基于SWMM的節制閘影響研究

李 晨，姜新佩

(河北工程大學 水電學院，河北 邯鄲 056038)

南水北調中線工程是一個特大型跨流域調水工程，從丹江口水庫引水，沿唐白河平原及黃淮海平原西部跨江、淮、黃、海四大流域，自流輸水到北京、天津、輸水線路全長約1 432 km，總干渠以明渠輸水為主，北京、天津段采用涵管輸水?？偢汕斔?1個節制閘控制,沿線布置有分水口門90個,退水閘51個。主要供水目標為京、津、華北地區，供水范圍分屬京、津、冀、豫、鄂5省市[1]。

中線調水工程調水量沿線變化不均勻，自然狀態下的水流無法滿足輸水要求。無論渠道流量大或小，都保持渠道水位在一定的范圍內，也只能通過節制閘來實現。節制閘是實現渠道系統控制的重要建筑物。為了實現對渠道水位和流量的調控，渠道系統中必須設足夠多的節制閘，節制閘使渠道保持較高水位，有利于保護渠道襯砌安全[2]，本文對閘門啟閉時間和節制閘的不同開度引起的水位波動的影響進行了研究，采用SWMM模型模擬，給出不同閘門開度變幅下對水位變動的影響。

1 數學模型

SWMM[3](Storm Water Management Model)是一個動態的降水-徑流模型，可以對研究區域輸入的數據進行編輯、模擬水文、水力和水質情況。其水力學模塊除了能模擬自然河道中的水流，還可以模擬各種形狀的封閉管道和明渠管道中的水流。

SWMM模型中水力學模塊中描述非恒定流的基本控制方程為圣維南方程組，由動量方程和運動方程構成。

(1)

(2)

SWMM模型通過結點把管道或渠段連接在一起進行水力求解分析，結點處水頭求解表達式為

(3)

式中Astore—節點表面積；ΣAs—連接節點的管段中水的表面積；ΣQ—節點的入流總和。

SWMM模型求解方程(1)(2)(3)把他們轉換成顯示的有限差分公式集，由已知t時刻的值來計算t+Δt時刻管段流量和節點水深。流量公式如下

(4)

水頭計算公式為

(5)

式中△Vol-通過結點的凈流量體積；ΔVol=0.5[(ΣQ)t+(ΣQ)t+Δt]Δt。

SWMM模型對方程(4)(5)采用歐拉修正算法求解，方程(4)用時刻t的值求解下一時間步長t+△t的渠段流量，同理方程(5)求解結點水頭值。

2 算例及結果分析

假設渠道首尾水位恒定，其中任一渠段的閘門開度改變時，渠道將從恒定流轉變為非恒定流。渠道的非恒定流特性用圣維南方程組描述。

取簡單模型，每個渠段類似小水庫，選取其中某一渠段，渠段首尾設有節制閘進行調節，如圖1，渠段長度25 000 m，橫截面為梯形，底寬b為7 m，邊坡系數m=20，縱坡i=1/25 000，糙率n=0.015。初始條件為閘門調節前初始狀態計算節點處流量和水位的初始值?？筛鶕跏剂髁考八鳁l件，通過恒定流水面線計算得出。渠中為均勻流時，上游閘門開度為2.5 m。不同工況采取不同閘門調控，計算各斷面在瞬變過程中各時刻的水深、流量等水力參數。

本次計算模擬工況為閘前正常水位運行方式[4]下研究閘門調節速度和閘門開度變幅，研究了9種計算工況如表1，表1中閘門開度變化幅度正為增加，反之減小。工況1、工況4、工況7模擬結果如圖2和圖3。

表1 節制閘開度變化模擬工況

圖2是閘后水位變化過程線，圖3是閘下流量過程線。由上圖可知:閘門開度增大或減小，閘門調節完后，閘后水位和閘下出流量過程線有明顯的轉折點；轉折點以后的曲線形態都有所改變，或者按原來趨勢變化，或者按相反趨勢變化，因為轉折點前主要是由閘門調節產生的干擾波所引起，閘門調節完以后(即轉折點后)水位及流量的變化主要是由渠道自身調節最終趨于穩定；由三種工況圖對比可得閘門開度變化幅度越大，水位波動影響越明顯，對渠道的襯砌安全也越不利。

閘門的不同調節速度(閘門開度相同)變化規律[5]，如圖4、5。

開始一個時段，閘門調節速度越快，流量和水位變化也越快，此時段之后，各過程線變化幅度取決于閘門開度變化，跟閘門調節速度無關。不同閘門調節速度對水位波動影響符合丁志良研究結果[6]：閘門調節速度越大時，流量及水位的變率也越大，水位也越早出現波動情況，對渠道的襯砌安全也越不利，但是渠道的響應時間會縮短，且最終都能過渡到相同的平衡狀態。

3 結論

1)閘門開度變化幅度越大，閘前水位和閘下流量的變化也越快。

2)不同的閘門調節速度，對渠道的水位波動影響很大，調節速度越大，水位波動也越大，相應渠道的響應時間會縮短。

3)閘門前后水位波動大小主要受閘門開啟速度和閘門開度的影響。但是渠道實際運行調度過程中閘門調節速度和閘門開度要和渠道運行方式相結合，所以實際運行調度中閘門開度要比算例小的多，相應的水深變化也要小的多。

參考文獻：

[1] 水利部長江委員會.南水北調中線工程規劃[R]. 武漢：長江水利委員會，2001.

[2] 周 斌，吳澤宇.調水工程渠道運行控制方案設計[J].人民長江，1999，30 (4):7-9.

[3] ROSSMAN L A. Storm water management model quality assurance report:dynamic wave flow routing[R].EPA, 2006.

[4] 吳澤宇，周 斌.南水北調中線渠道控制計算模型[J]. 人民長江，2000(5): 10-11.

[5] 方神光、吳保生.南水北調中線輸水渠道中節制閘影響研究[J].水利水電技術，2008, 39(2)：32-39.

[6] 丁志良，等.輸水渠道中閘門調節速度與水面線變化研究[J].南水北調與水利科技，2005,3(6):46-50.

[7] 章晉雄，牛爭鳴.南水北調中線水水渠道系統的仿真研究[J].系統仿真學報，2002，12(1)：588-590.