灌区输水模型模拟应用研究

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(1.阿勒泰地区水利局，新疆 阿勒泰，836701；2.成都万江港利科技股份有限公司，成都，610093；3.河海大学水文水资源学院，南京，210098；4.四川省阿坝州气象局，四川 马尔康，624000)

随着社会的发展，用水量不断增加，水资源问题日益突出，部分地区甚至出现了按时供水的窘境。农业作为一个地区的用水大户，灌区更是“大户中的大户”，其输水调控目前大多采用人工调节方式，灌区内的闸门什么时候调节、调节的幅度完全凭管理人员的经验掌握[1]，这不仅降低了输水效率，而且也造成了大量用于灌溉的水资源被浪费。因此，如何提高输水效率、减少灌溉水资源的浪费是一个亟待解决的问题。

目前灌区的输水研究大多基于统计优化的方法[2～9]，此类方法一般需要大量的实测运行数据，或者不能对输水过程进行实时模拟。此外，对于解决新修或者改建的渠道问题时，数据量的问题较多。为了克服对大量实测运行数据的依赖，本文采用水动力模型的方法进行研究。基于MIKE11一维水动力模型，建立了某大型灌区渠道的输水模型，取得了较好的模拟效果，为该灌区的科学调水、节约用水提供了相应的技术支持。

1 模型简介

1.1 控制方程

基于质量守恒、动量守恒，得到一维非恒定流圣维南方程：

式中：x、t——分别为计算点空间和时间的坐标；

A——过水断面面积；

Q——过流流量；

h——水位；

q——旁侧入流流量；

C——谢才系数；

R——水力半径；

α——动量校正系数；

g——重力加速度。

1.2 求解方法

MIKE11采用六点中心隐式差分Abbott格式离散求解，离散后的方程如下，用追赶法求解即可得到结果。

2 灌区输水模型的建立

2.1 研究区概况

本次研究的灌区(简称一总干渠灌区)是直属于某地区水利局管理的大型灌区。灌区规划设计灌溉面积为3.17万hm2，实际灌溉面积为3.03万hm2，另有0.13万hm2林地灌溉面积没有达到规划要求。灌区东西长53km，南北宽35km，总面积10.24万hm2。设计由干流上的永久性拦河枢纽引水，通过36km总干渠向灌区送水。在总干渠15+000处设有两个分水口，并在干渠上设置有节制闸；在26+000处设有一处分水口，并在干渠上设置有节制闸；在27+000处设有一侧向分水口，在干渠上没有设置节制闸；最终渠道中余留的水量流入调节水库。此外，渠道高程整体高于周边高程，故不用考虑坡面汇流进入渠道。

灌区现状总人口22275人，国民经济以农牧业生产为主。现状年灌溉面积2.7万hm2，其中种植业1.72万hm2，畜牧业0.86万hm2，灌溉林地0.12万hm2。粮食总产19710t，单产300kg/亩，畜牧年末存栏量7.74万头，农业总产值2.07亿元。

2.2 模型建立

由于资料所限，本次只研究图1中框内的一段渠道，具体建模过程如下文所述。

2.2.1 渠系概化

通过在影像图上勾画渠系形状生成GIS图层，再将生成的GIS图层导入MIKE11中的渠系文件中。在15+000处干渠节制闸后的出流量作为上游流量边界，27+000处的水位作为下游的水位边界，在上下两边界之间的26+000处设置一孔分水闸和三孔节制闸，闸门宽度都为2.5m，并将相应的闸控操作也导入对应的闸控命令文件中。

图1 渠系概化处理

2.2.2 断面处理

灌区的渠道都是人工修建，渠道断面形状为规则的梯形，边坡系数1∶2，渠道深度在2.9m～3.7m之间，开口宽度在20.12m～23.8m之间，渠底宽度在8m～9m之间，底坡在1/6222～1/3793之间，设计糙率基本为0.017。

2.2.3 参数设置

(1)初始条件

由于本次模拟分为了两个不连续的时段，故在模拟开始时将对应时段的水位与流量条件输入模型中作为计算初始值。

(2)渠系糙率

基于渠系设计及现场实际调研资料，初步将渠道的糙率系数设置为0.017，并通过实测数据对模型的糙率系数进行率定调整，最终确定糙率系数的取值范围在0.016～0.017之间。

(3)渠道渗漏系数

由于渠道底部是水泥抹浆与土质结构，在输水过程中存在较大的水量渗漏损失，经过与经验丰富的调水工作人员交流讨论，确定了渠段的渗漏系数。

在参数设置界面特定里程处将渠道的初始水位、流量初始值、糙率系数以及地下水渗漏系数输入模型中，具体设置如图3所示。

图2 断面概化处理

2.3 模拟结果分析

根据率定好的模型，率定期计算出的水位结果绝对误差约在1cm～10cm之间，基本达到一般河道的水位模拟要求。重新选取一个新的时段，再对渠道内的水位进行模拟计算，验证期内的水位结果绝对误差约在8cm～30cm之间，显然大于率定期内绝对误差。为进一步研究分析上述误差产生的原因，将对应时段的闸控系统调节的时间序列导入到水位序列中进行对比发现，出现了一些比较特殊的情况：

(1)在率定期内，其它条件不变的情况下，校验处的闸门开度减小后，根据水量平衡原理可知，闸门开度下降，过水断面面积将减少，在入流量保持不变的情况下，渠道内蓄水量将在一段时间增加，故校验处水位应该有所增加，模型模拟结果与此一致，而实际测得的水位数据却是下降；

(2)在率定期内，所有条件不变的情况下，实测闸前水位却上升；

(3)在验证期内，其它条件不变的情况下，校验处的闸门开度增大后，根据水量平衡原理可知，闸门开度上升，过水断面面积将增大，在入流量保持不变的情况下，渠道内蓄水量将在一段时间减少，故校验处水位应该有所下降，模型模拟结果与此一致，而实际测得的水位数据却是保持不变。

以上现象表明：本次建模所用数据中部分数据质量需要提高；模型中部分物理过程没有考虑全面。

图4 率定期水位结果对比

图5 验证期水位结果对比

3 结语

本次基于水动力模型MIKE11对灌区渠道输水过程进行的模拟，结果表明：水动力模型可用于输水模拟，虽然此次研究与实际误差控制在30cm以内，但是由于实际条件限制，模拟结果与实测数据对比出现了一些无法解释的现象，对此需要在以后的研究中对数据的准确性以及实际输水的细节进一步深入探讨。