瓯飞一期围垦工程排涝规模优化计算

2012-05-03林登荣包中进

水利水电科技进展 2012年4期

刘云,林登荣,王斌,包中进

(1.浙江省水利河口研究院,浙江杭州 310020;2.温州市水利投资开发有限公司,浙江温州 325000)

排涝工程规模计算及论证一般采用简单对比法或全部试验法[1-6]。简单对比法是在确定其他影响因素的基础上,对单一因素进行逐个比较,探索较为合理的排涝规模,这种方法的代表性很差;另外,排涝规模的论证牵涉因素众多,各种因素之间关系错综复杂,简单对比法不能综合考虑这些因素的影响,结果的可靠性也就无法验证。全面试验法虽然涵盖了各种影响因素,但是试验次数太多,工作量较大。正交试验法[7]则能够解决这些问题,它是利用“正交表”科学地安排与分析多因素试验的方法,其主要优点是能在很多试验方案中挑选出代表性强的几个试验方案,用统计计算的方法对试验结果进行分析研究,分辨出主次因素,推断出最优方案。采用正交试验法既能缩短周期、降低成本,又能全面科学地分析问题,使得结论更加可靠。正交试验法在医药、食品、化工等领域应用较多且比较成熟,也有研究者将正交试验法应用到机械、岩土、水利等领域中[8-12]。

本文将正交试验法应用到温州瓯飞一期围垦工程排涝规模优化计算中,充分考虑闸门控制、水利调度等因素的影响,确定了影响围区排涝能力的主次因素,在此基础上进一步优化排涝组合,最后确定了合理的排涝规模。

1 工程概况

温州瓯飞一期围垦工程位于瓯飞滩高滩区域,南、北边界分别是飞云江及瓯江河口边界的外延线,围垦面积约为116km2。围区以中央横河为界,西片设置南1号闸、北1号闸;围区东片东面设置东1号闸、东2号闸,南北向设置南2号闸、北2号闸及两个调蓄湖及两个排涝泵站,东片主体为“二横七纵两湖”的排涝格局。设计方案南1号和北1号闸闸室净宽均为80m,闸底板高程-2.0m;南2号和北2号闸闸室净宽均为60m,闸底板高程-3.0m;东1号闸和东2号闸闸室净宽均为40m,闸底板高程-3.0m。围区近期为功能养殖期;中期拟采取“分区排涝、分片解决”的排涝总体格局,上游温瑞平原客水作为一个排水系统,高水高排,围区东片涝水由围区设置的排水闸及泵站等设施排出,与客水排涝体系相互独立;远期则考虑相互贯通[13]。围区排涝布局见图1[14]。围区排涝洪水标准除中期围区东片按10年一遇控制,其他均按照50年一遇控制,各阶段各闸调度控制水位不同,见表1,控制原则为高于起调水位开闸,低于最低控制水位关闸。

图1 瓯飞一期围垦工程围区排涝布局

表1 各闸调度控制水位

2 模型建立

数学模型主要模拟瓯飞一期围垦规划水系,计算不同排涝规模组合下围区最高洪水位。由于计算区域范围较大、水动力条件复杂、涉水建筑物较多,并需要考虑水闸调度运行方式等因素,因此平面二维数学模型采用基于三角形网格的有限体积模式[15],并根据水闸调度运行原则设置了闸门开关,当围区水位达到排涝控制条件时,闸门开启,低于最低控制水位时闸门关闭,水闸仅允许单向排涝出流,不考虑纳潮。基本方程如下:

式中:h为水深,m;u,v分别为x,y方向上的垂向平均流速分量,m/s;t为时间,s;z0为河床高程,m;g为重力加速度;f为柯氏力参数,f=2ωsinφ,其中φ为纬度,ω为地球自转速度;εx,εy分别为x,y方向的涡动扩散系数;Wx,Wy分别为x,y方向的风应力分量;Cz为谢才系数,Cz=h1/6/n,其中 n为糙率系数。方程(1)为水流连续方程,方程(2)和方程(3)分别为x,y方向的动量守恒方程。

模型上游客水边界模拟至工程临近围区的排涝闸,下游则模拟至外排至瓯江及东海的排涝闸附近。模型计算上游客水边界采用流量过程线;下游飞云江、瓯江以及东海附近6个闸的闸下边界则采用对应的外海潮位过程线;围区降水直接按照降水边界设置。

3 排涝规模优化计算

排涝规模优化计算主要考虑水闸配套规模问题,在水闸设计中,闸室宽度及闸底板高程对水闸的排涝能力影响较大,因此,本文在各闸闸室宽度及闸底板高程多个水平基础上对围区西片及东片排涝进行正交组合计算,比选出对围区排涝水位影响较大的因素并进行优化,结合工程投资提出较为合理的水闸布置规模,最后用远期贯通方案对优化方案进行复核。

3.1 中期及远期西片客水排涝工况

中期及远期西片排涝工况排涝控制标准相同,因此计算组合亦相同。围区西片客水排涝影响因素主要考虑南1号闸、北1号闸的闸室宽度及闸底板高程,结合工程实际,对各因素分别选取了3个水平,即采用四因素三水平进行计算,如表2所示。

表2 排涝规模优化计算因素水平

按照常规计算方法需要计算81组次,为提高效率,加快进度,将正交试验法用于排涝优化计算中,采用L9(34)正交试验表,将试验组次减少为9组,详见表3,试验结果见表4。

表3 西片客水闸室规模正交试验组次

表4 西片客水闸室规模正交试验结果 m

根据正交设计的特性,由Ki的大小可以判断各水平对试验指标的影响大小,本试验统计指标为围区最高洪水位,因此Ki越小,试验结果越好。由极差大小可以看出南1号闸闸宽、南1号闸闸底板高程对围区最高洪水位影响最大;由¯K i值大小得出各因素水平3为最优排涝组合,即闸室宽度取最大,闸底板高程取最低,该结论也符合工程实际情况。

另外,从表3可以看出,除组次5、组次7、组次9外,其余组次围区最高洪水位均高于设计最高洪水位。从投资来看,组次5为相对较优方案,但考虑组次4方案围区最高洪水位与设计最高洪水位较为接近,仅相差0.04m,且由极差分析得出,南1号闸闸底板高程对围区最高洪水位的影响仅次于南1号闸闸宽,因此根据闸室附近实际地形高程尝试将组次4的南1号闸闸底板降为-2.0m,即比较方案(组次10)。计算结果表明,组次10围区最高洪水位为3.74m,等同于设计最高洪水位,满足排涝要求。因此,根据围区西片排涝计算,推荐组次5和组次10为较优方案。