灌區(qū)輸水模型模擬應(yīng)用研究

，， ， ，

(1.阿勒泰地區(qū)水利局，新疆 阿勒泰，836701；2.成都萬(wàn)江港利科技股份有限公司，成都，610093；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京，210098；4.四川省阿壩州氣象局，四川 馬爾康，624000)

隨著社會(huì)的發(fā)展，用水量不斷增加，水資源問(wèn)題日益突出，部分地區(qū)甚至出現(xiàn)了按時(shí)供水的窘境。農(nóng)業(yè)作為一個(gè)地區(qū)的用水大戶，灌區(qū)更是“大戶中的大戶”，其輸水調(diào)控目前大多采用人工調(diào)節(jié)方式，灌區(qū)內(nèi)的閘門(mén)什么時(shí)候調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)的幅度完全憑管理人員的經(jīng)驗(yàn)掌握[1]，這不僅降低了輸水效率，而且也造成了大量用于灌溉的水資源被浪費(fèi)。因此，如何提高輸水效率、減少灌溉水資源的浪費(fèi)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

目前灌區(qū)的輸水研究大多基于統(tǒng)計(jì)優(yōu)化的方法[2～9]，此類(lèi)方法一般需要大量的實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)，或者不能對(duì)輸水過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬。此外，對(duì)于解決新修或者改建的渠道問(wèn)題時(shí)，數(shù)據(jù)量的問(wèn)題較多。為了克服對(duì)大量實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)的依賴(lài)，本文采用水動(dòng)力模型的方法進(jìn)行研究。基于MIKE11一維水動(dòng)力模型，建立了某大型灌區(qū)渠道的輸水模型，取得了較好的模擬效果，為該灌區(qū)的科學(xué)調(diào)水、節(jié)約用水提供了相應(yīng)的技術(shù)支持。

1 模型簡(jiǎn)介

1.1 控制方程

基于質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒，得到一維非恒定流圣維南方程：

式中：x、t——分別為計(jì)算點(diǎn)空間和時(shí)間的坐標(biāo)；

A——過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；

Q——過(guò)流流量；

h——水位；

q——旁側(cè)入流流量；

C——謝才系數(shù)；

R——水力半徑；

α——?jiǎng)恿啃Ｕ禂?shù)；

g——重力加速度。

1.2 求解方法

MIKE11采用六點(diǎn)中心隱式差分Abbott格式離散求解，離散后的方程如下，用追趕法求解即可得到結(jié)果。

2 灌區(qū)輸水模型的建立

2.1 研究區(qū)概況

本次研究的灌區(qū)(簡(jiǎn)稱(chēng)一總干渠灌區(qū))是直屬于某地區(qū)水利局管理的大型灌區(qū)。灌區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)灌溉面積為3.17萬(wàn)hm2，實(shí)際灌溉面積為3.03萬(wàn)hm2，另有0.13萬(wàn)hm2林地灌溉面積沒(méi)有達(dá)到規(guī)劃要求。灌區(qū)東西長(zhǎng)53km，南北寬35km，總面積10.24萬(wàn)hm2。設(shè)計(jì)由干流上的永久性攔河樞紐引水，通過(guò)36km總干渠向灌區(qū)送水。在總干渠15+000處設(shè)有兩個(gè)分水口，并在干渠上設(shè)置有節(jié)制閘；在26+000處設(shè)有一處分水口，并在干渠上設(shè)置有節(jié)制閘；在27+000處設(shè)有一側(cè)向分水口，在干渠上沒(méi)有設(shè)置節(jié)制閘；最終渠道中余留的水量流入調(diào)節(jié)水庫(kù)。此外，渠道高程整體高于周邊高程，故不用考慮坡面匯流進(jìn)入渠道。

灌區(qū)現(xiàn)狀總?cè)丝?2275人，國(guó)民經(jīng)濟(jì)以農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)為主?，F(xiàn)狀年灌溉面積2.7萬(wàn)hm2，其中種植業(yè)1.72萬(wàn)hm2，畜牧業(yè)0.86萬(wàn)hm2，灌溉林地0.12萬(wàn)hm2。糧食總產(chǎn)19710t，單產(chǎn)300kg/畝，畜牧年末存欄量7.74萬(wàn)頭，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值2.07億元。

2.2 模型建立

由于資料所限，本次只研究圖1中框內(nèi)的一段渠道，具體建模過(guò)程如下文所述。

2.2.1 渠系概化

通過(guò)在影像圖上勾畫(huà)渠系形狀生成GIS圖層，再將生成的GIS圖層導(dǎo)入MIKE11中的渠系文件中。在15+000處干渠節(jié)制閘后的出流量作為上游流量邊界，27+000處的水位作為下游的水位邊界，在上下兩邊界之間的26+000處設(shè)置一孔分水閘和三孔節(jié)制閘，閘門(mén)寬度都為2.5m，并將相應(yīng)的閘控操作也導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的閘控命令文件中。

圖1 渠系概化處理

2.2.2 斷面處理

灌區(qū)的渠道都是人工修建，渠道斷面形狀為規(guī)則的梯形，邊坡系數(shù)1∶2，渠道深度在2.9m～3.7m之間，開(kāi)口寬度在20.12m～23.8m之間，渠底寬度在8m～9m之間，底坡在1/6222～1/3793之間，設(shè)計(jì)糙率基本為0.017。

2.2.3 參數(shù)設(shè)置

(1)初始條件

由于本次模擬分為了兩個(gè)不連續(xù)的時(shí)段，故在模擬開(kāi)始時(shí)將對(duì)應(yīng)時(shí)段的水位與流量條件輸入模型中作為計(jì)算初始值。

(2)渠系糙率

基于渠系設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研資料，初步將渠道的糙率系數(shù)設(shè)置為0.017，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型的糙率系數(shù)進(jìn)行率定調(diào)整，最終確定糙率系數(shù)的取值范圍在0.016～0.017之間。

(3)渠道滲漏系數(shù)

由于渠道底部是水泥抹漿與土質(zhì)結(jié)構(gòu)，在輸水過(guò)程中存在較大的水量滲漏損失，經(jīng)過(guò)與經(jīng)驗(yàn)豐富的調(diào)水工作人員交流討論，確定了渠段的滲漏系數(shù)。

在參數(shù)設(shè)置界面特定里程處將渠道的初始水位、流量初始值、糙率系數(shù)以及地下水滲漏系數(shù)輸入模型中，具體設(shè)置如圖3所示。

圖2 斷面概化處理

2.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)率定好的模型，率定期計(jì)算出的水位結(jié)果絕對(duì)誤差約在1cm～10cm之間，基本達(dá)到一般河道的水位模擬要求。重新選取一個(gè)新的時(shí)段，再對(duì)渠道內(nèi)的水位進(jìn)行模擬計(jì)算，驗(yàn)證期內(nèi)的水位結(jié)果絕對(duì)誤差約在8cm～30cm之間，顯然大于率定期內(nèi)絕對(duì)誤差。為進(jìn)一步研究分析上述誤差產(chǎn)生的原因，將對(duì)應(yīng)時(shí)段的閘控系統(tǒng)調(diào)節(jié)的時(shí)間序列導(dǎo)入到水位序列中進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了一些比較特殊的情況：

(1)在率定期內(nèi)，其它條件不變的情況下，校驗(yàn)處的閘門(mén)開(kāi)度減小后，根據(jù)水量平衡原理可知，閘門(mén)開(kāi)度下降，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e將減少，在入流量保持不變的情況下，渠道內(nèi)蓄水量將在一段時(shí)間增加，故校驗(yàn)處水位應(yīng)該有所增加，模型模擬結(jié)果與此一致，而實(shí)際測(cè)得的水位數(shù)據(jù)卻是下降；

(2)在率定期內(nèi)，所有條件不變的情況下，實(shí)測(cè)閘前水位卻上升；

(3)在驗(yàn)證期內(nèi)，其它條件不變的情況下，校驗(yàn)處的閘門(mén)開(kāi)度增大后，根據(jù)水量平衡原理可知，閘門(mén)開(kāi)度上升，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e將增大，在入流量保持不變的情況下，渠道內(nèi)蓄水量將在一段時(shí)間減少，故校驗(yàn)處水位應(yīng)該有所下降，模型模擬結(jié)果與此一致，而實(shí)際測(cè)得的水位數(shù)據(jù)卻是保持不變。

以上現(xiàn)象表明：本次建模所用數(shù)據(jù)中部分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量需要提高；模型中部分物理過(guò)程沒(méi)有考慮全面。

圖4 率定期水位結(jié)果對(duì)比

圖5 驗(yàn)證期水位結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

本次基于水動(dòng)力模型MIKE11對(duì)灌區(qū)渠道輸水過(guò)程進(jìn)行的模擬，結(jié)果表明：水動(dòng)力模型可用于輸水模擬，雖然此次研究與實(shí)際誤差控制在30cm以?xún)?nèi)，但是由于實(shí)際條件限制，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比出現(xiàn)了一些無(wú)法解釋的現(xiàn)象，對(duì)此需要在以后的研究中對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及實(shí)際輸水的細(xì)節(jié)進(jìn)一步深入探討。