基于水动力模型的闸站特征水位分析

宋高扬，黄日军

（东台市水利建设有限公司，江苏 盐城 224200）

基于水动力模型的闸站特征水位分析

宋高扬，黄日军

（东台市水利建设有限公司，江苏 盐城 224200）

本文提出了基于水动力模型的闸站特征水位分析方法，与实测值的比较结果证明水动力学模型可以准确预测出研究区域的水位变化情况。应用该方法预测未来30年内的水位变化动态过程，从而可推算出闸站长期动态特征水位，为该闸站的管理运行及升级改造提供科学依据并为闸站特征水位的分析方法研究提供参考。

水动力模型；闸站；特征水位；预测

闸站特征水位主要包括闸站设计水位、最高运行水位、最低运行水位以及平均水位，它们是闸站设计施工的基础资料、维修维护的重要参考、安全监测的关键指标，也是灌溉排水的主要依据，因此其合理选值具有十分重要的现实意义。目前，闸站特性水位的选值主要基于历史水文监测数据，再参考《泵站设计规范》（GBT50265-97）等手册中的规定来完成。这种方法应用广泛且在我国的闸站建设与管理中发挥了重要的指导作用，但它在两方面存在严重不足，具有极大的改进空间。首先，影响闸站运行的是未来的水位，但目前的闸站建设与管理都是基于历史水位数据，这在气候变化条件下可能出现运行与安全问题；其次，闸站的取水排水等操作可影响河流特性，但目前的分析都是基于闸站建设之前的河流特性，这没有考虑闸站建设以及灌溉排水等人类活动对河流的影响，因此精细化管理程度不高。

针对以上两点不足，本文提出基于水动力模型的闸站特征水位分析。选择江苏省东台市串场河南闸站为案例，于已建成闸站的串场河侧和引江河侧进行水位监测，得到两区域的水位变化时间序列；利用Delft3D软件对闸站所在区域水流进行模拟，并将计算水位与实测水位进行比较，证明基于水动力模型进行闸站特征水位分析的可行性；采用降尺度法及大气环流模型结果得到该地区气候变化情况，并预测未来30年研究区域内的水位变化及需水量变化情况，从而推算出闸站长期动态特征水位。为该闸站的管理运行及升级改造提供科学依据并为闸站特征水位的分析方法研究提供参考。

1 水动力模型与验证

研究闸站为串场河南闸站，位于江苏省东台市，处于引江河入口处串场河，为III等中型灌排闸站。设计引、排水流量10m3/s。主要结构形式为：设抽排孔4孔，自排孔1孔；抽排孔两两布置在自排孔两侧，孔口净宽3.0m，每孔设900ZLB-125型双向立式轴流泵一台，共计4台，叶片安放角度为 0°，配套 YSL5002-12型电机，电机功率155kW，总装机功率620kW；抽排孔每孔设潜孔式平面直升钢闸门两扇，采用SGCD12×50KN-12.0m电动葫芦平水启闭；自排孔孔口净宽6.0m，采用双扉式平面钢闸门；主厂房内设10t电动单梁桥式起重机一台。

水动力模型选用由荷兰Deltares水力学研究所开发的Delft3D软件，该软件基于完整的Navier-Stokes方程，包含水动力、泥沙输移、水质、化学以及生态环境等模块。Delft3D软件相较于实验法及测量法成本较低、速度较快，因此在河流的水位预测中应用十分广泛。该软件的原理及控制方程可参见其用户手册。其边界条件、初始条件、以及模型建立主要采用左书华的确定方法，但参数选择方式完全不同。首先使用经验值，其中河床糙率取为0.02，涡粘系数和扩散系数取为100m2/s；采用这些经验值进行模拟并与实测结果进行比较，从而对这些参数进行修正，从而提高预测精确度；最终的河床糙率确定为0.045，涡粘系数和扩散系数为1000m2/s。于2015年4、5、6三个月进行引水工况下实地水位监测，主要水位信息采集仪器选用量程范围为0～5m的气泡式水位计，监测点分别位于串场河侧和引江河侧，共测得91d的平均水位。将测量及模拟数据测量序列由小到大排序，并进行比较，其结果如图1所示。

图1 实测水位与模拟水位比较

串场河侧测量点位于圩内侧，由图1可知其水位范围大约介于1.3～1.8m之间，引江河侧测量点位于圩外侧，因此其水位相对较低，介于 0.5～1.2m之间。图中大多散点比较接近等值线，说明所用模型结果较为精确。为确定模型的精确水平，绘制10%误差水平线，结果表明所有散点都在该线与等值线所表示的范围之内，说明模型的精确度为10%。计算两组数据的均方根差（RMSD）值，结果表明串场河侧的水位预测误差约为0.094m，而引江河侧的误差约为0.050m，该值均较小，说明模拟结果满足工程实际需要，可以用于该闸站水位分析之中。但以上所得水位为目前状况，为预测未来的水位需要考虑气候变化及人类活动的影响。

2 闸站特征水位

为获得气候变化条件下动态的闸站特征水位值，首先对研究区域内的气候变化情况进行预测。预测主要基于大气环流模式结果，即CMIP5数据，利用Quantile-Quantile降尺度法结合东台市气象站监测数据预测出研究区域内各气候变化要素2016～2045年这30年间的变化情况，其结果如图2所示。图中横坐标表示时间，纵坐标表示无量钢化的参数值，其初始值为1，即表示当前状态。当前状态下该地区的蒸发量为1447.8mm、日照百分率为46.7%、平均风速为2.3m/s、平均气温为14.4° C、平均降水量为726.8mm。虚线为趋势线，代表蒸发量、日照百分率、以及平均风速的趋势线倾向率皆负值，因此呈下降趋势为当前值的 0.977、0.916和0.522；而气温和降雨呈上升趋势，30年后的因子值分别为当前值的1.021和1.489。

图2 气象因子时间序列预测值

图3 水位变化预测值时间序列

将以上数据作为变化上边界条件驱动水动力模型，得到不同工况下研究区域各年份的水位动态变化情况。图3为闸站研究区域内的逐年水位动态变化情况，图中横坐标表示年份，纵坐标表示无量纲化的水位，而虚线为趋势线。目前在排涝工况下串场河侧的平均水位为 1.80m，而引江河侧的为3.50m；在引水工况下串场河侧的平均水位为1.55m，而引江河侧的为1.00m。各种工况下各处水位皆呈上升趋势，该现象出现的主要原因是降雨量的增加和蒸发量的减少。研究区域内的长期水位变化主要由气象条件以及水文水循环因素影响，而工况的影响可忽略不计，为量化水位的变化情况，对两侧的水位变化序列进行线性拟合，得到串场河侧和引江河侧的平均水位与年份的关系方程分别为：和。因此在以后的闸站管理运行及升级改造中，可通过此方法对各特征水位进行修正，例如各工况条件下各年份的设计水位修正值如表1所示。

表1 设计水位修正值

综上分析，受大气变化影响，闸站所在位置的长期水位变化状态呈上升趋势，因此基于目前静态水位的分析将使预测结果偏低，这在防洪与排水管理中存在一定的安全风险，而在引水工况下又存在水资源低效配置的问题。基于水动力模型的闸站特征水位分析法可以做到具体问题具体分析、在不较大幅度增加分析成本的情况下极大地提高预测精度，从而保证闸站的运行安全及水资源的高效利用。

3 结论

本文提出了基于水动力模型的闸站特征水位分析方法，结果表明该模型可以准确地预测出研究区域的水位变化情况；在未来30年内，研究区域内的蒸发量、光照以及风速皆呈下降趋势，而气温和降雨呈上升趋势；在所预侧的大气变化条件下，该闸站所在河流的水位呈上升趋势，因此以静态水位为依据的防洪及维护管理存在较大的灾害危险以及水资源浪费问题；提出串场河侧和引江河侧的特征水位与年份的关系方程，分别为和，为该闸站的管理运行及升级改造提供科学依据并为闸站特征水位的分析方法研究提供参考。

［1］蒋小欣，王玲玲，等.特低扬程闸站水力性能研究.水利水电科技进展，2007（05）：10-13.

［2］许晗之.太湖地区沿江闸站特征水位的确定方法［J］.江苏水利，1998（S1）：39-41.

［3］陆银军，周伟，明月敏，丁国莹.基于数值模拟的闸站结合布置优化设计［J］.排灌机械工程学报，2014（11）：963-967.

［4］李萍.大理市洱海特征水位调整分析［J］.人民珠江，2008（02）：46.

［5］左书华.Delft3D在鳌江口外平阳咀海域流场模拟中的应用［J］.水文，2007（06）：55-58.

［6］丁一汇，任国玉，等.气候变化国家评估报告 （I）：中国气候变化的历史和未来趋势［J］.气候变化研究进展，2006（01），3-8.

［7］乔刚.闸站结合在某防洪闸工程中的应用［J］.水利技术监督，2014（03），74-76.

［8］GB/T50265-97.泵站设计规范［S］.

［9］冯双平，王宏俊，唐建华.基于Delft-3D的湖底形态研究——以上海迪士尼中心湖为例［J］.水利规划与设计，2015（07）：29-33.

P333

B

1672-2469（2017）02-0035-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.013

2016-06-13

宋高扬（1982年—），男，工程师。