水利工程中的群閘智能聯(lián)動控制平臺設(shè)計

張立全

（深圳市水務(wù)工程檢測有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

水利建設(shè)在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中的地位日益突出，水閘是水利建設(shè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，起到了調(diào)節(jié)水庫上下游水位、水庫洪水等作用。目前，大型引水工程、水庫還普遍存在管理能力與水平相對落后的問題，工程管理和行業(yè)管理仍以開放式管理和手工作業(yè)為主，導致水利工程管理信息雜亂，無法統(tǒng)一管理，各級行業(yè)主管部門難以及時、準確、全面地了解水利工程運行管理狀況，更無法對現(xiàn)有水資源進行科學調(diào)配。文獻［1］提出了基于信息資源整合的防汛系統(tǒng)，利用GIS、移動應(yīng)用、搜索引擎等技術(shù)，通過與各區(qū)域的空間信息相連接，將各區(qū)域的洪水調(diào)度目標整合起來，實現(xiàn)信息的綜合關(guān)聯(lián)查詢和實時監(jiān)控。文獻［2］提出了基于MIKE 模型的洪水風險分析方法，對防洪區(qū)的各個突發(fā)事件進行了洪水過程的仿真分析。

某水利工程地區(qū)水文復雜、潮位不相等，河堤內(nèi)部的地形由西向東傾斜，防洪堤較長，河段較短，涵閘數(shù)量較多，防守任務(wù)繁重。該地區(qū)夏天經(jīng)常出現(xiàn)暴雨，而全市湖區(qū)的水位也將會出現(xiàn)明顯的上漲。而從潮差角度進行分析，上述這兩種方法防洪效果并不佳，為此，下文提出了水利工程中的群閘智能聯(lián)動控制平臺設(shè)計。

1 群閘聯(lián)控平臺調(diào)水補水設(shè)計

使用傳統(tǒng)的調(diào)水模塊防汛墻后，會出現(xiàn)缺水、流速降低、河涌水質(zhì)變壞等問題。因此，通過智能系統(tǒng)的群閘視頻監(jiān)控聯(lián)控控制，來改善河涌水質(zhì)，讓“死水”變成“活水”，實現(xiàn)“水活、水滿、水清”，使河涌水質(zhì)不會發(fā)黑發(fā)臭。

1.1 水動力數(shù)學模型構(gòu)建

利用簡單水道中的非穩(wěn)態(tài)漸進流動的運動規(guī)律，對其進行數(shù)值模擬[3]。基本流程：1）流場為一維，且在橫切面內(nèi)的速度分布較均勻，可忽略由于通道彎曲而產(chǎn)生的離心作用；2）在橫斷面上的壓強是不計豎向加速度的靜壓分布[4]；3）通過對邊界的摩擦力和紊動效應(yīng)的分析，可以用阻力來表示。盡管自然河流極為復雜，變化萬千，但在實際中，卻沒有一維的流動[5]。因此，充分考慮剖面的平均水力要素，假定一維的流體運動是可行的，構(gòu)建水動力數(shù)學模型，其基本方程式：

式中：h為過水斷面寬度；z為水量流動速度；t為時間；q為流量；Vz為防汛速度；s為過水斷面面積；λ為動量校正系數(shù)。通過公式（1）可計算河道水流。

通過構(gòu)建的水動力數(shù)學模型確定平均水力要素，以此為基礎(chǔ)，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析潮汐及引排水可能性。

1.2 潮汐所引起的排水可能性分析

潮汐是一種典型的半日潮，每個月有2 次漲潮和2 次退潮，潮位和落潮的位置各不相同，漲潮和退潮的持續(xù)時間也各不相同。大潮出現(xiàn)在月初，小潮出現(xiàn)在每月的初七或初八，循環(huán)15 d。近岸潮位觀測站的實測數(shù)據(jù)較為完備，能夠準確地反映出潮位的多年變化[6]。通過對浮標場站的潮流位觀測，得到了潮流位的統(tǒng)計特性：高潮位最高值為2.61 m，低潮位最低值為-2.15 m，漲潮差最大值為3.53 m，落潮差最大值為2.76 m，平均漲潮歷時5.02 h，平均落潮歷時7.25 h。

根據(jù)實時勘察過程中的潮汐觀測資料，統(tǒng)計出引潮水水位和排水水位在不同保證率情況下的歷史數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 不同保證率下的引排水水位

從表1中可以看出，在保證率大于75%時，引、排水水位均不超過2.00 m，可以滿足導流、排水的要求。

1.3 群閘聯(lián)控調(diào)度平臺設(shè)計

根據(jù)上述環(huán)境下的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用智能視頻控制方法，設(shè)計出群閘聯(lián)控調(diào)度平臺。在天然河道狀態(tài)下，所有的閘門都是開著的。在雙向引排水閘調(diào)度下，控制閘門打開和關(guān)閉，以適應(yīng)內(nèi)部和外部的水位差異。在閘門外，如果水位在入口，則外部水位不會超過可控制的，而水面不會比最低點低；如當閘門內(nèi)的水位不低于最低控制水位時，應(yīng)開啟全部閘門，讓河流從內(nèi)河進入外河。在其他條件下，當水位在控制范圍內(nèi)時，所有的閘門都會開啟，將外界的水流引入到河流中[7]。在西引東排調(diào)度下，水閘定向引水和利水。當閘門外部水位超過河道，且低于防洪標準，這時閘門沒有超過最大控制水位，閘門就會完全開啟；在水流從外部進入河水后，要將閘門關(guān)閉；當閘門外部水位低于河道水位時，閘門和河道水位不會降到最低點，所有閘門都會開啟，其他情況下關(guān)閉。

2 智能聯(lián)動模塊式活動防汛墻構(gòu)建

2.1 潰壩滑坡浪涌問題數(shù)值模擬

受沖刷、地震、暴雨、水位變化等因素的影響，邊坡容易出現(xiàn)崩塌，大面積的崩塌往往造成波浪[8]。基于此，構(gòu)建二維的潰壩滑坡浪涌問題數(shù)值模擬模型。對于該模型的分析，設(shè)置了兩個條件：1）初始條件，所研究的目標在初始階段，將整個水域設(shè)定為靜止狀態(tài)，并將滑板與岸邊坡面連接；2）邊界條件，斜坡的邊坡是一種固體的邊界線，而斜坡則是一種滑移邊界[9]。

基于此，計算楔體入水涌浪，并用楔型滑坡體模型進行流型分析，由此確定的動態(tài)感興趣區(qū)域水流形態(tài)示意圖如圖1所示，圖中t為楔體入水涌浪。

圖1 動態(tài)感興趣區(qū)域的水流形態(tài)圖

由圖1可知，在0.05 s 時，水流在水流中的慣性作用基本維持不變，而在楔下的水流則受到了很大的壓力，從而使水流在斜坡上的速度增大；在0.25 s 內(nèi)，水流通過楔形塊體滑移；0.50 s 后，水流持續(xù)上升，形成旋渦。這一楔形運動的方法與現(xiàn)實中的情形十分相符。

2.2 模塊式活動防汛墻構(gòu)建

通過數(shù)值模擬基于動態(tài)感興趣區(qū)域的潰壩滑坡浪涌問題，構(gòu)建模塊式活動防汛墻。可拆卸式的模塊化防汛墻，無須預先進行大量的土建工作，能夠迅速地進行組合式安裝，具有輕便、運輸便捷、制造簡約等優(yōu)點，能有效地實施汛期防洪[10]。將防汛墻設(shè)計成移動形式，裝配于兩棟房屋墻壁間，該防汛墻還設(shè)有可移動堤壩，由若干標準單元和一對末端單元組成，標準單元為具有T 形截面的空心磚，每個標準件的側(cè)邊由一個連接機構(gòu)與鄰近標準件的側(cè)邊相連，形成正、負拼接的中間隔水墻，其厚度、彎曲側(cè)的形狀及大小與標準模塊一致[11]。防汛墻末端組件的扁平邊緣經(jīng)由固定機構(gòu)與建筑物墻壁的內(nèi)部相連接，末端組件的彎曲和垂直邊緣分別由連接機構(gòu)與中間擋水墻兩端的彎邊和直邊相連接，從而構(gòu)成整個擋水墻。在各標準組件前端和各末端組件前端的上下半部分，都設(shè)有1 個帶堵頭的注水孔[12，13]。模塊式活動防汛墻的正面圖如圖2所示。

圖2 模塊式活動防汛墻的正面圖

由圖2可知，防汛墻還包括調(diào)整模塊，該調(diào)整模塊采用四邊形中空塊形式，通過固定機構(gòu)與端部模塊相連。調(diào)整模塊的厚度和側(cè)面尺寸分別與末端組件的厚度和扁平邊緣的大小相對應(yīng)，該調(diào)節(jié)組件前端上下半部分各設(shè)有1 個帶堵頭的注水口，使整個隔水壁可分成左右兩部分[14]。在調(diào)整模塊中設(shè)置分塊調(diào)節(jié)模式，分塊調(diào)節(jié)組件的厚度和邊緣尺寸與末端組件厚度和邊緣尺寸一樣，且在組件前端的上下半部各設(shè)置有1 個噴水口，噴水口還帶有1 個塞子[15]。

在工程實踐中，模塊式活動防汛墻的每一單元均由輕型PVC 板材制成，其運輸生產(chǎn)成本低，安裝方便。此外，在洪水來臨時，可以迅速組裝，并注入水分，以避免雨水形成地表積水。

3 方案實施結(jié)果與分析

在天然河道狀態(tài)、雙向引排水閘調(diào)度、西引東排3 種調(diào)度方式下，分別對使用基于信息資源整合的防汛系統(tǒng)、基于MIKE 模型的洪水風險分析方法和智能水利工程群閘聯(lián)動控制平臺的應(yīng)用效果進行對比分析，見表2。

表2 各種工況下平均流量分析

3.1 仿真資料采集

某水利工程管理模型是根據(jù)下列資料構(gòu)建的。

1）地形

在三維數(shù)字地形建模中，獲取和輸入地形信息是進行三維數(shù)字地形建模的先決條件。2002年，某工程公司于運用航圖（包括水流、水位）對飛機進行了航空數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)輸入到網(wǎng)格上的數(shù)字地面模型中，并通過圖形軟件獲得了基本的立體地貌數(shù)據(jù)。

2）建筑物

在技術(shù)設(shè)計階段，根據(jù)工程實際情況，對樞紐工程進行了三維建模，并對其進行了圖像仿真。為了達到大規(guī)模的建模，可以采用更有效的組件裝配技術(shù)，即把單個基本部件的三維實體當作材料。在構(gòu)造復雜的構(gòu)件時，應(yīng)按不同的條件選擇適當?shù)臉?gòu)件。

3）水面

采用一種基于導流明渠的數(shù)值計算方法，對該模型進行了數(shù)值仿真，并建立了相應(yīng)的三維模型。為了滿足水庫治理工程中的復雜河床流型，采用了一種新的曲線坐標系統(tǒng)，采用N-S 模型對導流明渠的流型進行數(shù)值模擬，可為工程設(shè)計提供依據(jù)。通過動態(tài)顯示技術(shù)，可以讓模擬的結(jié)果更加逼真。通過以上模擬，得到了物料的種類、重量（包括尺寸）。

3.2 實施結(jié)果與分析

由表2可知，對于天然河道工況，由于潮汐在上游和下游的相互影響，水體是來回振蕩的，流量較小，因此，能在一段時間內(nèi)進行換水，而不會產(chǎn)生死水。在雙向引排水工況下，盡管可以在一定程度上縮短了置換過程，但更換周期依然較長。對于西引東排工況，使用水利工程群閘聯(lián)動控制平臺，可以大大縮短更換水體的時間，并能迅速地實現(xiàn)河道間水體的快速交換，在各種條件下，西引東排調(diào)度方式是促使水質(zhì)變化最快的調(diào)度方案。

4 結(jié)語

在水利管理工程中，通過解決動態(tài)感興趣區(qū)域的潰壩滑坡浪涌問題，對水利工程群閘智能聯(lián)動控制平臺進行分析，為水利工程管理工作提供依據(jù)和保障。傳統(tǒng)的信息整合防汛系統(tǒng)無法分析水體交換時間，導致出現(xiàn)水質(zhì)污染，群閘智能聯(lián)動控制平臺通過群閘聯(lián)控、引水補水，使河道水質(zhì)達到“清水、綠岸、魚游”的良好生態(tài)景象。該平臺可充分利用水資源信息，科學調(diào)水補水，不斷提升水利管理水平。