一、二维耦合数学模型在水闸自动调度中的应用

一、二维耦合数学模型在水闸自动调度中的应用

翟法

上海友为工程设计有限公司上海市200093

摘要：为了研究变化水位条件下水闸的出流条件，本文采用了Mikeflood一、二维耦合模型对新川沙泵闸进行建模并采用一维中的“可控建筑物”模块对泵闸的调度规则进行了设置，针对水闸在不同水位条件下的出流条件进行了分析。结果表明Mikeflood可以较好地应用到流域范围复杂的水资源调度和行洪排涝研究项目中，也可以实现泵闸运行全过程的自动调度。

关键词：一、二维耦合、水闸、自动调度

目前二维水流数值模拟中有关水闸引排水时的流场分析，多采用上、下游均为静水位的工况计算恒定流流场，这种方法在研究感潮河段或沿海地区等闸外水位时刻在变化的水闸时有一定的局限性，较难全面地给出水闸上下游最不利的流态。Mike11一维模型多用于概化河流等不需要考虑局部水流流态的水利工程中，模型中的可控建筑物模块可以实现复杂的泵闸调度规则，Mike21二维模型可以描述复杂地形下的水流流态，但无法实现复杂的水闸调度规则。通过Mikeflood模块，可以将泵闸用一维可控建筑物进行概化，研究工程区域用二维水流模型进行概化，从而构建了能实现复杂调度的二维水流数值模型。

本文拟以新川沙泵闸枢纽工程为例，采用Mikeflood一、二维耦合数学模型，其中一维模型主要用来模拟有复杂调度规则的水闸，二维模型用来模拟水闸上下游的水流流态，研究闸内水位及闸外水位均动态变化的情况下水闸上下游的流场分布，分析新川沙泵闸平面布置的合理性。

1.工程概况

新川沙泵闸作为嘉宝北片沿江重要控制建筑物，也是吴淞江工程重要的排江口门，其主要功能是挡潮、泄洪、排涝和改善水环境。

新川沙河泵闸位于上海市宝山区新川沙河与长江交会口处，泵闸闸址处西岸是陈行水库的东堤，东岸是规划预留港区（临近河道范围现状为绿化带）。泵闸闸址处两岸堤防均为长江一线海塘，长江堤防为一等工程，级别为1级。

新建新川沙河口泵闸工程由一座净宽60m的节制闸和一座150m3/s的双向泵站组成（排涝设计总流量150m3/s，引水设计流量150m3/s）。

图2.1潮位率定图（吴淞高程）

图2.2流速率定图（吴淞高程）

2.模型介绍

2.1模型建立

为分析新川沙泵闸枢纽工程的水流流态和水质影响，采用二维水流模型建立了长江口杭州湾大模型，通过Flathercondition边界为小模型提供有效、真实的边界条件；其次采用了一维和二维耦合模块建立了新川沙泵闸小模型。小模型中根据流速、水位等限制条件建立了一维泵闸联合调度规则，从而可以有针对性地计算并分析工程区域水流流态和流速分布。

2.2模型率定和验证

模型率定采用2009年4月实测资料，模型验证采用2011年8月实测资料，率定和验证结果见图2.1、图2.2。

3.闸门调度方式设置及计算工况选取

模型采用推荐方案“闸在右、泵在左”的布置形式，由于泵、闸不同时开且泵站设计流量较小，故不考虑泵站排涝或引水的工况。水闸调度规则如下：（1）H内≤2.76m且H内<H外，按440m3/s引水；（2）2.76m<H内≤2.86m，关闸；（3）H内>2.86m且H内>H外，按648m3/s流量排水；（4）其余工况，关闸。长江口潮汐在口内为不正规半日潮，计算时间取一天整：从2016年6月20日0点至2016年6月21日0点为止。内河水位和闸外水位分别对应着模型上下游边界的水位，两者随时间变化曲线见图2.3。图2.4和图2.5分别给出了在上述调度规则以及上述水位变化下一天时间内闸门开度的变化过程和过闸流量的变化过程。图2.6、图2.7和图2.8给出了低潮位、涨急和落急时刻工程前和工程后流场图。

图2.3内河上游水位和外海水位随时间变化曲线图

图2.4闸门开度随时间变化曲线图

4.计算结果分析

新川沙出海口西侧为陈行水库，东北侧为卸货码头，距枢纽出口约600m。根据图2.4和图2.5，可以看出采用维、二维耦合模型可以实现在内外河水位变化情况下闸门的自动调度，计算得到的结果符合预设的调度规则。

图2.5过闸流量随时间变化曲线图

(a)工程前(b)工程后

图2.6工程前后低潮位时流场对比图

(a)工程前(b)工程后

图2.7工程前后涨急流场对比图

(a)工程前(b)工程后

图2.8工程前后落急流场对比图

（1）对码头的影响：涨急时刻，由于涨潮流改变了出闸流的流向，位于码头处的流速基本不受影响，最大增幅在0.05m/s左右；落急时刻最大增幅在0.3m/s左右；低潮位时，由于涨落潮流速很小，枢纽出流基本顺直，位于码头处的横向流速最大可达1.0m/s，因此应注意避免在低潮位时进行大流量排水，防止对新川沙出口处码头船舶的泊稳和航行产生不利影响。

（2）对水库的影响：水库紧邻枢纽上游侧，水库东堤转弯段与枢纽新建大堤顺接。涨急时刻，枢纽排水入江流速较大与涨潮流相遇后，偏离水库侧圆弧段大堤，向水库上游侧叠加，水库临江侧堤脚最大流速0.55m/s，未超过不冲流速；落急时刻，枢纽排水入江水流与落潮流相遇后，向码侧叠加，水库临江侧堤脚最大流速为0.70m/s，未超过不冲流速；低潮位时，陈行水库临江侧堤脚最大流速为1.1m/s，超过不冲流速，对水库大堤的安全会产生不利影响。

（3）枢纽前冲淤影响：根据本工程河段的泥沙粒径和内河过流断面等条件初步判断，泵闸外河侧不淤流速约为0.85m/s，不冲流速约为0.65m/s。因此，在节制闸按设计流量排水期间，可兼顾闸前冲淤；考虑长江下泄泥沙量逐年减小，泥沙在泵闸前淤积的速度较慢，泵站前可根据实际情况考虑定期清淤。

5.结语

应用一、二维耦合数学模型研究了新川沙泵闸枢纽工程在内外均为动水位并满足预设调度规则条件的出流过程，以此分析了水闸在运行时接近实际情况的水流条件。以上案例的成功应用可以拓展到流域范围的水资源调度、行洪排涝等项目的前期研究，同时也可以应用到水闸实际运行中去，根据预设的调度规则真正实现流域范围内水闸的全自动调度。