北疆供水工程应急闸控下的水力响应分析

2021-03-19齐佳硕崔娅茹王双银张雨山

水利与建筑工程学报 2021年1期

齐佳硕，崔娅茹，王双银，张雨山，王曦

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西咸阳 712100;2.杨陵区水务局, 陕西杨凌 712100)

长距离跨流域调水工程具有线路长、涉水建筑物繁多、沿程地理及气候条件复杂等特点，风险源众多，险情发生后渠道水位流量发生剧烈变化，通过闸门调控将渠道水位控制在安全范围内，是保证渠道安全运行的重要手段，而闸门联合运行规则的变化对水位影响显著，如何通过多闸门的联合运用来减少风险事故发生后的损失，对渠道工程安全及其高效输水具有重要意义。对于此问题，张成等[1-2]利用南水北调中线电子渠道平台[3]模拟分析了非正常工况下渠段的闸控水力响应特征及退水闸的退水作用；崔巍等[4]针对明渠调水工程流量中断事故，提出了事故上游段“闸前常水位+等体积”运行方式，并设计了两步式闸门群应急控制方法，有效缩短了过渡时间；周美林等[5]采用特征线法，分析了不同闸门调控时间、流量变化率对渠道内水流过渡时间的影响；古玉等[6]模拟了引汤灌区部分渠系在闸门调控下的非恒定流过渡过程，并进行了初步的闸门运行设计；龙岩等[7]针对长距离输水工程提出了应急调控过程中影响闸门调控效果的6项指标，并引入AHP-灰色定权聚类方法精准确定闸门最优调控方式。

Mike11模型是丹麦水力研究所(DHI)开发的一维非恒定流模拟软件，广泛适用于天然河流及人工渠道，其水动力模块(AD)及可控建筑物模块(SO)可以根据自定义操作规则来模拟多种水工结构物的运行，能够较好地适用于人工渠道不同闸门调控方案下非恒定流响应的模拟研究[8-12]。因此，本文以Mike11模型为基础，依据应急调控的最不利情况，选取北疆供水工程总干渠长距离，多弯道，且距离渠首较近的渠段为研究对象，在分析不同闸控措施水力响应特征的同时，提出针对不同情景下的渠道调度方案，以期为同类型长距离供水工程的针对性应急联合调度提供闸控数值参考。

1 研究区概况

北疆供水工程位于新疆北部高寒区，由总干渠、西干渠、南干渠共3条输水渠道组成，工程北起“635”水利枢纽，西至克拉玛依风城水库，向南穿越准葛尔盆地及其腹地的古尔班通古特沙漠，终至尾部调节水库“500”水库，渠线全长512 km，工程等别为大(2)型Ⅱ工程[13-14]，其主要任务是解决乌鲁木齐市经济区用水及沿线生态用水。工程总干渠全线采用自流输水，无外加动力实施，沿途穿越剥蚀起伏平原与冲洪积平原过渡带，具有纬度高，输水距离长，基岩薄弱等特点，易发生多类险情，存在复杂潜在危险。

2 模型构建

2.1 理论基础

2.1.1 圣·维南方程组

采用一维非恒定流的圣维南方程组描述流量、流速等水力要素与水位或水深随流程(s)和时间(t)的变化规律，其中连续方程为：

(1)

动量方程为：

(2)

式中：x、t分别为空间坐标和时间坐标；Q、h分别为断面流量和水位；A、R分别为断面过流面积和水力半径；Bs为渠宽；C为谢才系数；g为重力加速度；∂为垂向速度分布系数，q为单位长度上侧向汇流流量，汇出为负值，汇入为正值。

Mike11模型采用Abbott六点中心隐式差分法对圣维南方程数值离散，并利用追赶法求解差分方程，在每个时间步长内交替计算流量和水位[15-16]。此方法离散格式呈无条件稳定，可在较大的克朗数下保持不发散，便于实现长距离渠道长时间水流过程的模拟。

2.1.2 闸门过流计算

渠系建筑物过流面积应与附近断面的过流面积相匹配，否则会造成模型的不稳定。水工建筑物被安置在计算网格的流量点处，通过水工建筑物的流量由上、下游水位以及建筑物本身参数(如建筑物相关尺寸等)确定，可简写为Q=f(h)。为了保持圣维南方程组离散格式的一致性和兼容性，水工建筑物处的Q=f(h)离散后的形式如动量方程形式，即：

(3)

式(3)为水工建筑物能量方程的离散形式，将代替离散后圣维南方程组中的动量方程式(2)，通过水工建筑物的流量离散格式如下：

(4)

或

(5)

对比上述两式，可得：

(6)

βj=1

(7)

(8)

(9)

式中：hus为上游汊点的水位，m；hds为下游汊点的水位，m。

2.2 渠段概化

渠段概化的原则是能基本反映人工渠道的水力特性，即概化后的渠道输水能力与实际渠道相近。为了实现长距离渠道全输水期的模拟，选择工程总干渠0+000—57+300段作为无闸门调控模式下(即正常供水工况)的模拟段，包括两种断面形式的明渠段，隧洞段，三座分水闸，一座节制闸及一座节制退水闸，模拟渠段概化图见图1。根据渠道设计资料，在渠道断面形式或纵坡发生变化处、水工建筑物前后及适当位置插入断面，断面资料见表1。为保证计算精度，在纵坡和断面一致的渠段间适当内插断面。

图1 模拟渠段概化图

表1 模拟渠段断面资料

在应急工况下的闸门调控模拟中，需要研究渠首闸、事故段的上下游节制闸及配套退水闸的控制方式。在正常输水模拟段的基础上，以0+000—10+930段作为闸门调控模式下的模拟渠段，该段具有两个相邻节制闸及配套退水闸，可实现多种闸控方案的模拟，且上、下游节制闸间的渠池较长，距离渠首引水闸距离较近，沿途包含了其它用水单位的分水口，属于发生应急工况时调控最不利的区域，具有较好的典型性，对该渠段的研究可以实现对供水工程极端工况的模拟，对不利情景下的应急调度方案拟定具有一定参考价值。

2.3 渠系建筑物

人工渠道中的闸门及分水口对控制渠道内水体流动具有关键作用。模拟渠段内共有分水闸3座，节制闸1座，节制退水闸1座，均为平板闸门，其中节制退水闸采用节制闸与退水闸联合分布的形式，闸门轴线呈90°相交，节制闸为双孔闸门，无胸墙，单孔宽4.0 m，闸门高度6.7 m，闸室长16.6 m，退水闸在节制闸前部，位于总干渠右侧渠堤，双孔闸门，单孔宽3.5 m，闸门高度6.7 m，闸室长13.0 m，闸前设有胸墙；分水闸设计分水流量2.0 m3/s～6.5 m3/s，主要作用是向沿途提供灌溉用水。参照工程设计资料，通过Mike11可控建筑物模块(SO)构建各闸门并预设调度规则，模拟不同闸门调度方案对渠道水流的影响。

2.4 边界条件

模型通常采用的边界条件有：流量边界、水位边界、水位-流量边界。本文在模拟正常运行工况时，节制闸保持全开，开度6.7 m，水流为自由出流，上游边界条件采用起始断面0+000处实测流量过程，下游边界条件采用终点断面57+300处实测水位过程，内边界为沿线分水口实测流量数据，模拟时段为2016年4月22日上午8时—2016年9月8日上午8时，共140 d；在模拟应急工况时，上游根据渠首闸门的调控情况选择相应流量边界，下游以正常工况下测得的水位流量关系作为边界。

2.5 参数率定及精度验证

在渠道的非恒定流模拟中渠段糙率的选取将直接影响水流的计算，此外闸门的收缩系数及渠系建筑物的水头损失系数也会对模拟结果产生影响。采用工程2016年实测水位流量资料对模型参数的具体取值进行率定，在模拟渠段上游及下游分别选取代表断面，将断面模拟水位与其对应的实测水位进行拟合，全水位过程拟合度较高，R2在0.99以上。模型率定参数取值见表2。

表2 模拟段模型参数

在模型糙率参数率定的基础上，将边界条件替换为2011年—2015年实测系列，选取相同的上、下游断面水位分析模拟精度。RMSE评价结果误差在6 cm以内，MAPE的偏差在1.08%以内，R值相关性在0.925以上，表明模拟值和实测值拟合度较高，模型能反映目标渠道的实际水流特征，模型及其率定的水力参数具有可靠性。

3 不同闸控方式的水力响应分析

3.1 模拟工况

3.1.1 不同闸门启闭方案

供水渠道发生紧急事件后，事故段上下游节制闸关闭，不同闸门启闭方案的模拟研究主要针对事故段退水闸及渠首闸。为研究事故段退水闸的作用，按照不同节制闸前控制水位控制退水闸的启闭，以120 m3/s的设计流量作为渠道正常运行的初始流量，渠道正常运行时节制闸处于常开状态，退水闸处于常闭状态，事故段节制闸紧急关闭时间设置为20 min，退水闸采用最大速率10 min完全开启，当事故段下游闸前水深首次低至安全水深(1.5 m)时关闭。对比分析是否启用退水闸以及采用不同闸前控制水位控制退水闸方案对渠道水力特征的影响，模拟方案如表3所示。

表3 事故段退水闸控制模拟方案

渠首引水闸的控制方式决定了应急调控的上边界条件，在事故段节制闸40 min同步关闭的基础上，将渠首闸按照大流量供水、小流量供水和引水闸快速关闭3种方案进行模拟分析，事故段退水闸不启用，具体方案如表4所示。

表4 渠首引水闸控制模拟方案

3.1.2 事故段节制闸同步、异步起调

目前供水渠道的事故段控制主要采用同步控制，即在事故发生后同时关闭上下游节制闸，而对于不要求紧急控制事故段水体的情况，下游的节制闸可以适当进行延迟关闭。在设置事故段上下游节制闸20 min关闭的基础上，下游节制闸分别延迟0 min、10 min及20 min关闭，事故段退水闸不开启，渠首引水量120 m3/s，设置的闸门异步调控方案见表5。

表5 闸门异步调控模拟方案

3.1.3 事故段节制闸调控速率

系统工程闸门单向调控时间一般在10 min～60 min之间，在渠段突发险情时，事故段上下游节制闸按关闭的最大速率、正常速率和缓速分为3种闸控方案，调控模式均采用同步调控，事故段退水闸不启用，渠首引水量120 m3/s，具体方案见表6。

表6 节制闸启闭速率模拟方案

3.2 结果分析

3.2.1 不同闸门启闭方案

根据事故段退水闸不同调控方案的模拟结果，在不启用退水闸的情况下，节制闸关闭导致的模拟渠段短时间水面线变化情况如图2所示，同步启用退水闸与不启用退水闸情况下的事故段下游闸前水位过程如图3所示。从图2可以看出，在上、下游节制闸关闭的情况下，因渠池内水体与闸门碰撞，渠道水面线从初始的稳态产生由下游闸前向上游闸后传递的波，波动强度随时间推移逐渐趋于平缓，渠池内不同点的振幅也存在显著差异，闸门前后的振幅明显大于渠池中央，这是闸门应急调控时造成闸前水位壅高和闸后水位变幅过大的主要原因。从图3可以看出，启用退水闸的工况下，闸前水位最大壅高出现更早且壅高值更低，同时水位波动逐步下降；不启用退水闸方案下事故段水位波动周期较大且相对平稳，但水位始终处于较高状态，会使下游节制闸产生较大的闸前、闸后水位差，对渠系建筑物产生危险。

图2 不同时刻事故段渠池水面线特征

故在较快速率关闭事故段上下游节制闸的情况下，为了将事故段水位控制在安全水平，通常需要适时开启退水闸。统计事故段退水闸退水时间、闸前壅高及出现时间、闸后水位变幅等水力参数见表7。可以看出在闸门开始关闭时闸前水位会有一定的壅高，达到控制水位后，随着退水闸的开启，水位有较为明显的下降，最大壅高出现在工况初期，后期的波动导致的水位壅高不会再超过初始值，与不启用退水闸相比，退水闸开启后下游闸前水位快速降低，可有效削减闸前水位壅高，在开启退水闸的情况下，渠道内水位会有较大的波动，并在短时间产生较大降幅，退水闸在达到退水闸关闭的安全水位后，上、下游的水位过程线逐渐趋于规律的波动，且振幅逐渐减小。闸前最大水位壅高值随闸前控制水位的增大呈上升趋势，闸后水位降幅随之减小，在闸前控制水位取设计水位+0.6 m，相较于取设计水位，最大水位壅高值增大0.17 m，达到最大壅高水位的时间增加10 min。增加闸前控制水位可以缩短退水时间，减少渠道弃水量。根据实际观测数据和模拟数据，渠道在正常运行过程中水位低于加高后的设计值，在应急方案下闸前控制水位可以取设计水位+0.3 m。

图3 退水闸控制下闸前水位过程

表7 不同退水闸控制方案下渠道水力响应特征

根据渠首闸不同调控方案的模拟结果，统计渠首闸调控过程中事故段上游闸后和下游闸前的水位，将3种方案的基本水力参数统计后如表8所示。通过水位变化模拟结果以及水力要素统计值可以分析得出，在紧急事件发生后，为了更快的完成渠道的退水并减少退水量，渠首闸按方案7在30 min关闭，事故段上游节制闸40 min关闭，在没有开启事故段退水闸的情况下，随着上游闸门关闭导致的来流减少,下游闸门关闭产生的水位壅高效果逐渐变小,水位逐渐回落，上游节制闸的闸前水位在140 min时达到稳定，方案7相对于方案5，渠首闸关闭对闸前水位壅高有较明显的削减，30 min关闭引水闸相较于持续大流量供水，闸前最大水位壅高降低0.76 m，事故段水体稳定时间缩短180 min，可大幅度减小渠道退水量，但会造成渠道水位的快速下落，渠道的扬压力可能会造成渠道衬砌板破坏，并且沿途的分水口也都会中断供水，对工程有效输水造成影响，恢复供水的时间也会较长。从方案5和方案6的水位过程线可以看出在渠道正常运行情况下，上游引水流量的大小对事故段的应急调控结果有较明显的影响。小流量情况下，无论是闸后水位变幅还是闸前水位稳定时间都远小于大流量工况，对比方案5、方案6，120 m3/s下的闸前最大壅高比68 m3/s供水时高出0.31 m，影响较为明显，事故发生后事故段渠池需要第一时间控制，但是上游在不受影响的情况下依旧可以维持供水，事故段节制闸的关闭必然导致上游水位的快速壅高，若要维持正常供水，上游常水位运行或快速降低至小流量运行可以避免事故段上游节制闸前水位超高。

表8 不同渠首引水闸控制方案下渠道水力响应特征

3.2.2 事故段节制闸同步、异步起调

根据事故段节制闸同步、异步起调方案下上游闸后与下游闸前水位，将3种方案的基本水力参数统计后如表9所示。

同步控制节制闸时，事故段控制时间较短，水位降落速度较小，但是闸前水位壅高较大，且水体稳定时间较长；异步关闸可削减闸前水位壅高，缩短事故段水体稳定时间，下游节制闸延迟20 min起调，闸前壅高相较于同步起调削减了0.87 m，稳定时间缩短了110 min，但是事故段控制时间延长，导致上游节制闸闸后水位降幅増大，不适用于要求快速退水或对事故段水体快速控制的调控目标。实际调控情况下，可以根据事故段水体的控制目标选用闸门的同步与异步调控，对于突发水质污染等情况，下游节制闸需要第一时间同步关闭以控制水体；对于轻度工程破坏事件等不需要控制事故段水体的情况，下游节制闸可以选择异步延迟关闭，但滞后时间过长会导致上游闸后水位降幅过大，滞后时间可在0～20 min之间。

表9 闸门异步调控下渠道水力响应特征

3.2.3 事故段节制闸调控速率

根据事故段节制闸不同调控速率下上游闸后与下游闸前水位统计各方案水力响应特征参数如表10所示。

表10 不同节制闸调控速率下渠道水力响应特征

根据不同的节制闸关闭速率对事故段控制结果，可以看出节制闸关闭速率对事故段节制闸前水位壅高以及渠池水体的稳定时间有较明显的影响，事故段的节制闸前最大水位壅高随闸门关闭速率的增大而增大，最大壅高出现的时间随关闭速率的增大而提前，且这个关系并非线性增长，而是短时间内关闭造成的闸前壅高更大，随节制闸关闭时间的增加，闸门关闭速率对闸前水位壅高值的影响有逐渐减小的趋势，因此存在一个合适闸门速率中位值可以在壅高水位限制和事故段控制限制间获得最大的调控收益。合适闸门关闭速率需要在满足事故段控制时间的同时不造成闸前水位超高。