常熟市海洋涇樞紐優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行研究

屈磊飛,王曉剛,徐建中

（1.常熟市沙家浜水利管理服務(wù)站，江蘇 蘇州 215500；2.常熟市沿江堤閘管理所，江蘇 蘇州 215500）

1 概述

完善引流活水工程，充分發(fā)揮沿江涵閘趁潮引江能力，促進(jìn)水體有序流動(dòng)是水系連通的重要手段[1]，對(duì)改善當(dāng)前城市河道河網(wǎng)水動(dòng)力條件，改善水環(huán)境具有重要意義，產(chǎn)生較為顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。常熟市海洋涇樞紐由2×10 m雙孔節(jié)制閘和2臺(tái)流量為30 m3/s的泵站組成，是常熟市城區(qū)引江調(diào)水的主要樞紐工程，承擔(dān)著重要的引流功能。工程管理部門依據(jù)上級(jí)調(diào)度指令，以“引水為主、排水為輔、自引為主、泵引為輔”的原則對(duì)海洋涇閘站樞紐進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行管理。在工程運(yùn)行管理過程中，受樞紐下游局部河段地勢(shì)、河堤高程、城區(qū)安全水位等因素影響，引水常需在控制水位條件下進(jìn)行，樞紐節(jié)制閘通常需限位控制運(yùn)行，制約了樞紐引水效率的發(fā)揮。為進(jìn)一步發(fā)揮工程綜合效益，工程管理部門以海洋涇樞紐工程為研究對(duì)象，綜合分析影響工程效益發(fā)揮的因素，以河道控制段安全水位為約束條件，以單潮次引水入城水量最大化為優(yōu)化計(jì)算目標(biāo)，通過原型實(shí)測(cè)，建立水力計(jì)算模型，應(yīng)用水利軟件HEC-RAS計(jì)算確定河道控制段安全水位，比選確立樞紐節(jié)制閘與沿線涵閘工程的聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行方式，為工程運(yùn)行提供指導(dǎo)[2]。

2 水力計(jì)算模型構(gòu)建

2.1 數(shù)學(xué)模型

海洋涇樞紐位于長江下游感潮河段，模擬河道水流運(yùn)動(dòng)采用一維非恒定流動(dòng)力學(xué)Saint-Venant方程組，以水位和流量為變量，在質(zhì)量守恒和能量守恒基礎(chǔ)上建立方程[3-4]。

連續(xù)性方程為：

運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

式中：B為水面寬度，Z為水位，Q為流量，A為過水?dāng)嗝婷娣e，R為水力半徑，C為謝才系數(shù)，q為單位長度河道的旁側(cè)入流量，t和s分別為時(shí)間和空間坐標(biāo)，g為重力加速度。

2.2 河道概化與邊界處理

海洋涇樞紐數(shù)值計(jì)算的上邊界為樞紐長江側(cè)潮位，采用常熟市長江防汛決策信息系統(tǒng)實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)，下邊界為河道與城區(qū)水網(wǎng)交匯段，以水位邊界條件處理。河道全長15.2 km，沿程共有樞紐節(jié)制閘1座、跨河橋梁16座、分流閘6座、立交涵洞1座，采用軟件自帶內(nèi)邊界程序編輯處理，為盡可能真實(shí)地模擬海洋涇河道，概化時(shí)盡可能保留河道上的跨河橋梁、涵洞、水閘等建筑物（圖1），通過已知河底高程、底寬、邊坡等概化處理，整個(gè)河道模型計(jì)算斷面間距50～200 m不等，河道彎曲段斷面適度增加[5-6]。

2.3 模型率定

海洋涇河道為新開河道，河道斷面較為規(guī)則，糙率變化不大，各河道的糙率初值取0.025～0.035之間[7]，數(shù)值計(jì)算采用試錯(cuò)法進(jìn)行率定，根據(jù)斷面實(shí)測(cè)的水位資料，調(diào)試各河段的糙率，使得計(jì)算的水位充分接近實(shí)測(cè)的水位過程。通過7種工況下原型觀測(cè)值（表1）與模型計(jì)算值的比較分析，相應(yīng)地調(diào)整各個(gè)參數(shù)，使模擬值和觀測(cè)值盡可能吻合。河道15個(gè)觀測(cè)斷面的計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位值相對(duì)誤差基本在±2%以內(nèi)，最大相對(duì)誤差為2.64%，相對(duì)誤差大小的平均值為1.32%（圖2）；樞紐閘下流量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差最大值為-4.75%，平均誤差在±3%以內(nèi)（表2）。因此可以得出結(jié)論：常熟市海洋涇樞紐調(diào)度數(shù)學(xué)模型在理論上和算法上是正確可靠的，可用于海洋涇樞紐調(diào)度優(yōu)化模擬。

3 海洋涇樞紐調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)

根據(jù)運(yùn)行實(shí)際需要，海洋涇樞紐的優(yōu)化調(diào)度是指河道在安全水位下運(yùn)行，通過樞紐口門節(jié)制閘的調(diào)度及沿線涵閘工程的配合調(diào)度，使河道入城斷面水力要素達(dá)到（流速、流量）最優(yōu)化，即單潮次引水水量（水資源總量）達(dá)到最大，同時(shí)兼顧沿線區(qū)域水量需求，以最大限度發(fā)揮海洋涇樞紐綜合效益。

圖1 河道計(jì)算概化圖

表1 原型觀測(cè)工況表

圖2 工況1沿程實(shí)測(cè)與計(jì)算水位對(duì)比圖

3.1 長江典型潮型推求

海洋涇樞紐位于長江下游，引水受潮汐作用的影響顯著，河段（即長江）水位變化劇烈，不同季節(jié)呈現(xiàn)不同的潮型，汛期為每年的6～9月，年內(nèi)其余月份為非汛期，同時(shí)每月農(nóng)歷的初一至初五，十五至十九為大潮，月內(nèi)其余時(shí)間為小潮段。通過常熟市長江防汛信息監(jiān)控系統(tǒng)2011～2014年間海洋涇樞紐口實(shí)測(cè)長江潮位資料的水文統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)季節(jié)、潮位特點(diǎn)及水利工程運(yùn)行需求，綜合推求了4種不同典型潮型，從潮位圖分析（圖3），潮型1長江高潮水位高、漲速快、高潮位歷時(shí)長、節(jié)制閘有效引水時(shí)間長，是汛期大潮時(shí)間段內(nèi)常見潮型；潮型2是非汛期大潮期間常見潮型；潮型3長江最高潮水位相對(duì)較低、潮型平緩、高潮位歷時(shí)較短、有效引水時(shí)間相對(duì)短些，是汛期小潮期間常見潮型；潮型4為非汛期小潮潮型，通常若引水期間最高潮低于潮型4的最高潮位時(shí)，城區(qū)引水常需通過啟動(dòng)泵站來補(bǔ)充水量。

表2 工況6實(shí)測(cè)流量與計(jì)算流量對(duì)比表

圖3 4種典型潮型圖

3.2 海洋涇河道控制水位

根據(jù)工程運(yùn)行實(shí)際情況分析，海洋涇樞紐啟動(dòng)引江入城，主河道受途徑區(qū)域地勢(shì)高程、城區(qū)安全水位、城區(qū)河道承載能力綜合影響，河道需確定2處安全控制水位，即海洋涇周行段安全水位控制在3.80 m（吳淞高程），河道入城段安全水位控制在3.70 m以內(nèi)。

3.3 常熟城區(qū)常水位

根據(jù)常熟城區(qū)小東門水位站多年水文資料，常熟城區(qū)非汛期常水位為3.10～3.40 m，汛期常水位為3.20～3.50 m。

3.4 海洋涇沿線涵閘調(diào)度

海洋涇樞紐沿線建有多處涵閘，引水時(shí)在保證引水入城功效的前提下，沿線部分涵閘適度開啟，滿足沿線區(qū)域水量需求。海洋涇引水期沿線配合開啟的涵閘主要有：王六涇閘、大皇塘閘、羅卜涇套閘、耿涇塘北閘等。從近年工程運(yùn)行實(shí)際出發(fā)，分析沿線涵閘引水調(diào)度運(yùn)行記錄資料，結(jié)合涵閘下游河道承載能力及海洋涇主河道入城水量保障，工程管理部門以閘門開高1.50 m為沿線涵閘閘門的控制最高開度?；ò逄灵l和耿涇塘南閘作為海洋涇河道入城控制閘，引水期間通常閘門全部開啟。

3.5 海洋涇樞紐調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)

將海洋涇樞紐相應(yīng)的引水時(shí)段內(nèi)使引水量最大化作為優(yōu)化目標(biāo)。設(shè)引水時(shí)段某時(shí)刻（tj）的引水流量為Qj，則在Δtj（tj+1-tj）時(shí)段內(nèi)的引水量為Wj=Qj-Δtj，設(shè)某潮次的總引水量為W，目標(biāo)函數(shù)為：

約束條件為：

其中Zi（tj）為計(jì)算段內(nèi)某i節(jié)點(diǎn)處在tj時(shí)刻的水位，Zimax為i節(jié)點(diǎn)處在引水期間所允許的最高水位。

根據(jù)計(jì)算河道范圍內(nèi)河岸的具體高程，整個(gè)計(jì)算河段范圍內(nèi)有兩節(jié)點(diǎn)處水位起控制作用，即海洋涇周行段水位不能超過3.80 m和入城段不能超過3.70 m，則約束條件可改為：

式中：Qj與閘門開度e、閘寬B、閘上水位Z上（tj）、閘下水位Z下（tj）以及流量系數(shù)μ和淹沒系數(shù)σs等有關(guān)，閘上水位Z上（tj）由長江潮位確定。

4 計(jì)算與優(yōu)化分析

海洋涇樞紐自引的影響因素主要有：樞紐節(jié)制閘開度、長江潮型、城區(qū)水位和沿線涵閘的調(diào)度，為綜合分析并最終確定合理的調(diào)度方案，針對(duì)4種典型潮型，沿線涵閘調(diào)度方案及城區(qū)水位，對(duì)海洋涇河道不同運(yùn)行方案調(diào)度進(jìn)行了計(jì)算模擬，綜合分析各影響因素下河道的運(yùn)行狀況。

4.1 節(jié)制閘開度影響分析

數(shù)值計(jì)算表明在其他控制條件不變的情況下，樞紐節(jié)制閘開度對(duì)河道水位線、流量影響較大。潮型1、潮型2下閘門全開及部分開度下，河道控制段、入城段水位已超過安全水位，必須對(duì)樞紐節(jié)制閘進(jìn)行控制運(yùn)行；潮型3、潮型4最高潮位相對(duì)較低，節(jié)制閘閘門全開狀態(tài)河道沿程水位已在安全水位之下，故不需對(duì)口門節(jié)制閘進(jìn)行控制運(yùn)行；不同潮型、同一節(jié)制閘開度下，入城水量差異較大，以樞紐節(jié)制閘開度2 m為例，4種潮型下入城水量分別為：121.26萬m3、71.97萬m3、47.03萬m3、44.96萬m3，故應(yīng)分別對(duì)4種潮型計(jì)算確定調(diào)度方案。

4.2 節(jié)制閘啟閉方式影響分析

以控制段安全水位為計(jì)算控制條件，節(jié)制閘開度直接影響河道流量及沿程水位，節(jié)制閘的啟閉方式同樣對(duì)水位及流量影響較大。工程運(yùn)行中節(jié)制閘有3種閘門啟閉方式：多段式調(diào)節(jié)為閘門開啟后適時(shí)不斷調(diào)節(jié)開度以控制沿程水位；二段式調(diào)節(jié)為引水過程中閘門調(diào)節(jié)2次，先全開后降至安全開度，再拉至全開狀態(tài)至引水結(jié)束；一段式為閘門開啟后保持在安全開度至引水結(jié)束。3種啟閉方式均以控制段水位不超安全水位為前提。從引水功效分析，多段式調(diào)節(jié)下潮型1較后2種調(diào)節(jié)方式入城引單次水量可分別增加3.25%和19.29%，潮型2較后2種調(diào)節(jié)方式引水量提高1.6%和11.41%；從沿線區(qū)域補(bǔ)水效果分析，多段式調(diào)節(jié)下潮型1下大皇塘水量可分別增加5.99%、26.0%，潮型2下大皇塘水量可分別提高3.94%、15.76%；從工程運(yùn)行角度分析，一段式調(diào)節(jié)操作簡單安全，全程閘門啟動(dòng)1次即可，二段式需啟動(dòng)2次，多段式需多次調(diào)節(jié)閘門。綜合工程管理運(yùn)行和引水效果，樞紐節(jié)制閘采用二段式調(diào)節(jié)方式更為科學(xué)合理。潮型3、潮型4下，閘門全開狀態(tài)下河道控制段水位均在安全水位下，故無需對(duì)口門閘門進(jìn)行控制運(yùn)行。

4.3 沿線涵閘運(yùn)行影響分析

海洋涇樞紐在引水過程中，通常開啟沿線部分涵閘引水，以滿足沿線部分區(qū)域引水需求。工程運(yùn)行中沿線涵閘的調(diào)度常以經(jīng)驗(yàn)判斷，缺乏合理依據(jù)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：其他條件不變，潮型1、潮型2下沿線涵閘運(yùn)行對(duì)樞紐節(jié)制閘的調(diào)節(jié)、控制段安全水位、入城水量有著重要影響，沿線涵閘的啟動(dòng)能改善引流條件、降低河道沿程水位，同時(shí)也對(duì)河道入城水量起到分流作用。樞紐節(jié)制閘同一開度下，隨著位于入城河段上游的王六涇閘、大皇塘閘、羅卜涇套閘開度的增加，分流作用愈加明顯，入城流量及沿程水位均下降；隨著位于入城河段下游的耿涇塘北閘閘門開度的增加，由于降低水位提高入流條件較分流影響更加明顯，入城流量反而有所增加。潮型3、4中，沿線涵閘的開啟，主要起到分流作用，故沿線涵閘的調(diào)度應(yīng)視城區(qū)水量需求而進(jìn)行。

4.4 城區(qū)水位影響分析

計(jì)算表明，同一潮型、同一節(jié)制閘開度條件下，隨著城區(qū)水位的抬高，海洋涇河道沿程水位逐漸抬高，單次引水時(shí)間縮短，入城段流速下降，入城平均流量減小，入城水量減少；不同城區(qū)水位下，潮型1、2有不同的安全開高，需確定不同組合條件下樞紐及沿線涵閘的調(diào)度方案；潮型1下，城區(qū)水位平均每上升10 cm，入城水量平均減少10萬m3；潮型2下，城區(qū)水位平均每上升10 cm，入城水量平均減少9萬m3；潮型3、4下，樞紐閘門全開狀態(tài)下，隨著城區(qū)水位的抬高，河道控制段水位亦同步升高并均處于安全水位之下。

4.5 綜合分析

在綜合模擬計(jì)算分析海洋涇河道入城流量、沿程水位的基礎(chǔ)上，為充分發(fā)揮樞紐單次引水效果，同時(shí)確保沿線河道在安全水位下運(yùn)行，以入城水量最大化為目標(biāo)，對(duì)沿線涵閘多種調(diào)度方式、城區(qū)不同水位組合條件下，樞紐節(jié)制閘調(diào)度方案優(yōu)化計(jì)算（表3）。計(jì)算結(jié)果表明，在受控制段水位條件限制下，通過節(jié)制閘和沿線涵閘的配合調(diào)度，可最大限度發(fā)揮樞紐單次引水效率；受沿線涵閘的分流影響，樞紐節(jié)制閘開度與入城水量并非成正向關(guān)系。不同運(yùn)行調(diào)度方案下，入城段上游王六涇閘、大皇塘閘、羅卜涇套閘等開啟而下游耿涇北閘關(guān)閉是最不利方案，入城水量最小，運(yùn)行過程中應(yīng)避免采用；沿線涵閘全部關(guān)閉是多種調(diào)度方案中較為不合理的方案，沿線區(qū)域不能有效換水，同時(shí)城區(qū)水量也未能達(dá)到優(yōu)化。

表3 不同潮型下工程優(yōu)化運(yùn)行方案（城區(qū)水位3.3 m）

根據(jù)2012、2013年樞紐節(jié)制閘實(shí)際調(diào)度工況，選擇采用優(yōu)化調(diào)度方案逐潮次進(jìn)行引水量的計(jì)算（見表4），計(jì)算結(jié)果表明，采用優(yōu)化調(diào)度方案后，引水總量有較為明顯的提高。2012年樞紐引水總量可增加5832.01萬m3，引水量可提高25.8%；2013年樞紐引水總量可增加6012.6萬m3，引水量可提高27.3%。提高了對(duì)沿程區(qū)域的補(bǔ)水效果，加快了城區(qū)河網(wǎng)的換水效率，較為合理地發(fā)揮了樞紐綜合效益。

5 小結(jié)

采用調(diào)查研究、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值計(jì)算、方案比選相結(jié)合的研究方法，在對(duì)相關(guān)已有研究成果與海洋涇樞紐近年運(yùn)行資料收集分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合樞紐現(xiàn)有運(yùn)行調(diào)度方式及河道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立河道計(jì)算數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用HEC-RAS專業(yè)軟件計(jì)算不同方案下海洋涇各斷面的水力特性，并通過實(shí)測(cè)數(shù)值與數(shù)值計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行修正和完善。對(duì)影響工程效益發(fā)揮的主要因素樞紐調(diào)度方式、沿線涵閘調(diào)度方式、城區(qū)水位分別進(jìn)行了計(jì)算分析，明確了河道控制安全水位，確立了以入城水量最大化為優(yōu)化目標(biāo)的計(jì)算方案，提出樞紐節(jié)制閘二段式啟閉方式，同時(shí)對(duì)工程運(yùn)行中常見的調(diào)度方式進(jìn)行了計(jì)算，比選確立了較為合理的樞紐調(diào)度方式，為工程運(yùn)行提供了科學(xué)指導(dǎo)。在今后的研究中，可將計(jì)算區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，研究確定合理的計(jì)算模型，整體分析海洋涇樞紐的優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行在整個(gè)河網(wǎng)中的作用與效果。

表4 2012、2013年樞紐節(jié)制閘引流總量對(duì)比表