主要受渠池上、下游水位關(guān)閘時間的影響。在各個渠池的允許水位雍高不同的情況下，可以利用關(guān)閘時間優(yōu)化來盡可能使得多渠池的水位雍高滿足要求。

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