感潮河網(wǎng)引清調(diào)水和防洪排澇技術(shù)研究

感潮河網(wǎng)引清調(diào)水和防洪排澇技術(shù)研究

0內(nèi)河水位控制沿河河網(wǎng)地區(qū)人口多、資源少、工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)。同時，也是受影響最大、影響最大的地區(qū)。隨著經(jīng)濟發(fā)展的加快，與水有關(guān)的洪水災(zāi)害、水環(huán)境和水資源不足已成為制約秋海棠經(jīng)濟增長和社會進步的突出問題。由于感潮河網(wǎng)大多數(shù)通過水閘控制與外圍江海的水體交換,因此,通過利用潮差調(diào)水控制內(nèi)河水位在一個合理的范圍內(nèi),是保障該地區(qū)人民生活安全和區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的有效措施。通過發(fā)揮感潮河網(wǎng)地區(qū)水閘的擋潮、引水、排澇、通航等功能,利用漲潮潮差引清調(diào)水滿足水資源供需和船舶通航水位,利用落潮潮差在暴雨來臨之前預(yù)降水位、在內(nèi)河形成洪澇時進行排澇,從而提高當(dāng)?shù)氐姆姥茨芰?還可以借助水閘引排交替方式調(diào)活內(nèi)河水體改善河網(wǎng)水環(huán)境狀況。如何對感潮河網(wǎng)地區(qū)的水資源進行綜合調(diào)控,及時有效地將內(nèi)河水位控制在正常范圍內(nèi),減輕突發(fā)性自然災(zāi)害造成的危害,修復(fù)經(jīng)濟發(fā)展帶來的水環(huán)境惡化,提高河網(wǎng)地區(qū)供水和通航能力是一個非常值得研究的緊迫課題。借助水流數(shù)值模擬技術(shù)可以預(yù)測河網(wǎng)調(diào)水后水力要素的時空變化過程,從而有助于認(rèn)識感潮河網(wǎng)調(diào)水水動力變化特性,為制定和優(yōu)化調(diào)水方案并進一步獲得實現(xiàn)河網(wǎng)水閘智能群控預(yù)案庫提供支持。近幾年,國內(nèi)外已經(jīng)有人開始對此進行研究,本文在前人研究的基礎(chǔ)上建立感潮河網(wǎng)調(diào)水?dāng)?shù)學(xué)模型,通過在浦東新區(qū)河網(wǎng)上的應(yīng)用,對感潮河網(wǎng)調(diào)水過程數(shù)值模擬的一些關(guān)鍵問題進行深入討論。1感潮河網(wǎng)水流數(shù)學(xué)模型1.1內(nèi)載荷的運動方程數(shù)學(xué)模型的基本方程是采用擴展后的Saint-Venant方程組(該方程組廣泛應(yīng)用于河道、河網(wǎng)水流運動的模擬),它由連續(xù)方程和運動方程組成:連續(xù)方程?(A+A0)?t+?Q?x-q=0(1)運動方程?Q?t+??x(αQ2A)+gA(?h?x+Sf)+L=0(2)上兩式中:Q為流量;h為水位;A為有效過水?dāng)嗝婷娣e,A0為蓄水?dāng)嗝娣e;x為沿主流向的河道縱向距離;t為時間;q為單位長度河段均勻旁側(cè)入流量(側(cè)向入流為正,出流為負(fù));α為動量校正系數(shù);g為重力加速度;Sf為河道的阻力坡降,Sf=n2Q|Q|A2R4/3;L是側(cè)向流的動量。側(cè)向流的動量L主要考慮兩種形式:(1)側(cè)向入流,L=qvx,vx是側(cè)向入流沿河道流向x的速度分量;(2)側(cè)向出流,L=-qQ/A。1.2單一河道計算流程對基本方程采用Preissmann加權(quán)四點隱式有限差分格式進行時間和空間離散,可以得到它的離散方程如下:θQn+1j+1-Qn+1jΔxj-θqn+1j+(1-θ)Qnj+1-QnjΔxj-(1-θ)qnj+[(A+A0)n+1j+(A+A0)n+1j+1-(A+A0)nj-(A+A0)nj+12Δtn]=0(3)Qn+1j+Qn+1j+1-Qnj-Qnj+12Δtn+θ[(αQ2/A)n+1j+1-(αQ2/A)n+1jΔxj+gˉAn+1(hn+1j+1-hn+1jΔxj+Sn+1f)+Ln+1j]+(1-θ)[gˉAnhnj+1-hnjΔxj+Sn+1f+(βQ2/A)nj+1-(βQ2/A)njΔxj+Lnj]=0(4)式中:ˉA=Aj+Aj+12;ˉQ=Qj+Qj+12;ˉR=ˉAˉΡ;ˉΡ=Ρj+Ρj+12,Ρj是濕周。加權(quán)系數(shù)θ的取值一般在0.75至0.95之間,為了保證在考慮水工建筑物運行時計算的穩(wěn)定,θ取值接近0.95。單一河道計算流程圖見圖1。對每一條河道可以寫出以Qn+1j,hn+1j,Qn+1j+1,hn+1j+1為未知量的2N-2個方程(N是每一條河道的結(jié)點數(shù)),它們構(gòu)成一組非線性方程組,利用求解效率高的Newton-Raphson迭代法進行求解。其中,對獲得的五對角矩陣系數(shù)Newton方程組,采用有效的壓縮存儲形式的列主元消元法求解。1.3確定初始流量1.初始條件計算初始條件包括各計算斷面位置處水位和流量初始條件。水位初始條件由調(diào)水前實測內(nèi)河水位資料確定,在調(diào)水前內(nèi)河各處水位差距不大的情況下,各斷面初始流量假定為零,也可以在初始流量為零的條件下,通過預(yù)備計算確定各斷面初始流量。2.邊界條件水閘作為控制感潮河網(wǎng)內(nèi)河與外河水體交換的口門,通過其進入或流出河網(wǎng)的流量,按照量綱分析得到的公式進行計算:Qi=mB√2gΗα0eβΔΗ1.5-α-β(5)式中:m為閘門流量系數(shù);H0為堰上水頭;e為閘門開啟高度,當(dāng)e>H時,e=H,H為堰上水深;ΔH為內(nèi)外河水位差;α、β為指數(shù)。對于開啟多孔水閘閘門,需要對每孔流量進行累加,水閘總的流量為:Q=∑i=1kQi(6)式中:k為水閘開啟的閘門數(shù)。將水閘流量計算也納入數(shù)學(xué)模型中,因此調(diào)水?dāng)?shù)學(xué)模型中的河網(wǎng)包括內(nèi)河河道和水閘,邊界條件為各水閘的外河水位。1.4匯流控制水位求解本模型只對河道及各河道的結(jié)點編號,對河道的匯流點不編號,從而不需要對匯流結(jié)點水位先行求解。河道編號從主干河道開始,其次對支流編號,再對網(wǎng)狀河道編號(圖2)。求解按主干河道、支流和網(wǎng)狀河道的次序進行。采用聯(lián)結(jié)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方式,定義河道之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系、支流入?yún)R情況以及河道邊界條件。1.5河道斷面位置的確定以圖2所示河網(wǎng)情況為例,對河網(wǎng)水流計算過程進行說明,求解步驟為:先對圖2中的河道R1、R2和R3進行計算。對于R1,計算時給定支流R4、R5、R8、R9、R12和R13匯入R1的入流流量的預(yù)估值。有了支流入流流量的預(yù)估值和上、下游邊界條件,即可求得河道R1各斷面處的水位與流量。這樣,每條支流與干流交匯處的水位也可得到。以此水位作為支流的下游邊界條件,結(jié)合各支流的外邊界條件即可求解每條支流,如果被求解支流有上級支流或網(wǎng)狀河道匯入,同樣需給定這些上級支流或網(wǎng)狀河道的入流流量的預(yù)估值。對于網(wǎng)狀河道,則用其與各支流匯入點處的水位作為邊界條件進行求解。網(wǎng)狀河道、支流求解后,得到網(wǎng)狀河道匯入支流和支流匯入干流斷面處的流量的計算值。按松馳算法的基本原理構(gòu)造這些匯流斷面處流量新的估計值,以每條支流流量新的估計值作為干流的側(cè)向入流,再求解干流,又可得干流各斷面新的水位,以交匯點處新的水位作為支流的邊界條件再求解各支流,如此循環(huán),直至滿足收斂條件:|qiec-qiep|<ε(7)其中:qiec為支流入流流量新的計算值,qiep為支流入流流量的估計值,ε為事先給定的允許誤差。河網(wǎng)水流計算流程見圖3。2使用示例2.1內(nèi)河水系的形成浦東新區(qū)河網(wǎng)處于長江三角洲前緣的沖積平原,毗鄰黃浦江和長江入?？?是典型的平原感潮河網(wǎng)水系。區(qū)內(nèi)河道縱橫交錯,內(nèi)河與外河的聯(lián)系是通過水閘控制進行水體交換,通過多年的水利建設(shè),新區(qū)水系形成了一個相對獨立的由13座水閘口門控制的內(nèi)河水系(圖4)。通過發(fā)揮水閘“防洪、擋潮、引水、排澇、通航”的功能,控制內(nèi)河水位在一個合理的范圍內(nèi),保障人民生活安全和新區(qū)經(jīng)濟發(fā)展,同時,在各水閘的整體控制下,通過“引清、排污”加強內(nèi)河水體置換,改善內(nèi)河水質(zhì)。2.2河網(wǎng)內(nèi)水位測定結(jié)果首先對河網(wǎng)糙率及閘門流量公式中的參數(shù)進行率定,根據(jù)計算與實測的河網(wǎng)內(nèi)河水位站水位變化過程確定河網(wǎng)各河段的糙率,同時在計算引水量、排水量與實測分析到的引水量、排水量接近的基礎(chǔ)上,對閘門流量公式中的參數(shù)進行確定。河網(wǎng)調(diào)水?dāng)?shù)學(xué)模型率定資料為2003年9月24日至2003年9月28日實測的內(nèi)河水位變化和實測分析得到的各水閘引水、排水總量;調(diào)水期間,開啟楊思、白蓮涇、張家浜西、洋涇、西溝和東溝水閘排水,開啟三甲港、張家浜東、五好溝和三林水閘引水。河網(wǎng)內(nèi)共布置咸塘浜、石家宅、金家宅、羅山路三八河、大灣、趙橋等六個水位測站(圖4)。典型的水位驗證結(jié)果如圖5所示,河網(wǎng)內(nèi)各水位測站計算的水位變化過程與實測的水位變化過程相似,最大誤差一般小于0.10m。將水閘引排水量計算值與實測值進行對比,每次調(diào)水引、排水量計算與實測分析數(shù)值為90組,其中水閘計算的引水量或排水量與實測分析值的相對誤差小于5%的組數(shù)為23組,占總組數(shù)的25.6%,相對誤差小于10%的組數(shù)為54組,占總組數(shù)的60.0%,相對誤差小于15%的組數(shù)為75組,占總組數(shù)的83.3%,計算的各水閘引水、排水總量與實測分析值誤差一般小于10%。分析結(jié)果表明,開發(fā)的感潮河網(wǎng)調(diào)水?dāng)?shù)學(xué)模型可以用來模擬浦東新區(qū)河網(wǎng)調(diào)水水流變化過程以及用于水閘引排水量計算。2.3不同水位對一種最優(yōu)水位的影響對引水調(diào)度和排水調(diào)度兩種調(diào)水方式下感潮河網(wǎng)的水流變化過程進行數(shù)值模擬,模擬工況分別見表1和表2,水閘外河水位變化過程(即邊界條件)取離水閘最近的潮位站的潮位資料(由上海市海事局制定的2003年潮汐表得到)。由于長江口水質(zhì)明顯好于黃浦江水,浦東新區(qū)目前調(diào)水方案主要采用“東引西排”的原則。對于引水調(diào)度,開啟三甲港、張家浜東、五好溝水閘,其余水閘關(guān)閉,取2003年9月26日11點作為初始時刻,此時開閘前內(nèi)河水位為2.50m;對于排水調(diào)度,開啟楊思、白蓮涇、張家浜西、洋涇、西溝、東溝、高橋水閘,其余水閘關(guān)閉,取2003年9月26日18點作為初始時刻,此時開閘前內(nèi)河水位為2.65m。獲得引水和排水調(diào)度時的水閘流量過程線及內(nèi)河水位站點的水位變化過程線如圖6、7。一次調(diào)水后內(nèi)河最終平均穩(wěn)定水位,引水調(diào)度為2.73m,內(nèi)河水位平均增高0.23m,排水調(diào)度為2.30m,內(nèi)河水位平均降低0.35m;模擬得到引水調(diào)度時三甲港、張家浜東、五好溝水閘的引水量分別為57.82、73.95、25.73(×104m3),排水調(diào)度時楊思、白蓮涇、張家浜西、洋涇、西溝、東溝、高橋水閘的排水量分別為78.43、46.25、35.35、28.76、40.36、24.46、20.92(×104m3)。在浦東新區(qū)河網(wǎng)調(diào)水的應(yīng)用表明,本文開發(fā)的感潮河網(wǎng)調(diào)水?dāng)?shù)學(xué)模型可以對操作水閘進行任意選擇,并且可以指定水閘的開啟過程線或通過數(shù)學(xué)模型計算出河網(wǎng)充分引排水的水閘開啟時間,從而借助對河網(wǎng)調(diào)水水流時空變化過程的數(shù)值模擬,為感潮河網(wǎng)地區(qū)調(diào)水方案的正確制定提供決策支持。3討論3.1潮位實時預(yù)報技術(shù)在對感潮河網(wǎng)調(diào)水之前需要事先知道未來一段時間內(nèi)的潮位漲落情況,以便為調(diào)水過程數(shù)值模擬和制定水閘調(diào)水方案提供邊界條件。對外河潮位的預(yù)報要求能夠做到實時、準(zhǔn)確、有一定的預(yù)報期,過去這項工作都是通過在調(diào)水之前查閱當(dāng)年的潮汐表進行的。由于潮汐表的潮位站與實際的水閘外河水位站點相差較遠(yuǎn),并且真實潮汐受臺風(fēng)、氣象等自然因素的影響較大,而潮汐表的預(yù)報期為一年,因此潮汐表提供的潮位與實際外河水位誤差較大,需要對外河潮位的實時預(yù)報技術(shù)作專門研究。我們嘗試運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對外河潮位進行實時預(yù)報,將潮位變化看成時間序列,由前一時間段的潮位變化推求后一時刻的潮位,然后將推求結(jié)果作為上一時刻的潮位,向后遞推,直到預(yù)報出指定時間段內(nèi)的潮位。以三甲港水閘2004年9月13日0點至18日23點的外河潮位資料為例(9月16日前用于學(xué)習(xí),其后資料用于驗證),運用BP網(wǎng)絡(luò)進行預(yù)報,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為20-24-1,訓(xùn)練10000次,測試結(jié)果見圖8,精度令人較為滿意,實際應(yīng)用中還可以將前一時間段的潮位數(shù)據(jù)平均值作為一個輸入單元,以進一步提高預(yù)報效果。3.2原體測定結(jié)果的重新厘定水閘是控制感潮河網(wǎng)內(nèi)河與外河水體交換的口門,其過閘流量的準(zhǔn)確計算是對調(diào)水過程進行正確數(shù)值模擬的關(guān)鍵,也是準(zhǔn)確計算水閘引排水總量、分析調(diào)水效益的基礎(chǔ)。通過感潮水閘原體實測資料的分析,認(rèn)為感潮水閘具有非線性和瞬時性等水力特性,進一步對建立在恒定流假設(shè)基礎(chǔ)上的一般水力學(xué)過流量計算公式(流量系數(shù)法)進行對數(shù)變換,可以發(fā)現(xiàn)其本質(zhì)上仍是線性形式,并不足以用于刻畫感潮水閘的真實過水能力;應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論建立了感潮水閘流量的非線性計算模型,確定以水閘內(nèi)外河水位、閘門開啟度和上一時刻的流量作為模型的輸入,應(yīng)用于浦東新區(qū)東溝水閘的結(jié)果(圖9)表明該模型不需要判別水閘的出流類型,而將其隱含識別,并且具有較強的容錯和泛化能力,較為適合計算感潮水閘的過流量。3.3河網(wǎng)區(qū)域的重新演化過程模型在感潮河網(wǎng)調(diào)水?dāng)?shù)學(xué)模型率定時,需用試錯法調(diào)試每一斷面糙率使計算值與實測值充分接近,該方法帶有較大的任意性,特別當(dāng)河網(wǎng)規(guī)模較大時,調(diào)試工作量十分巨大。河道糙率是水流物理性質(zhì)的轉(zhuǎn)化參數(shù),它反映的是河道對行流的阻力特性。不同河段糙率不一樣,隨著水面線的變化糙率也是變化的,并且由于河床演變的影響河道糙率隨時間是演化的。因此,天然河道的糙率是一個時空變化量。對于河床較為穩(wěn)定的河道,河道斷面糙率n可寫成河道斷面水位z、河道斷面位置坐標(biāo)x的函數(shù)n=f(z,x),在獲得的不同河道斷面位置處和水位下的糙率之間進行插值可以獲得河網(wǎng)真實的糙率分布。在通常的河網(wǎng)水流模擬中,將河段的糙率處理成固定值,即n=f(x),這時可以借助具有良好全局搜索和多參數(shù)同時優(yōu)化能力的遺傳算法一次性反演出河網(wǎng)各河段的糙率。其反演模型可寫成:{minJ(n1,n2,?,ni,?,nm)=∑i=1m(zi-z′i)2s.t.ni∈[nia,nib]GA=GA(C,ε(J),Ρ0,Μ,Φ,Γ,Ψ,Τ)(8)式中:J為目標(biāo)函數(shù);ni為第i個斷面的糙率;zi為第i個斷面的計算水位值;z′i為第i個斷面的實測水位值;m為河網(wǎng)糙率反演斷面數(shù);nia、nib為ni的取值范圍;GA為遺傳算法的通用表達(dá)式;C為個體的編碼方法;ε