水库水闸运行和水位管理规则曲线的开发

阮 师

(汕尾市规划编制研究中心，广东 汕尾 516600)

1 试验区概况

东湖水库位于广东省阳江市阳东区那龙镇东南部那龙河上游，距325国道4.5 km，水库集雨面积51.148 km2，坝址以上干流河长13.3 km，干流平均比降0.0036，是一座以灌溉、防洪为主，兼发电、供水、养殖及旅游业等综合利用的大型水库。水库枢纽由主坝、5座副坝、溢洪道、输水涵洞、坝后电站及输水涵管等建筑物组成[1-4]。

2 研究方法

2.1 出流量计算

东湖水库控制结构由四个连续的平坦金属闸门组成，高度均为1.60 m，位于箱涵的上游侧。第一和第二闸门的宽度分别为100 m和200 m，顶部高度为849 m和70 m。第三和第四闸门的宽度均为300 m，顶部标高850 m和10 m。整个工程的平面图和沿水流的三个横截面如图1所示。出流量是水库高度和闸门尺寸及开口的函数。根据闸门开度的不同，可能出现两种不同的流态，即全开闸门的自由溢流和部分开闸门的孔口流动[5]。

图1 水闸沿流动方向的平面及断面示意图

2.1.1 闸门1和闸门2的自由出流计算

从水库中通过具有陡坡的矩形渠道的自由溢流量计算如式(1)，式(1)是用于计算堰上流量的标准公式[6-9]。

Q=CbH3/2

(1)

式中：Q为溢流流量，m3/s；C为经验系数，取1.705(理论分析证明C=g1/2×(2/3)3/2)；b为渠宽，m；H为压力水头，m。

系数C的取值1.705是通过理论计算得到的，但在每次实际工作中，要么通过实验室试验确定，要么通过现场测量确定。在所考虑的情况下，由于缺乏实际测量，用圆柱形堰表示认为结构是令人满意，在流动的底部上方有零上升。对于闸门1和闸门2，系数C取值为1.675 。

2.1.2 闸门3和闸门4自由出流计算

水闸3和水闸4是完全打开或关闭的。由于上游侧的矩形混凝土梁(0.4 m×0.4 m)无法进行水力论证，因此，流量对应于宽顶堰上方的溢流。在系数C的众多取值中，其中四个在图2中示出。本研究使用了最合适的建议值4。

图2 四个不同的溢流系数建议值

2.2 孔口流量

当闸门部分开启时，流量可通过式(2)、式(3)进行计算[9]。

(2)

(3)

式中：Cd为溢流系数，当1.5

对于东湖水库中的闸门3和闸门4，式(2)和式(3)给出了相似的结果，且计算结果的差异不超过3%。本文采用式(2)进行计算，取值为Cd=0.60和CC=0.625。

2.3 规则曲线的开发步骤

建立规则曲线的步骤如下：

(1)根据闸门位置利用式(1)或式(2)计算溢流流量Q。(2)计算某一时间步长dt(V=Q·dt)的处理体积V。(3)利用水库面积/体积函数计算水位下降。

3 结果和讨论

规则曲线已广泛应用于水库管理中，主要用于支持闸门运行的实时决策。本文基于东湖水库的情况，为每个闸门建立了规则曲线。在规则曲线遵循的程序中，最初的固有假设是水库处于稳定状态。此外，如果水位趋势已知且在一定时间内恒定，也可以使用建立的规则曲线。在这种情况下，水位下降被修改以说明水位趋势变化。图3给出了闸门1完全打开和部分开启对水库水位的影响。图4中给出了每个单独闸门以及由于每个闸门的影响叠加产生的五种组合对水库水位的影响。结果表明，在已知水位高度和闸门位置的情况下规则曲线可以快速可靠地计算水位下降。

图3 东湖水库1 m宽闸门1规则曲线

图4 东湖水库四个闸门的规则曲线

规则曲线在2005年春季和2006年春季的两次水位管理模拟中被使用。6个不同的操作者使用了记录的水位数据和开发的规则曲线。每个操作员的目标是在整个模拟周期内将水库高度保持最接近水平目标(设置为+850，57 m)。如果在整个模拟期间所有闸门都关闭的话，为了运行模拟则将记录的水位时间序列转换为水位时间序列。这提供了系统在整个模拟期间的自然趋势。应用过程可概括如下：

(1)操作员在时间步长i时，通过规则曲线按照闸门操作方案对闸门进行操作并测量水位的时间变化序列。目的是为了使时间步长i+1的水位尽可能接近水位目标。除了时间步长i的水位之外，水位趋势(时间步长i和步长i+1之间的水位变化)也非常重要，因为它提供了时间步长i+1的预期水位的估计值。

(2)在时间步长i的每个操作都会影响在时间步长i+1的模拟水位，该水位是在考虑了操作和转换后的数据记录进行计算的。从2005年3月28日—2005年5月13日以及从2006年2月27日—2006年6月14日的模拟期间，所有六个操作员获得的结果都令人满意，如图5和图6所示。值得一提的是，操作员没有以前的经验，只接受了使用规则曲线的简短培训，并且每个操作都在5 min内做出。这说明规则曲线具有很好的适用性。

图5 基于规则曲线的2005年春季水库水位模拟示意图

图6 基于规则曲线的2006年春季水库水位模拟示意图

4 结 论

开发的规则曲线可以快速可靠地估计各种闸门操作方案对水库水位的影响。规则曲线的使用既不需要特定的知识，也不需要特定的培训，并且可以在很短的时间内估算任何闸门操作或操作组合对水库水位的影响，从而成功地实时决定闸门的操作。规则曲线的使用与在一定时间内设定的特定目标水平无关。图表与流出量计算的准确性和水库的面积-体积函数有关。在水位上升或下降期间使用规则曲线也很简单，因为，它只需要抽象或添加预测的水位变化而不需要闸门操作。未来的工作将集中于对上述所有过程和程序进行编程，以便可以自动选择最佳操作。