基于水動(dòng)力模型的石馬河水閘聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行管理研究

舒逸秋

(東莞市運(yùn)河治理中心，廣東 東莞 523000)

0 引言

隨著流域兩岸城鎮(zhèn)的高速發(fā)展，城市防洪受水文特性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)變化影響產(chǎn)生了新的變化趨勢(shì)，短歷時(shí)暴雨產(chǎn)生的洪水往往破壞性更強(qiáng)，給流域兩岸造成的損失更大[1-3]。我國(guó)城鎮(zhèn)水系眾多，現(xiàn)已面臨多種問(wèn)題，如洪水災(zāi)害、城市內(nèi)澇等等[4]。因此研究城市防水的課題越來(lái)越多，必須加強(qiáng)水閘聯(lián)合調(diào)度管理，提高水生態(tài)環(huán)境保護(hù)和防洪排澇能力因?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境，確保城鎮(zhèn)人民安全生產(chǎn)生活[5-6]。

目前由于未充分利用石馬河上游部分水閘的調(diào)蓄能力，石馬河流域時(shí)常遇到降雨就必須打開河口水閘的局面，對(duì)東江水源地依然存在污染的風(fēng)險(xiǎn)[7-8]。因此充分利用石馬河流域內(nèi)現(xiàn)有水利工程作用、建立聯(lián)合調(diào)度方案、發(fā)揮工程的最大工程效益顯得非常迫切與必要。

本文以石馬河水系河流管理現(xiàn)狀為背景，按照水閘聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行管理方案的總體思路，針對(duì)流域內(nèi)工程規(guī)模小、能力有限等問(wèn)題，分析水閘聯(lián)合調(diào)度方案內(nèi)容，建立一個(gè)維水動(dòng)力模型，進(jìn)行模擬分析，通過(guò)多種方案比較，提出聯(lián)合調(diào)度方案，結(jié)果表明該方案有效提升水閘聯(lián)合調(diào)度效果，充分利用石馬河流域內(nèi)現(xiàn)有水利工程作用，為類似工程提供技術(shù)參考。

1 石馬河水系概況

1.1 水系布局

觀瀾水與雁田水在塘廈鎮(zhèn)塘廈水閘下游100 m處匯合后稱為石馬河。觀瀾水源頭山巒連綿，地勢(shì)較高，雁田水源頭白沙嶺較低矮，從長(zhǎng)表村入鏡，流經(jīng)雁田、油甘 埔、鳳德嶺、塘瀝墟，至黃洞折向西北，經(jīng)鳳崗、竹塘、竹尾田、鳳凰崗至塘廈出口。觀瀾水與雁田水在塘廈匯合后，往下游沿程有契爺石水，清溪水、官倉(cāng)水等主要支流匯入，此外還有兩條較小的支流——羅坑水及二坑水。這些大小支流均 在石馬河右岸。清溪水和鐵矢嶺河交匯后，下游穿越清溪鎮(zhèn)區(qū)匯入石馬河。二坑水在清溪水出口下游，為大坑水庫(kù)和三坑水庫(kù)排洪道匯合后的人工渠道，以三坑水為主，上游建有三坑水庫(kù)；大坑水為較大支流，上游建有大坑水庫(kù)，該河流經(jīng)清溪鎮(zhèn)區(qū)后于清溪客運(yùn)站處入石馬河。

在旗嶺以下的石馬河陳屋邊處，部分潼湖水由謝崗涌匯入石馬河干流。潼湖水是東江一級(jí)支流。潼湖東南北三面環(huán)山，以淡水河分界，東部和北部與惠州市西湖和東江干流分水，形成一個(gè)簸箕型的淤積盆地，潼湖圍內(nèi)有三和、黃沙、陳江、梧村等11條支流匯入潼湖平塘，分別經(jīng)謝崗涌的陳屋邊水閘排出石馬河，東岸涌的東岸涌水閘以及建塘反虹涵排出東江和東引運(yùn)河(圖1)。

圖1 石馬河水系分布圖

1.2 河流管理現(xiàn)狀

目前，石馬河流域還未成立統(tǒng)一全流域的管理機(jī)構(gòu)，流域各部分分屬不同地方管理，統(tǒng)一地方內(nèi)的不同水利工程還屬于不同的管理部門。石馬河流域管理存在主要以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)石馬河流域現(xiàn)階段還是偏重于以工程管理為主，且管理主體多，缺少流域性統(tǒng)一管理；

(2)流域統(tǒng)一管理尚未實(shí)施且利益矛盾較為突出。石馬河流域不同管理部門涉及的職責(zé)不同，且涉及利益往往存在矛盾，造成如今的流域統(tǒng)一管理難度較大；

(3)流域內(nèi)工程規(guī)模小、能力有限，調(diào)度管理難度大、約束條件多。

2 水閘聯(lián)合調(diào)度方案制定

此次調(diào)度方案編制范圍涵蓋從石馬河雁田水庫(kù)至石馬河調(diào)污工程的區(qū)間，調(diào)度對(duì)象重點(diǎn)是東莞市運(yùn)河治理中心管轄的石馬河河口工程、常橋排澇站、旗嶺水閘、馬灘水閘、塘廈水閘、竹塘水閘共 5個(gè)水閘1個(gè)排澇站；考慮流域內(nèi)能起調(diào)蓄作用的水利工程設(shè)施。

2.1 調(diào)度原則

(1)正確處理水利工程群防洪與興利、局部與整體、汛期與非汛期，單工程與多工程等重大關(guān)系。通過(guò)水利工程群聯(lián)合調(diào)度，實(shí)現(xiàn)流域上下游協(xié)調(diào)、干支流兼顧，保障流域防洪排澇安全和供水安全，充分發(fā)揮工程群的綜合效益。

(2)遵循石馬河流域、潼湖流域和水源地保護(hù)及鎮(zhèn)街防洪排澇規(guī)劃，兼顧石馬河下游東江飲用水水源地的水質(zhì)保護(hù)。

(3)聯(lián)合調(diào)度時(shí)，應(yīng)首先確保各工程自身安全，在確保防洪安全的前提下，合理攔蓄調(diào)污，確保東江飲用水水源地安全供水。

(4)盡可能降低調(diào)度實(shí)施難度。在滿足調(diào)度目標(biāo)的前提下，盡可能降低水庫(kù)、閘泵參與數(shù)量，降低調(diào)度實(shí)施難度，提高調(diào)度效果，減少人力、物力和財(cái)力的投入。

2.2 河道水利復(fù)核分析

2.2.1 河道數(shù)據(jù)采集

深入現(xiàn)場(chǎng)，到石馬河流域已建和在建的水利工程實(shí)地調(diào)研，調(diào)查了解已建水利工程的實(shí)際運(yùn)行情況、調(diào)度規(guī)則及調(diào)度權(quán)限等，了解工程聯(lián)合調(diào)度實(shí)施所必須 的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)情況，并與工程運(yùn)行管理單位座談，探討工程聯(lián)合調(diào)度的可能性及對(duì)制定聯(lián)合調(diào)度方案的建議，從工程措施的角度分析和評(píng)判水閘工程聯(lián)合調(diào)度的可實(shí)現(xiàn)程度。此次收集的地形資料旗嶺斷面下游采用廣東省水利電力勘 測(cè)設(shè)計(jì)研究院測(cè)量的石馬河地形資料，旗嶺斷面以上采用石馬河綜合整治工程指揮部提供的東莞市石馬河流域綜合治理工程項(xiàng)目的河道測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.2.2 水利計(jì)算與分析

1)徑流計(jì)算

石馬河流域徑流由降雨產(chǎn)生，流域內(nèi)無(wú)流量測(cè)站。石馬河及潼湖流域年徑流深800～950 mm，徑流變差系數(shù) Cv=0.4，降水地區(qū)分布大趨勢(shì)為上游多下游少，徑流時(shí)空變化特征與降水時(shí)空變化基本一致。

2)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

本次設(shè)計(jì)洪水干流斷面不考慮上游中型水庫(kù)的調(diào)蓄作用，各支流 10 a一遇洪水 考慮上游水庫(kù)的調(diào)蓄作用，根據(jù)中型水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度規(guī)則和多年調(diào)度運(yùn)行情況，各中型水庫(kù)和清溪湖水庫(kù)在滿足自身水庫(kù)運(yùn)行安全的前提下，盡量蓄水到高水位滿 足供水需求，當(dāng)水庫(kù)遇上大雨量級(jí)的洪水時(shí)，基本不下泄洪水。

2.2.3 過(guò)流能力計(jì)算

1)水閘泄流分析

選擇石馬河河口工程河口水閘、旗嶺水閘、馬灘水閘、塘廈水閘、竹塘水閘共5個(gè)關(guān)鍵調(diào)度水閘的水閘處斷面進(jìn)行水位流量分析，計(jì)算各水閘不同閘門開度下的過(guò)流量，給出水閘孔流、堰流情形下水位、流量對(duì)應(yīng)關(guān)系。

對(duì)于平底閘，當(dāng)閘門相對(duì)開度時(shí)為堰流，水閘過(guò)流能力按下式計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

式中：ε為側(cè)向收縮系數(shù)；m為流量系數(shù)；n為溢流孔數(shù)；b為每孔寬度；ζ0為閘墩系數(shù)；ζк為邊墩系數(shù)；H0為堰上水深。

2)河口截污工程過(guò)流能力分析

用于河口截污的箱涵工程是在原有砼箱涵位置的基礎(chǔ)上改擴(kuò)建的一個(gè)箱涵。目前，調(diào)污箱涵工程已建成運(yùn)行，按照河口東江水源地保護(hù)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，該工程全部配套工程全部建成發(fā)揮效益后河口節(jié)制閘閘前最高水位為 6.3 m。

2.2.4 涌量計(jì)算

根據(jù)外業(yè)實(shí)測(cè)到的河道橫斷面與河道中心線，結(jié)合整治后的各斷面情況，建立一維水動(dòng)力模型計(jì)算現(xiàn)狀各水閘區(qū)間涌容，并與已有涌容資料進(jìn)行對(duì)比。清淤工程實(shí)施后，各水閘區(qū)間調(diào)蓄涌容明顯增大。

3 模型建立和方案比選

考慮水閘間洪水傳播時(shí)滯與河道對(duì)洪水的坦化作用影響較大，模型在一維水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上開展。同時(shí)，為了尋求石馬河干流各水閘的合理調(diào)度方式，對(duì)水閘調(diào)蓄過(guò)程進(jìn)行不斷試算和尋優(yōu)，得到合適的水閘起控水位與控泄流量。

3.1 調(diào)度模型建立

3.1.1 調(diào)度對(duì)象概化

本次方案主要考慮小量級(jí)短歷時(shí)洪水，流域其他區(qū)域來(lái)水主要通過(guò)竹塘、塘 廈、馬灘、旗嶺、河口水閘進(jìn)行調(diào)控，調(diào)度對(duì)象概化圖見圖2所示。

圖2 一維模型概化圖

3.1.2 一維水動(dòng)力模型

本項(xiàng)目選用一維水動(dòng)力學(xué)模塊計(jì)算石馬河干流洪水流量過(guò)程，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行洪水動(dòng)態(tài)演進(jìn)過(guò)程的模擬及干流主要水利工程調(diào)度結(jié)果分析。

一維水動(dòng)力計(jì)算模型是基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方差，即一維非恒定流圣維南方程組來(lái)模擬河流或河口的水流狀態(tài)。一維非恒定流Saint-Venant 方程組：

(4)

(5)

式中：X為距離坐標(biāo)(m)，t為時(shí)間坐標(biāo)(s)，A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e(m2)，Q為流量(m3/s)，C為謝才系數(shù)，R為水力半徑(m)，g為重力加速度(m/s)。

3.1.3 模型驗(yàn)證

本次模型驗(yàn)證方式如下：選取以往調(diào)研資料的水位流量關(guān)系、水面線資料等進(jìn)行比對(duì)，以及對(duì)主要斷面的不同頻率下洪水過(guò)程的模擬結(jié)果進(jìn)行綜合分析， 分析其水位流量、各水閘間的傳播時(shí)間、洪峰過(guò)程等是否合理。

經(jīng)計(jì)算，洪水敞泄情況下，石馬河流域分別遇到 2 a一遇洪水、5 a一遇洪水時(shí)各水閘間的傳播時(shí)間見表1。由表可知區(qū)間時(shí)滯根據(jù)洪水等級(jí)不同有所變化。因此，對(duì)計(jì)算的各等級(jí)降雨產(chǎn)生洪水對(duì)應(yīng)的區(qū)間時(shí)滯在計(jì)算中根據(jù)水動(dòng)力模型實(shí)際計(jì)算時(shí)間確定。

表1 洪水閘間傳播時(shí)間

3.2 聯(lián)合調(diào)度方案比選

3.2.1 調(diào)度方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有調(diào)度規(guī)則，擬制定四種方案：

(1)方案一：當(dāng)洪水來(lái)臨時(shí)遵循上游先蓄的總體原則，先進(jìn)行逐級(jí)水閘攔蓄洪水，在河口節(jié)制閘水位臨近4.20 m時(shí)，遵循下游先放原則由下游至上游逐級(jí)開閘宣泄。因此，首先設(shè)計(jì)逐級(jí)攔蓄洪水方案，對(duì)任何一場(chǎng)降雨，流域開始產(chǎn)流時(shí)逐級(jí)下閘蓄水，當(dāng)各水閘水位即將上升到調(diào)蓄控制水位時(shí)開閘放水， 隨后通過(guò)調(diào)整水閘開度和開孔數(shù)量維持水位保持在調(diào)蓄控制水位，以充分發(fā)揮河道涌容。

(2)方案二：找出不同量級(jí)降雨形成的洪水過(guò)程的洪峰，在洪峰到達(dá)之前各閘敞泄，騰出庫(kù)容關(guān)閘攔蓄峰值，當(dāng)各水閘水位即將到達(dá)調(diào)蓄控制水位時(shí)開閘放水，尋找在潮位上漲和東深供水需要河口關(guān)閘的時(shí)候及時(shí)攔蓄。

(3)方案三：對(duì)各個(gè)量級(jí)洪水進(jìn)行逐級(jí)削峰，找到各水閘下閘控制下泄的水位值和控泄流量值，在洪峰到來(lái)時(shí)部分?jǐn)r蓄洪水，以使到達(dá)河口節(jié)制閘洪水過(guò)程較為平緩，盡 可能從小海河宣泄。削峰模型可概化為逐級(jí)水閘下泄流量均方差最小，利用各水 閘下泄流量的離散程度衡量削峰效果

(4)方案四：對(duì)于某些量級(jí)較大的洪水，方案一在產(chǎn)流初期攔蓄，往往導(dǎo) 致河道涌容提前被占用，因此在產(chǎn)流初期，按小海河過(guò)流能力先泄放，對(duì)超出過(guò) 流能力的洪水進(jìn)行攔蓄。而由于洪水量級(jí)大，經(jīng)方案三逐級(jí)削峰，易導(dǎo)致河口開閘時(shí)間延長(zhǎng)，因此只發(fā)揮河道涌容攔蓄能力，不進(jìn)行削峰。方案四目標(biāo)與方案一保持一致，增加起調(diào)約束為大于小海河過(guò)流能力。

四種方案對(duì)應(yīng)水閘閘前來(lái)水和閘后下泄如圖3示意。

圖3 調(diào)度方案設(shè)計(jì)示意圖

3.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)石馬河流域干支流洪水之間的組合，分別對(duì) 2 a一遇、5 a一遇設(shè)計(jì)洪 水和短歷時(shí)洪水進(jìn)行調(diào)算。

石馬河流域常遇雨強(qiáng)，計(jì)算了在1h內(nèi)降雨 10～50 mm、24 h內(nèi)降雨60～140 mm 的調(diào)度結(jié)果。考慮石馬河流域同頻遭遇情況占大多數(shù)，主要列出同頻遭遇的結(jié)果，且重點(diǎn)分析河口節(jié)制閘是否需要開閘的臨界情況。

根據(jù)各方案模擬結(jié)果對(duì)比分析可得：石馬河各支流遇到同頻來(lái)水時(shí)，石馬河流域遇到 2 a一遇以下標(biāo)準(zhǔn)洪水且潼湖圍不發(fā)生暴雨情況下，可以抵御。各降雨強(qiáng)度下方案 4 河口節(jié)制閘開閘時(shí)長(zhǎng)均有減小，方案 3 開閘時(shí)長(zhǎng)有所延長(zhǎng)，但削峰效果明顯。

根據(jù)各方案綜合比選，推薦方案 3、4 作為水閘運(yùn)行調(diào)度推薦方案。對(duì)于河口節(jié)制閘開閘臨界以上的洪水，推薦方案 4 在初雨時(shí)攔蓄污水，盡量使洪水集中 宣泄，減少河口節(jié)制閘開閘時(shí)長(zhǎng)；對(duì)于河口節(jié)制閘開閘臨界以下的洪水，推薦方案 3 削峰使洪水盡量從東引運(yùn)河平緩宣泄。

3.3 推薦聯(lián)合調(diào)度方案影響分析

3.3.1 防洪影響分析

本次調(diào)度方案是在現(xiàn)有調(diào)度規(guī)程的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步優(yōu)化，沒有違背現(xiàn)有水閘、 泵站及水庫(kù)的現(xiàn)有調(diào)度規(guī)程，同時(shí)此次調(diào)度方案沒有改變現(xiàn)有調(diào)蓄控制水位，對(duì)河道兩岸防洪排澇影響較小，會(huì)縮短沿岸排澇泵站自排時(shí)間而增大抽排時(shí)間，增加一定的耗電量。

3.3.2 排污影響分析

對(duì)于小于河口節(jié)制閘開閘臨界的洪水，將洪峰滯留在河道內(nèi)，使經(jīng)削峰后的洪水由小海河平緩 排入東引運(yùn)河，使河口節(jié)制閘維持常閉，減少對(duì)取用水的影響。

3.3.3 流域水環(huán)境影響分析

在枯水期，本方案對(duì)水污染監(jiān)測(cè)無(wú)影響。當(dāng)預(yù)報(bào)降雨在本方案考慮范圍內(nèi)，或汛期時(shí)，由于水閘設(shè)計(jì)為從底部抽起，水閘的突然啟閉對(duì)水閘下游底泥攪動(dòng)影響較大。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本文以石馬河水系河流管理現(xiàn)狀為背景，按照水閘聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行管理方案的總體思路，針對(duì)流域內(nèi)工程規(guī)模小、能力有限等問(wèn)題，分析水閘聯(lián)合調(diào)度方案內(nèi)容，建立一個(gè)維水動(dòng)力模型,進(jìn)行模擬分析，通過(guò)多種方案比較，提出聯(lián)合調(diào)度方案，結(jié)果表明該方案有效提升水閘聯(lián)合調(diào)度效果，充分利用石馬河流域內(nèi)現(xiàn)有水利工程作用，為類似工程提供技術(shù)參考。

(2)本方案實(shí)在特定的洪水過(guò)程情況下總結(jié)說(shuō)來(lái)的理論方案，但是實(shí)際運(yùn)行中， 流域降雨過(guò)程比較隨機(jī)，產(chǎn)生的洪水過(guò)程不盡相同，導(dǎo)致洪水調(diào)度控制條件有所差異，模型計(jì)算成果和實(shí)際調(diào)度操作仍有一個(gè)復(fù)核修正過(guò)程，建議在方案落實(shí)過(guò)程中注意總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，由實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)不斷反饋和完善調(diào)度方案。