屈磊飛,王曉剛,徐建中

（1.常熟市沙家浜水利管理服務站，江蘇 蘇州 215500；2.常熟市沿江堤閘管理所，江蘇 蘇州 215500）

1 概述

完善引流活水工程，充分發(fā)揮沿江涵閘趁潮引江能力，促進水體有序流動是水系連通的重要手段[1]，對改善當前城市河道河網水動力條件，改善水環(huán)境具有重要意義，產生較為顯著的經濟、社會和生態(tài)效益。常熟市海洋涇樞紐由2×10 m雙孔節(jié)制閘和2臺流量為30 m3/s的泵站組成，是常熟市城區(qū)引江調水的主要樞紐工程，承擔著重要的引流功能。工程管理部門依據上級調度指令，以“引水為主、排水為輔、自引為主、泵引為輔”的原則對海洋涇閘站樞紐進行調度運行管理。在工程運行管理過程中，受樞紐下游局部河段地勢、河堤高程、城區(qū)安全水位等因素影響，引水常需在控制水位條件下進行，樞紐節(jié)制閘通常需限位控制運行，制約了樞紐引水效率的發(fā)揮。為進一步發(fā)揮工程綜合效益，工程管理部門以海洋涇樞紐工程為研究對象，綜合分析影響工程效益發(fā)揮的因素，以河道控制段安全水位為約束條件，以單潮次引水入城水量最大化為優(yōu)化計算目標，通過原型實測，建立水力計算模型，應用水利軟件HEC-RAS計算確定河道控制段安全水位，比選確立樞紐節(jié)制閘與沿線涵閘工程的聯合調度運行方式，為工程運行提供指導[2]。

2 水力計算模型構建

2.1 數學模型

海洋涇樞紐位于長江下游感潮河段，模擬河道水流運動采用一維非恒定流動力學Saint-Venant方程組，以水位和流量為變量，在質量守恒和能量守恒基礎上建立方程[3-4]。

連續(xù)性方程為：

運動學方程為：

式中：B為水面寬度，Z為水位，Q為流量，A為過水斷面面積，R為水力半徑，C為謝才系數，q為單位長度河道的旁側入流量，t和s分別為時間和空間坐標，g為重力加速度。

2.2 河道概化與邊界處理

海洋涇樞紐數值計算的上邊界為樞紐長江側潮位，采用常熟市長江防汛決策信息系統(tǒng)實測潮位數據，下邊界為河道與城區(qū)水網交匯段，以水位邊界條件處理。河道全長15.2 km，沿程共有樞紐節(jié)制閘1座、跨河橋梁16座、分流閘6座、立交涵洞1座，采用軟件自帶內邊界程序編輯處理，為盡可能真實地模擬海洋涇河道，概化時盡可能保留河道上的跨河橋梁、涵洞、水閘等建筑物（圖1），通過已知河底高程、底寬、邊坡等概化處理，整個河道模型計算斷面間距50～200 m不等，河道彎曲段斷面適度增加[5-6]。

2.3 模型率定

海洋涇河道為新開河道，河道斷面較為規(guī)則，糙率變化不大，各河道的糙率初值取0.025～0.035之間[7]，數值計算采用試錯法進行率定，根據斷面實測的水位資料，調試各河段的糙率，使得計算的水位充分接近實測的水位過程。通過7種工況下原型觀測值（表1）與模型計算值的比較分析，相應地調整各個參數，使模擬值和觀測值盡可能吻合。河道15個觀測斷面的計算水位與實測水位值相對誤差基本在±2%以內，最大相對誤差為2.64%，相對誤差大小的平均值為1.32%（圖2）；樞紐閘下流量計算值與實測值相對誤差最大值為-4.75%，平均誤差在±3%以內（表2）。因此可以得出結論：常熟市海洋涇樞紐調度數學模型在理論上和算法上是正確可靠的，可用于海洋涇樞紐調度優(yōu)化模擬。

3 海洋涇樞紐調度優(yōu)化目標

根據運行實際需要，海洋涇樞紐的優(yōu)化調度是指河道在安全水位下運行，通過樞紐口門節(jié)制閘的調度及沿線涵閘工程的配合調度，使河道入城斷面水力要素達到（流速、流量）最優(yōu)化，即單潮次引水水量（水資源總量）達到最大，同時兼顧沿線區(qū)域水量需求，以最大限度發(fā)揮海洋涇樞紐綜合效益。

圖1 河道計算概化圖

表1 原型觀測工況表

圖2 工況1沿程實測與計算水位對比圖

3.1 長江典型潮型推求

海洋涇樞紐位于長江下游，引水受潮汐作用的影響顯著，河段（即長江）水位變化劇烈，不同季節(jié)呈現不同的潮型，汛期為每年的6～9月，年內其余月份為非汛期，同時每月農歷的初一至初五，十五至十九為大潮，月內其余時間為小潮段。通過常熟市長江防汛信息監(jiān)控系統(tǒng)2011～2014年間海洋涇樞紐口實測長江潮位資料的水文統(tǒng)計分析，根據季節(jié)、潮位特點及水利工程運行需求，綜合推求了4種不同典型潮型，從潮位圖分析（圖3），潮型1長江高潮水位高、漲速快、高潮位歷時長、節(jié)制閘有效引水時間長，是汛期大潮時間段內常見潮型；潮型2是非汛期大潮期間常見潮型；潮型3長江最高潮水位相對較低、潮型平緩、高潮位歷時較短、有效引水時間相對短些，是汛期小潮期間常見潮型；潮型4為非汛期小潮潮型，通常若引水期間最高潮低于潮型4的最高潮位時，城區(qū)引水常需通過啟動泵站來補充水量。

表2 工況6實測流量與計算流量對比表

圖3 4種典型潮型圖

3.2 海洋涇河道控制水位

根據工程運行實際情況分析，海洋涇樞紐啟動引江入城，主河道受途徑區(qū)域地勢高程、城區(qū)安全水位、城區(qū)河道承載能力綜合影響，河道需確定2處安全控制水位，即海洋涇周行段安全水位控制在3.80 m（吳淞高程），河道入城段安全水位控制在3.70 m以內。

3.3 常熟城區(qū)常水位

根據常熟城區(qū)小東門水位站多年水文資料，常熟城區(qū)非汛期常水位為3.10～3.40 m，汛期常水位為3.20～3.50 m。

3.4 海洋涇沿線涵閘調度

海洋涇樞紐沿線建有多處涵閘，引水時在保證引水入城功效的前提下，沿線部分涵閘適度開啟，滿足沿線區(qū)域水量需求。海洋涇引水期沿線配合開啟的涵閘主要有：王六涇閘、大皇塘閘、羅卜涇套閘、耿涇塘北閘等。從近年工程運行實際出發(fā)，分析沿線涵閘引水調度運行記錄資料，結合涵閘下游河道承載能力及海洋涇主河道入城水量保障，工程管理部門以閘門開高1.50 m為沿線涵閘閘門的控制最高開度?；ò逄灵l和耿涇塘南閘作為海洋涇河道入城控制閘，引水期間通常閘門全部開啟。

3.5 海洋涇樞紐調度優(yōu)化目標

將海洋涇樞紐相應的引水時段內使引水量最大化作為優(yōu)化目標。設引水時段某時刻（tj）的引水流量為Qj，則在Δtj（tj+1-tj）時段內的引水量為Wj=Qj-Δtj，設某潮次的總引水量為W，目標函數為：

約束條件為：

其中Zi（tj）為計算段內某i節(jié)點處在tj時刻的水位，Zimax為i節(jié)點處在引水期間所允許的最高水位。

根據計算河道范圍內河岸的具體高程，整個計算河段范圍內有兩節(jié)點處水位起控制作用，即海洋涇周行段水位不能超過3.80 m和入城段不能超過3.70 m，則約束條件可改為：

式中：Qj與閘門開度e、閘寬B、閘上水位Z上（tj）、閘下水位Z下（tj）以及流量系數μ和淹沒系數σs等有關，閘上水位Z上（tj）由長江潮位確定。

4 計算與優(yōu)化分析

海洋涇樞紐自引的影響因素主要有：樞紐節(jié)制閘開度、長江潮型、城區(qū)水位和沿線涵閘的調度，為綜合分析并最終確定合理的調度方案，針對4種典型潮型，沿線涵閘調度方案及城區(qū)水位，對海洋涇河道不同運行方案調度進行了計算模擬，綜合分析各影響因素下河道的運行狀況。

4.1 節(jié)制閘開度影響分析

數值計算表明在其他控制條件不變的情況下，樞紐節(jié)制閘開度對河道水位線、流量影響較大。潮型1、潮型2下閘門全開及部分開度下，河道控制段、入城段水位已超過安全水位，必須對樞紐節(jié)制閘進行控制運行；潮型3、潮型4最高潮位相對較低，節(jié)制閘閘門全開狀態(tài)河道沿程水位已在安全水位之下，故不需對口門節(jié)制閘進行控制運行；不同潮型、同一節(jié)制閘開度下，入城水量差異較大，以樞紐節(jié)制閘開度2 m為例，4種潮型下入城水量分別為：121.26萬m3、71.97萬m3、47.03萬m3、44.96萬m3，故應分別對4種潮型計算確定調度方案。

4.2 節(jié)制閘啟閉方式影響分析

以控制段安全水位為計算控制條件，節(jié)制閘開度直接影響河道流量及沿程水位，節(jié)制閘的啟閉方式同樣對水位及流量影響較大。工程運行中節(jié)制閘有3種閘門啟閉方式：多段式調節(jié)為閘門開啟后適時不斷調節(jié)開度以控制沿程水位；二段式調節(jié)為引水過程中閘門調節(jié)2次，先全開后降至安全開度，再拉至全開狀態(tài)至引水結束；一段式為閘門開啟后保持在安全開度至引水結束。3種啟閉方式均以控制段水位不超安全水位為前提。從引水功效分析，多段式調節(jié)下潮型1較后2種調節(jié)方式入城引單次水量可分別增加3.25%和19.29%，潮型2較后2種調節(jié)方式引水量提高1.6%和11.41%；從沿線區(qū)域補水效果分析，多段式調節(jié)下潮型1下大皇塘水量可分別增加5.99%、26.0%，潮型2下大皇塘水量可分別提高3.94%、15.76%；從工程運行角度分析，一段式調節(jié)操作簡單安全，全程閘門啟動1次即可，二段式需啟動2次，多段式需多次調節(jié)閘門。綜合工程管理運行和引水效果，樞紐節(jié)制閘采用二段式調節(jié)方式更為科學合理。潮型3、潮型4下，閘門全開狀態(tài)下河道控制段水位均在安全水位下，故無需對口門閘門進行控制運行。

4.3 沿線涵閘運行影響分析

海洋涇樞紐在引水過程中，通常開啟沿線部分涵閘引水，以滿足沿線部分區(qū)域引水需求。工程運行中沿線涵閘的調度常以經驗判斷，缺乏合理依據。數值計算結果表明：其他條件不變，潮型1、潮型2下沿線涵閘運行對樞紐節(jié)制閘的調節(jié)、控制段安全水位、入城水量有著重要影響，沿線涵閘的啟動能改善引流條件、降低河道沿程水位，同時也對河道入城水量起到分流作用。樞紐節(jié)制閘同一開度下，隨著位于入城河段上游的王六涇閘、大皇塘閘、羅卜涇套閘開度的增加，分流作用愈加明顯，入城流量及沿程水位均下降；隨著位于入城河段下游的耿涇塘北閘閘門開度的增加，由于降低水位提高入流條件較分流影響更加明顯，入城流量反而有所增加。潮型3、4中，沿線涵閘的開啟，主要起到分流作用，故沿線涵閘的調度應視城區(qū)水量需求而進行。

4.4 城區(qū)水位影響分析

計算表明，同一潮型、同一節(jié)制閘開度條件下，隨著城區(qū)水位的抬高，海洋涇河道沿程水位逐漸抬高，單次引水時間縮短，入城段流速下降，入城平均流量減小，入城水量減少；不同城區(qū)水位下，潮型1、2有不同的安全開高，需確定不同組合條件下樞紐及沿線涵閘的調度方案；潮型1下，城區(qū)水位平均每上升10 cm，入城水量平均減少10萬m3；潮型2下，城區(qū)水位平均每上升10 cm，入城水量平均減少9萬m3；潮型3、4下，樞紐閘門全開狀態(tài)下，隨著城區(qū)水位的抬高，河道控制段水位亦同步升高并均處于安全水位之下。

4.5 綜合分析

在綜合模擬計算分析海洋涇河道入城流量、沿程水位的基礎上，為充分發(fā)揮樞紐單次引水效果，同時確保沿線河道在安全水位下運行，以入城水量最大化為目標，對沿線涵閘多種調度方式、城區(qū)不同水位組合條件下，樞紐節(jié)制閘調度方案優(yōu)化計算（表3）。計算結果表明，在受控制段水位條件限制下，通過節(jié)制閘和沿線涵閘的配合調度，可最大限度發(fā)揮樞紐單次引水效率；受沿線涵閘的分流影響，樞紐節(jié)制閘開度與入城水量并非成正向關系。不同運行調度方案下，入城段上游王六涇閘、大皇塘閘、羅卜涇套閘等開啟而下游耿涇北閘關閉是最不利方案，入城水量最小，運行過程中應避免采用；沿線涵閘全部關閉是多種調度方案中較為不合理的方案，沿線區(qū)域不能有效換水，同時城區(qū)水量也未能達到優(yōu)化。

表3 不同潮型下工程優(yōu)化運行方案（城區(qū)水位3.3 m）

根據2012、2013年樞紐節(jié)制閘實際調度工況，選擇采用優(yōu)化調度方案逐潮次進行引水量的計算（見表4），計算結果表明，采用優(yōu)化調度方案后，引水總量有較為明顯的提高。2012年樞紐引水總量可增加5832.01萬m3，引水量可提高25.8%；2013年樞紐引水總量可增加6012.6萬m3，引水量可提高27.3%。提高了對沿程區(qū)域的補水效果，加快了城區(qū)河網的換水效率，較為合理地發(fā)揮了樞紐綜合效益。

5 小結

采用調查研究、理論分析、現場實測、數值計算、方案比選相結合的研究方法，在對相關已有研究成果與海洋涇樞紐近年運行資料收集分析的基礎上，結合樞紐現有運行調度方式及河道監(jiān)測數據，建立河道計算數學模型，應用HEC-RAS專業(yè)軟件計算不同方案下海洋涇各斷面的水力特性，并通過實測數值與數值計算值進行對比分析，對數值計算模型進行修正和完善。對影響工程效益發(fā)揮的主要因素樞紐調度方式、沿線涵閘調度方式、城區(qū)水位分別進行了計算分析，明確了河道控制安全水位，確立了以入城水量最大化為優(yōu)化目標的計算方案，提出樞紐節(jié)制閘二段式啟閉方式，同時對工程運行中常見的調度方式進行了計算，比選確立了較為合理的樞紐調度方式，為工程運行提供了科學指導。在今后的研究中，可將計算區(qū)域進一步擴大，研究確定合理的計算模型，整體分析海洋涇樞紐的優(yōu)化調度運行在整個河網中的作用與效果。

表4 2012、2013年樞紐節(jié)制閘引流總量對比表