基于水动力模型的石马河水闸联合调度运行管理研究

舒逸秋

(东莞市运河治理中心，广东 东莞 523000)

0 引言

随着流域两岸城镇的高速发展，城市防洪受水文特性和社会经济变化影响产生了新的变化趋势，短历时暴雨产生的洪水往往破坏性更强，给流域两岸造成的损失更大[1-3]。我国城镇水系众多，现已面临多种问题，如洪水灾害、城市内涝等等[4]。因此研究城市防水的课题越来越多，必须加强水闸联合调度管理，提高水生态环境保护和防洪排涝能力因为生态环境，确保城镇人民安全生产生活[5-6]。

目前由于未充分利用石马河上游部分水闸的调蓄能力，石马河流域时常遇到降雨就必须打开河口水闸的局面，对东江水源地依然存在污染的风险[7-8]。因此充分利用石马河流域内现有水利工程作用、建立联合调度方案、发挥工程的最大工程效益显得非常迫切与必要。

本文以石马河水系河流管理现状为背景，按照水闸联合调度运行管理方案的总体思路，针对流域内工程规模小、能力有限等问题，分析水闸联合调度方案内容，建立一个维水动力模型，进行模拟分析，通过多种方案比较，提出联合调度方案，结果表明该方案有效提升水闸联合调度效果，充分利用石马河流域内现有水利工程作用，为类似工程提供技术参考。

1 石马河水系概况

1.1 水系布局

观澜水与雁田水在塘厦镇塘厦水闸下游100 m处汇合后称为石马河。观澜水源头山峦连绵，地势较高，雁田水源头白沙岭较低矮，从长表村入镜，流经雁田、油甘 埔、凤德岭、塘沥墟，至黄洞折向西北，经凤岗、竹塘、竹尾田、凤凰岗至塘厦出口。观澜水与雁田水在塘厦汇合后，往下游沿程有契爷石水，清溪水、官仓水等主要支流汇入，此外还有两条较小的支流——罗坑水及二坑水。这些大小支流均 在石马河右岸。清溪水和铁矢岭河交汇后，下游穿越清溪镇区汇入石马河。二坑水在清溪水出口下游，为大坑水库和三坑水库排洪道汇合后的人工渠道，以三坑水为主，上游建有三坑水库；大坑水为较大支流，上游建有大坑水库，该河流经清溪镇区后于清溪客运站处入石马河。

在旗岭以下的石马河陈屋边处，部分潼湖水由谢岗涌汇入石马河干流。潼湖水是东江一级支流。潼湖东南北三面环山，以淡水河分界，东部和北部与惠州市西湖和东江干流分水，形成一个簸箕型的淤积盆地，潼湖围内有三和、黄沙、陈江、梧村等11条支流汇入潼湖平塘，分别经谢岗涌的陈屋边水闸排出石马河，东岸涌的东岸涌水闸以及建塘反虹涵排出东江和东引运河(图1)。

图1 石马河水系分布图

1.2 河流管理现状

目前，石马河流域还未成立统一全流域的管理机构，流域各部分分属不同地方管理，统一地方内的不同水利工程还属于不同的管理部门。石马河流域管理存在主要以下几个问题：

(1)石马河流域现阶段还是偏重于以工程管理为主，且管理主体多，缺少流域性统一管理；

(2)流域统一管理尚未实施且利益矛盾较为突出。石马河流域不同管理部门涉及的职责不同，且涉及利益往往存在矛盾，造成如今的流域统一管理难度较大；

(3)流域内工程规模小、能力有限，调度管理难度大、约束条件多。

2 水闸联合调度方案制定

此次调度方案编制范围涵盖从石马河雁田水库至石马河调污工程的区间，调度对象重点是东莞市运河治理中心管辖的石马河河口工程、常桥排涝站、旗岭水闸、马滩水闸、塘厦水闸、竹塘水闸共 5个水闸1个排涝站；考虑流域内能起调蓄作用的水利工程设施。

2.1 调度原则

(1)正确处理水利工程群防洪与兴利、局部与整体、汛期与非汛期，单工程与多工程等重大关系。通过水利工程群联合调度，实现流域上下游协调、干支流兼顾，保障流域防洪排涝安全和供水安全，充分发挥工程群的综合效益。

(2)遵循石马河流域、潼湖流域和水源地保护及镇街防洪排涝规划，兼顾石马河下游东江饮用水水源地的水质保护。

(3)联合调度时，应首先确保各工程自身安全，在确保防洪安全的前提下，合理拦蓄调污，确保东江饮用水水源地安全供水。

(4)尽可能降低调度实施难度。在满足调度目标的前提下，尽可能降低水库、闸泵参与数量，降低调度实施难度，提高调度效果，减少人力、物力和财力的投入。

2.2 河道水利复核分析

2.2.1 河道数据采集

深入现场，到石马河流域已建和在建的水利工程实地调研，调查了解已建水利工程的实际运行情况、调度规则及调度权限等，了解工程联合调度实施所必须 的水情测报系统的建设情况，并与工程运行管理单位座谈，探讨工程联合调度的可能性及对制定联合调度方案的建议，从工程措施的角度分析和评判水闸工程联合调度的可实现程度。此次收集的地形资料旗岭断面下游采用广东省水利电力勘 测设计研究院测量的石马河地形资料，旗岭断面以上采用石马河综合整治工程指挥部提供的东莞市石马河流域综合治理工程项目的河道测量数据。

2.2.2 水利计算与分析

1)径流计算

石马河流域径流由降雨产生，流域内无流量测站。石马河及潼湖流域年径流深800～950 mm，径流变差系数 Cv=0.4，降水地区分布大趋势为上游多下游少，径流时空变化特征与降水时空变化基本一致。

2)设计洪水计算

本次设计洪水干流断面不考虑上游中型水库的调蓄作用，各支流 10 a一遇洪水 考虑上游水库的调蓄作用，根据中型水库运行调度规则和多年调度运行情况，各中型水库和清溪湖水库在满足自身水库运行安全的前提下，尽量蓄水到高水位满 足供水需求，当水库遇上大雨量级的洪水时，基本不下泄洪水。

2.2.3 过流能力计算

1)水闸泄流分析

选择石马河河口工程河口水闸、旗岭水闸、马滩水闸、塘厦水闸、竹塘水闸共5个关键调度水闸的水闸处断面进行水位流量分析，计算各水闸不同闸门开度下的过流量，给出水闸孔流、堰流情形下水位、流量对应关系。

对于平底闸，当闸门相对开度时为堰流，水闸过流能力按下式计算：

(1)

(2)

(3)

式中：ε为侧向收缩系数；m为流量系数；n为溢流孔数；b为每孔宽度；ζ0为闸墩系数；ζк为边墩系数；H0为堰上水深。

2)河口截污工程过流能力分析

用于河口截污的箱涵工程是在原有砼箱涵位置的基础上改扩建的一个箱涵。目前，调污箱涵工程已建成运行，按照河口东江水源地保护工程规划设计方案，该工程全部配套工程全部建成发挥效益后河口节制闸闸前最高水位为 6.3 m。

2.2.4 涌量计算

根据外业实测到的河道横断面与河道中心线，结合整治后的各断面情况，建立一维水动力模型计算现状各水闸区间涌容，并与已有涌容资料进行对比。清淤工程实施后，各水闸区间调蓄涌容明显增大。

3 模型建立和方案比选

考虑水闸间洪水传播时滞与河道对洪水的坦化作用影响较大，模型在一维水动力模型的基础上开展。同时，为了寻求石马河干流各水闸的合理调度方式，对水闸调蓄过程进行不断试算和寻优，得到合适的水闸起控水位与控泄流量。

3.1 调度模型建立

3.1.1 调度对象概化

本次方案主要考虑小量级短历时洪水，流域其他区域来水主要通过竹塘、塘 厦、马滩、旗岭、河口水闸进行调控，调度对象概化图见图2所示。

图2 一维模型概化图

3.1.2 一维水动力模型

本项目选用一维水动力学模块计算石马河干流洪水流量过程，根据计算结果进行洪水动态演进过程的模拟及干流主要水利工程调度结果分析。

一维水动力计算模型是基于垂向积分的物质和动量守恒方差，即一维非恒定流圣维南方程组来模拟河流或河口的水流状态。一维非恒定流Saint-Venant 方程组：

(4)

(5)

式中：X为距离坐标(m)，t为时间坐标(s)，A为过水断面面积(m2)，Q为流量(m3/s)，C为谢才系数，R为水力半径(m)，g为重力加速度(m/s)。

3.1.3 模型验证

本次模型验证方式如下：选取以往调研资料的水位流量关系、水面线资料等进行比对，以及对主要断面的不同频率下洪水过程的模拟结果进行综合分析， 分析其水位流量、各水闸间的传播时间、洪峰过程等是否合理。

经计算，洪水敞泄情况下，石马河流域分别遇到 2 a一遇洪水、5 a一遇洪水时各水闸间的传播时间见表1。由表可知区间时滞根据洪水等级不同有所变化。因此，对计算的各等级降雨产生洪水对应的区间时滞在计算中根据水动力模型实际计算时间确定。

表1 洪水闸间传播时间

3.2 联合调度方案比选

3.2.1 调度方案设计

根据现有调度规则，拟制定四种方案：

(1)方案一：当洪水来临时遵循上游先蓄的总体原则，先进行逐级水闸拦蓄洪水，在河口节制闸水位临近4.20 m时，遵循下游先放原则由下游至上游逐级开闸宣泄。因此，首先设计逐级拦蓄洪水方案，对任何一场降雨，流域开始产流时逐级下闸蓄水，当各水闸水位即将上升到调蓄控制水位时开闸放水， 随后通过调整水闸开度和开孔数量维持水位保持在调蓄控制水位，以充分发挥河道涌容。

(2)方案二：找出不同量级降雨形成的洪水过程的洪峰，在洪峰到达之前各闸敞泄，腾出库容关闸拦蓄峰值，当各水闸水位即将到达调蓄控制水位时开闸放水，寻找在潮位上涨和东深供水需要河口关闸的时候及时拦蓄。

(3)方案三：对各个量级洪水进行逐级削峰，找到各水闸下闸控制下泄的水位值和控泄流量值，在洪峰到来时部分拦蓄洪水，以使到达河口节制闸洪水过程较为平缓，尽 可能从小海河宣泄。削峰模型可概化为逐级水闸下泄流量均方差最小，利用各水 闸下泄流量的离散程度衡量削峰效果

(4)方案四：对于某些量级较大的洪水，方案一在产流初期拦蓄，往往导 致河道涌容提前被占用，因此在产流初期，按小海河过流能力先泄放，对超出过 流能力的洪水进行拦蓄。而由于洪水量级大，经方案三逐级削峰，易导致河口开闸时间延长，因此只发挥河道涌容拦蓄能力，不进行削峰。方案四目标与方案一保持一致，增加起调约束为大于小海河过流能力。

四种方案对应水闸闸前来水和闸后下泄如图3示意。

图3 调度方案设计示意图

3.2.2 计算结果分析

针对石马河流域干支流洪水之间的组合，分别对 2 a一遇、5 a一遇设计洪 水和短历时洪水进行调算。

石马河流域常遇雨强，计算了在1h内降雨 10～50 mm、24 h内降雨60～140 mm 的调度结果。考虑石马河流域同频遭遇情况占大多数，主要列出同频遭遇的结果，且重点分析河口节制闸是否需要开闸的临界情况。

根据各方案模拟结果对比分析可得：石马河各支流遇到同频来水时，石马河流域遇到 2 a一遇以下标准洪水且潼湖围不发生暴雨情况下，可以抵御。各降雨强度下方案 4 河口节制闸开闸时长均有减小，方案 3 开闸时长有所延长，但削峰效果明显。

根据各方案综合比选，推荐方案 3、4 作为水闸运行调度推荐方案。对于河口节制闸开闸临界以上的洪水，推荐方案 4 在初雨时拦蓄污水，尽量使洪水集中 宣泄，减少河口节制闸开闸时长；对于河口节制闸开闸临界以下的洪水，推荐方案 3 削峰使洪水尽量从东引运河平缓宣泄。

3.3 推荐联合调度方案影响分析

3.3.1 防洪影响分析

本次调度方案是在现有调度规程的基础上的进一步优化，没有违背现有水闸、 泵站及水库的现有调度规程，同时此次调度方案没有改变现有调蓄控制水位，对河道两岸防洪排涝影响较小，会缩短沿岸排涝泵站自排时间而增大抽排时间，增加一定的耗电量。

3.3.2 排污影响分析

对于小于河口节制闸开闸临界的洪水，将洪峰滞留在河道内，使经削峰后的洪水由小海河平缓 排入东引运河，使河口节制闸维持常闭，减少对取用水的影响。

3.3.3 流域水环境影响分析

在枯水期，本方案对水污染监测无影响。当预报降雨在本方案考虑范围内，或汛期时，由于水闸设计为从底部抽起，水闸的突然启闭对水闸下游底泥搅动影响较大。

4 结语

(1)本文以石马河水系河流管理现状为背景，按照水闸联合调度运行管理方案的总体思路，针对流域内工程规模小、能力有限等问题，分析水闸联合调度方案内容，建立一个维水动力模型,进行模拟分析，通过多种方案比较，提出联合调度方案，结果表明该方案有效提升水闸联合调度效果，充分利用石马河流域内现有水利工程作用，为类似工程提供技术参考。

(2)本方案实在特定的洪水过程情况下总结说来的理论方案，但是实际运行中， 流域降雨过程比较随机，产生的洪水过程不尽相同，导致洪水调度控制条件有所差异，模型计算成果和实际调度操作仍有一个复核修正过程，建议在方案落实过程中注意总结实践经验，由实际运行数据不断反馈和完善调度方案。