南水北調中線工程分水口敏感性研究

吳怡 鄭和震 雷曉輝 王澈

摘要：南水北調中線工程按閘前常水位方式運行，分水口（退水閘）流量變化會引起渠道水位的波動，工程正常運行要求渠道水位下降速率不超過0.15m/h。為了滿足這一要求，構建南水北調中線工程一維水力學模型，分析分水口（退水閘）流量變化引起的渠池下節制閘閘前水位的變化過程，進而確定其敏感性。結果表明：同一渠池、同一工況下，不同分水口的敏感性不同；渠道流量越大，分水口的敏感性越小。但是不同渠道流量下的分水口敏感性差異極小，在實際運行中可忽略其影響，用不同渠道流量下的敏感性平均值來最終表征敏感性。

關鍵詞：分水口；敏感性；流量變化；渠道水位；南水北調中線工程

中圖分類號：TV122+.5

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.026

南水北調中線T程總干渠全長1432km，沿線設置64座節制閘、97座分水口和54座退水閘。節制閘是實現渠道運行控制的主要設施，將長距離輸水渠道劃分為多個渠段，實現對渠道水位和流量的控制；分水口是滿足沿線取水需求的主要設施；退水閘是為應對應急工況將渠道水體排出渠道的設施。在實際運行中，通過節制閘的調節控制，將沿線各處需求的水量送達分水口門。輸水調度過程中，為保證渠道襯砌不被破壞，工程正常運行要求渠道水位下降速率不能超過0.15m/h和0.30m/d。

20世紀50年代末，國外就提出灌溉系數敏感性分析的研究方法。D.Rrenault等對灌溉渠系的敏感性進行了一系列的分析研究，分析了取水口門流量對渠道水位變化以及操作行為改變的敏感性。文獻指出，退水閘和分水口閘門結構類似，出流流量變化會引起渠道水位的波動，這一影響可用敏感性來表征，并分析了分水口流量變化速率、分水變量占渠段流量比例和分水口流量變化幅度這3個參數對敏感性的影響，結果表明敏感性僅由分水口流量變化幅度決定。但是，上述文獻的敏感性分析是針對分水口（退水閘）流量變化后，分析分水口（退水閘）斷面水位在最初1h內的變化速率。而南水北調中線干線T程以閘前常水位的方式運行，實際調度過程更關注節制閘閘前水位，并且渠道中的水尺當前僅立在節制閘閘前閘后，分水口（退水閘）處沒有水位測量，已有研究成果不能完全滿足工程實際運行調度管理的需求。

因此，本文構建南水北調中線干線工程一維非恒定流水力學仿真模型，分析分水口流量變化對渠池下節制閘閘前水位的影響，為工程實際運行調度管理提供技術支持。

1數學模型

針對南水北調中線工程特點，構建一維非恒定流水力學仿真模型，對節制閘、分水口、退水閘、渠道等內部構筑物進行概化處理，并與圣維南方程組進行耦合。同時采用穩定性好、計算精度高的Preissmann四點時空偏心格式對方程組進行離散，用高效率的計算方法——雙掃描法求解。

總干渠輸水線路非恒定流計算采用一維圣維南方程組，由連續性方程和動量方程組成：式中：A、Q為斷面面積和流量；x、t為空間和時間坐標；q為單位長度渠道上的側向人流流量；a為動量修正系數；Z為水位；g為重力加速度；Sf為水力坡度；S0為渠道底坡坡度。式中：K為流量模數。

節制閘為弧形閘門，其流態可分為堰流和閘孔出

流。判斷標準為式中：e為閘門開度；H0為包括行進流速在內的閘（堰）前水頭。

堰流公式為

2敏感性分析

為分析分水口（退水閘）流量變化對所在渠段下節制閘閘前水位的影響，選取中線T程前3個渠池的分水口、退水閘為研究對象（表1），以第1個渠池（陶岔渠首閘一刁河節制閘）的肖樓分水口為例，介紹敏感性指標求解過程。

由于文獻已證明敏感性僅與分水口流量變化幅度相關，因此僅分析分水口流量變化幅度這一參數。渠池初始狀態假設為3種狀態——節制閘閘前水位為設計水位，渠池流量分別為設計流量的30%、50%和70%；模型計算步長為600s；假設各種流量變化均在600s完成。刁河節制閘閘前水位在最初1h的變化情況見表2。由表2可知，同一工況下，即使肖樓分水口分水流量變化的初值和末值不同，只要變化幅度相同，刁河節制閘水位變化就相同，分析結果見表3。

對表3數據整理后進行曲線擬合，得到分水口流量變化幅度與閘前水位變化速率關系曲線，見圖1。式中：y為閘前水位變化速率；x為分水口流量的變化幅度。

文獻中渠道敏感性指標公式為式中：S為基于閘前水位的敏感性指標；△H為最初1h的閘前水位變化速率；△Q為分水口流量的變化幅度。

因此，敏感性指標為分水口流量變化幅度與閘前水位變化速率關系曲線的斜率。由此可確定渠段流量為設計流量的30%、50%和70%情況下的敏感性指標分別為0.0031、0.0027和0.0022。而由閘前水位下降速率平均值求出的敏感性為0.0027，因為各分水流量變化幅度下閘前水位下降速率的標準差極小，因此0.0027即為肖樓分水口的敏感性指標。

采用上述方法，可分別求出刁河退水閘、望城崗分水口、湍河退水閘、彭家分水口、嚴陵河退水閘在3種工況下的敏感性指標，進而由平均值可確定其敏感性指標，計算結果見表4。通過敏感性指標可知，為滿足渠道水位下降速率不超過0.15m/h的要求，肖樓分水口、刁河退水閘、望城崗分水口、湍河退水閘、彭家分水口、嚴陵河退水閘的流量變化幅度（AQ=0.15/5）分別不應超過55.6、51.7、78.9、46.9、46.9、45.5m^3/s。

由表4可見，同一工況下，敏感性關系為肖樓分水口<刁河退水閘，望城崗分水口<湍河退水閘，彭家分水口<嚴陵河退水閘，因此同一渠池、同一工況下，不同的分水口（退水閘）的敏感性不同，越靠近下節制閘敏感性指標越大。肖樓分水口、刁河退水閘、望城崗分水口、湍河退水閘、彭家分水口和嚴陵河退水閘在渠池流量占設計流量的30%、50%和70%的條件下，敏感性遞減，因此渠道流量越大，分水口（退水閘）的敏感性指標越小，但是差異極小。

通過分析可知，敏感性指標是分水口流量變幅和渠池流量變化這兩個影響因素共同作用的結果。但是同一工況下，分水口流量變幅引起的閘前水位變化比渠道流量變化更為敏感，即分水口流量變幅是影響渠道水位的主要因素。尤其對于南水北調中線工程渠道而言，同一工況下，不同渠道流量對閘前水位變化的影響僅為毫米級，在實際運行中可忽略其影響。因此，分水口（退水閘）的敏感性可以用其在不同渠池流量下的敏感性指標的平均值來表征。

3結語

本文構建了南水北調中線工程的一維非恒定流數值模擬模型，研究了節制閘閘前水位變化對分水口（退水閘）流量變化的敏感性，并應用到前3個渠池的分水口和退水閘進行分析。結果表明：同一渠池中，在同一工況下，不同的分水口（退水閘）的敏感性不同；渠道流量越大，分水口（退水閘）的敏感性越小，但差異極小。分水口流量變化幅度是敏感性的主導因素，渠道流量對敏感性的影響極小，可用不同渠道流量下的敏感性平均值來最終表征敏感性，進而可計算分水口流量變幅的閾值。