宋高揚(yáng)，黃日軍

（東臺市水利建設(shè)有限公司，江蘇 鹽城 224200）

基于水動力模型的閘站特征水位分析

宋高揚(yáng)，黃日軍

（東臺市水利建設(shè)有限公司，江蘇 鹽城 224200）

本文提出了基于水動力模型的閘站特征水位分析方法，與實(shí)測值的比較結(jié)果證明水動力學(xué)模型可以準(zhǔn)確預(yù)測出研究區(qū)域的水位變化情況。應(yīng)用該方法預(yù)測未來30年內(nèi)的水位變化動態(tài)過程，從而可推算出閘站長期動態(tài)特征水位，為該閘站的管理運(yùn)行及升級改造提供科學(xué)依據(jù)并為閘站特征水位的分析方法研究提供參考。

水動力模型；閘站；特征水位；預(yù)測

閘站特征水位主要包括閘站設(shè)計水位、最高運(yùn)行水位、最低運(yùn)行水位以及平均水位，它們是閘站設(shè)計施工的基礎(chǔ)資料、維修維護(hù)的重要參考、安全監(jiān)測的關(guān)鍵指標(biāo)，也是灌溉排水的主要依據(jù)，因此其合理選值具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，閘站特性水位的選值主要基于歷史水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，再參考《泵站設(shè)計規(guī)范》（GBT50265-97）等手冊中的規(guī)定來完成。這種方法應(yīng)用廣泛且在我國的閘站建設(shè)與管理中發(fā)揮了重要的指導(dǎo)作用，但它在兩方面存在嚴(yán)重不足，具有極大的改進(jìn)空間。首先，影響閘站運(yùn)行的是未來的水位，但目前的閘站建設(shè)與管理都是基于歷史水位數(shù)據(jù)，這在氣候變化條件下可能出現(xiàn)運(yùn)行與安全問題；其次，閘站的取水排水等操作可影響河流特性，但目前的分析都是基于閘站建設(shè)之前的河流特性，這沒有考慮閘站建設(shè)以及灌溉排水等人類活動對河流的影響，因此精細(xì)化管理程度不高。

針對以上兩點(diǎn)不足，本文提出基于水動力模型的閘站特征水位分析。選擇江蘇省東臺市串場河南閘站為案例，于已建成閘站的串場河側(cè)和引江河側(cè)進(jìn)行水位監(jiān)測，得到兩區(qū)域的水位變化時間序列；利用Delft3D軟件對閘站所在區(qū)域水流進(jìn)行模擬，并將計算水位與實(shí)測水位進(jìn)行比較，證明基于水動力模型進(jìn)行閘站特征水位分析的可行性；采用降尺度法及大氣環(huán)流模型結(jié)果得到該地區(qū)氣候變化情況，并預(yù)測未來30年研究區(qū)域內(nèi)的水位變化及需水量變化情況，從而推算出閘站長期動態(tài)特征水位。為該閘站的管理運(yùn)行及升級改造提供科學(xué)依據(jù)并為閘站特征水位的分析方法研究提供參考。

1 水動力模型與驗(yàn)證

研究閘站為串場河南閘站，位于江蘇省東臺市，處于引江河入口處串場河，為III等中型灌排閘站。設(shè)計引、排水流量10m3/s。主要結(jié)構(gòu)形式為：設(shè)抽排孔4孔，自排孔1孔；抽排孔兩兩布置在自排孔兩側(cè)，孔口凈寬3.0m，每孔設(shè)900ZLB-125型雙向立式軸流泵一臺，共計4臺，葉片安放角度為 0°，配套 YSL5002-12型電機(jī)，電機(jī)功率155kW，總裝機(jī)功率620kW；抽排孔每孔設(shè)潛孔式平面直升鋼閘門兩扇，采用SGCD12×50KN-12.0m電動葫蘆平水啟閉；自排孔孔口凈寬6.0m，采用雙扉式平面鋼閘門；主廠房內(nèi)設(shè)10t電動單梁橋式起重機(jī)一臺。

水動力模型選用由荷蘭Deltares水力學(xué)研究所開發(fā)的Delft3D軟件，該軟件基于完整的Navier-Stokes方程，包含水動力、泥沙輸移、水質(zhì)、化學(xué)以及生態(tài)環(huán)境等模塊。Delft3D軟件相較于實(shí)驗(yàn)法及測量法成本較低、速度較快，因此在河流的水位預(yù)測中應(yīng)用十分廣泛。該軟件的原理及控制方程可參見其用戶手冊。其邊界條件、初始條件、以及模型建立主要采用左書華的確定方法，但參數(shù)選擇方式完全不同。首先使用經(jīng)驗(yàn)值，其中河床糙率取為0.02，渦粘系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)取為100m2/s；采用這些經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行模擬并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較，從而對這些參數(shù)進(jìn)行修正，從而提高預(yù)測精確度；最終的河床糙率確定為0.045，渦粘系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)為1000m2/s。于2015年4、5、6三個月進(jìn)行引水工況下實(shí)地水位監(jiān)測，主要水位信息采集儀器選用量程范圍為0～5m的氣泡式水位計，監(jiān)測點(diǎn)分別位于串場河側(cè)和引江河側(cè)，共測得91d的平均水位。將測量及模擬數(shù)據(jù)測量序列由小到大排序，并進(jìn)行比較，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 實(shí)測水位與模擬水位比較

串場河側(cè)測量點(diǎn)位于圩內(nèi)側(cè)，由圖1可知其水位范圍大約介于1.3～1.8m之間，引江河側(cè)測量點(diǎn)位于圩外側(cè)，因此其水位相對較低，介于 0.5～1.2m之間。圖中大多散點(diǎn)比較接近等值線，說明所用模型結(jié)果較為精確。為確定模型的精確水平，繪制10%誤差水平線，結(jié)果表明所有散點(diǎn)都在該線與等值線所表示的范圍之內(nèi)，說明模型的精確度為10%。計算兩組數(shù)據(jù)的均方根差（RMSD）值，結(jié)果表明串場河側(cè)的水位預(yù)測誤差約為0.094m，而引江河側(cè)的誤差約為0.050m，該值均較小，說明模擬結(jié)果滿足工程實(shí)際需要，可以用于該閘站水位分析之中。但以上所得水位為目前狀況，為預(yù)測未來的水位需要考慮氣候變化及人類活動的影響。

2 閘站特征水位

為獲得氣候變化條件下動態(tài)的閘站特征水位值，首先對研究區(qū)域內(nèi)的氣候變化情況進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測主要基于大氣環(huán)流模式結(jié)果，即CMIP5數(shù)據(jù)，利用Quantile-Quantile降尺度法結(jié)合東臺市氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測出研究區(qū)域內(nèi)各氣候變化要素2016～2045年這30年間的變化情況，其結(jié)果如圖2所示。圖中橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示無量鋼化的參數(shù)值，其初始值為1，即表示當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)前狀態(tài)下該地區(qū)的蒸發(fā)量為1447.8mm、日照百分率為46.7%、平均風(fēng)速為2.3m/s、平均氣溫為14.4° C、平均降水量為726.8mm。虛線為趨勢線，代表蒸發(fā)量、日照百分率、以及平均風(fēng)速的趨勢線傾向率皆負(fù)值，因此呈下降趨勢為當(dāng)前值的 0.977、0.916和0.522；而氣溫和降雨呈上升趨勢，30年后的因子值分別為當(dāng)前值的1.021和1.489。

圖2 氣象因子時間序列預(yù)測值

圖3 水位變化預(yù)測值時間序列

將以上數(shù)據(jù)作為變化上邊界條件驅(qū)動水動力模型，得到不同工況下研究區(qū)域各年份的水位動態(tài)變化情況。圖3為閘站研究區(qū)域內(nèi)的逐年水位動態(tài)變化情況，圖中橫坐標(biāo)表示年份，縱坐標(biāo)表示無量綱化的水位，而虛線為趨勢線。目前在排澇工況下串場河側(cè)的平均水位為 1.80m，而引江河側(cè)的為3.50m；在引水工況下串場河側(cè)的平均水位為1.55m，而引江河側(cè)的為1.00m。各種工況下各處水位皆呈上升趨勢，該現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是降雨量的增加和蒸發(fā)量的減少。研究區(qū)域內(nèi)的長期水位變化主要由氣象條件以及水文水循環(huán)因素影響，而工況的影響可忽略不計，為量化水位的變化情況，對兩側(cè)的水位變化序列進(jìn)行線性擬合，得到串場河側(cè)和引江河側(cè)的平均水位與年份的關(guān)系方程分別為：和。因此在以后的閘站管理運(yùn)行及升級改造中，可通過此方法對各特征水位進(jìn)行修正，例如各工況條件下各年份的設(shè)計水位修正值如表1所示。

表1 設(shè)計水位修正值

綜上分析，受大氣變化影響，閘站所在位置的長期水位變化狀態(tài)呈上升趨勢，因此基于目前靜態(tài)水位的分析將使預(yù)測結(jié)果偏低，這在防洪與排水管理中存在一定的安全風(fēng)險，而在引水工況下又存在水資源低效配置的問題?；谒畡恿δＰ偷拈l站特征水位分析法可以做到具體問題具體分析、在不較大幅度增加分析成本的情況下極大地提高預(yù)測精度，從而保證閘站的運(yùn)行安全及水資源的高效利用。

3 結(jié)論

本文提出了基于水動力模型的閘站特征水位分析方法，結(jié)果表明該模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測出研究區(qū)域的水位變化情況；在未來30年內(nèi)，研究區(qū)域內(nèi)的蒸發(fā)量、光照以及風(fēng)速皆呈下降趨勢，而氣溫和降雨呈上升趨勢；在所預(yù)側(cè)的大氣變化條件下，該閘站所在河流的水位呈上升趨勢，因此以靜態(tài)水位為依據(jù)的防洪及維護(hù)管理存在較大的災(zāi)害危險以及水資源浪費(fèi)問題；提出串場河側(cè)和引江河側(cè)的特征水位與年份的關(guān)系方程，分別為和，為該閘站的管理運(yùn)行及升級改造提供科學(xué)依據(jù)并為閘站特征水位的分析方法研究提供參考。

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1672-2469（2017）02-0035-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.013

2016-06-13

宋高揚(yáng)（1982年—），男，工程師。