張立全

（深圳市水務工程檢測有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

水利建設在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中的地位日益突出，水閘是水利建設中的關鍵環(huán)節(jié)之一，起到了調節(jié)水庫上下游水位、水庫洪水等作用。目前，大型引水工程、水庫還普遍存在管理能力與水平相對落后的問題，工程管理和行業(yè)管理仍以開放式管理和手工作業(yè)為主，導致水利工程管理信息雜亂，無法統(tǒng)一管理，各級行業(yè)主管部門難以及時、準確、全面地了解水利工程運行管理狀況，更無法對現(xiàn)有水資源進行科學調配。文獻［1］提出了基于信息資源整合的防汛系統(tǒng)，利用GIS、移動應用、搜索引擎等技術，通過與各區(qū)域的空間信息相連接，將各區(qū)域的洪水調度目標整合起來，實現(xiàn)信息的綜合關聯(lián)查詢和實時監(jiān)控。文獻［2］提出了基于MIKE 模型的洪水風險分析方法，對防洪區(qū)的各個突發(fā)事件進行了洪水過程的仿真分析。

某水利工程地區(qū)水文復雜、潮位不相等，河堤內部的地形由西向東傾斜，防洪堤較長，河段較短，涵閘數(shù)量較多，防守任務繁重。該地區(qū)夏天經(jīng)常出現(xiàn)暴雨，而全市湖區(qū)的水位也將會出現(xiàn)明顯的上漲。而從潮差角度進行分析，上述這兩種方法防洪效果并不佳，為此，下文提出了水利工程中的群閘智能聯(lián)動控制平臺設計。

1 群閘聯(lián)控平臺調水補水設計

使用傳統(tǒng)的調水模塊防汛墻后，會出現(xiàn)缺水、流速降低、河涌水質變壞等問題。因此，通過智能系統(tǒng)的群閘視頻監(jiān)控聯(lián)控控制，來改善河涌水質，讓“死水”變成“活水”，實現(xiàn)“水活、水滿、水清”，使河涌水質不會發(fā)黑發(fā)臭。

1.1 水動力數(shù)學模型構建

利用簡單水道中的非穩(wěn)態(tài)漸進流動的運動規(guī)律，對其進行數(shù)值模擬[3]。基本流程：1）流場為一維，且在橫切面內的速度分布較均勻，可忽略由于通道彎曲而產(chǎn)生的離心作用；2）在橫斷面上的壓強是不計豎向加速度的靜壓分布[4]；3）通過對邊界的摩擦力和紊動效應的分析，可以用阻力來表示。盡管自然河流極為復雜，變化萬千，但在實際中，卻沒有一維的流動[5]。因此，充分考慮剖面的平均水力要素，假定一維的流體運動是可行的，構建水動力數(shù)學模型，其基本方程式：

式中：h為過水斷面寬度；z為水量流動速度；t為時間；q為流量；Vz為防汛速度；s為過水斷面面積；λ為動量校正系數(shù)。通過公式（1）可計算河道水流。

通過構建的水動力數(shù)學模型確定平均水力要素，以此為基礎，采用大數(shù)據(jù)技術分析潮汐及引排水可能性。

1.2 潮汐所引起的排水可能性分析

潮汐是一種典型的半日潮，每個月有2 次漲潮和2 次退潮，潮位和落潮的位置各不相同，漲潮和退潮的持續(xù)時間也各不相同。大潮出現(xiàn)在月初，小潮出現(xiàn)在每月的初七或初八，循環(huán)15 d。近岸潮位觀測站的實測數(shù)據(jù)較為完備，能夠準確地反映出潮位的多年變化[6]。通過對浮標場站的潮流位觀測，得到了潮流位的統(tǒng)計特性：高潮位最高值為2.61 m，低潮位最低值為-2.15 m，漲潮差最大值為3.53 m，落潮差最大值為2.76 m，平均漲潮歷時5.02 h，平均落潮歷時7.25 h。

根據(jù)實時勘察過程中的潮汐觀測資料，統(tǒng)計出引潮水水位和排水水位在不同保證率情況下的歷史數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 不同保證率下的引排水水位

從表1中可以看出，在保證率大于75%時，引、排水水位均不超過2.00 m，可以滿足導流、排水的要求。

1.3 群閘聯(lián)控調度平臺設計

根據(jù)上述環(huán)境下的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用智能視頻控制方法，設計出群閘聯(lián)控調度平臺。在天然河道狀態(tài)下，所有的閘門都是開著的。在雙向引排水閘調度下，控制閘門打開和關閉，以適應內部和外部的水位差異。在閘門外，如果水位在入口，則外部水位不會超過可控制的，而水面不會比最低點低；如當閘門內的水位不低于最低控制水位時，應開啟全部閘門，讓河流從內河進入外河。在其他條件下，當水位在控制范圍內時，所有的閘門都會開啟，將外界的水流引入到河流中[7]。在西引東排調度下，水閘定向引水和利水。當閘門外部水位超過河道，且低于防洪標準，這時閘門沒有超過最大控制水位，閘門就會完全開啟；在水流從外部進入河水后，要將閘門關閉；當閘門外部水位低于河道水位時，閘門和河道水位不會降到最低點，所有閘門都會開啟，其他情況下關閉。

2 智能聯(lián)動模塊式活動防汛墻構建

2.1 潰壩滑坡浪涌問題數(shù)值模擬

受沖刷、地震、暴雨、水位變化等因素的影響，邊坡容易出現(xiàn)崩塌，大面積的崩塌往往造成波浪[8]。基于此，構建二維的潰壩滑坡浪涌問題數(shù)值模擬模型。對于該模型的分析，設置了兩個條件：1）初始條件，所研究的目標在初始階段，將整個水域設定為靜止狀態(tài)，并將滑板與岸邊坡面連接；2）邊界條件，斜坡的邊坡是一種固體的邊界線，而斜坡則是一種滑移邊界[9]。

基于此，計算楔體入水涌浪，并用楔型滑坡體模型進行流型分析，由此確定的動態(tài)感興趣區(qū)域水流形態(tài)示意圖如圖1所示，圖中t為楔體入水涌浪。

圖1 動態(tài)感興趣區(qū)域的水流形態(tài)圖

由圖1可知，在0.05 s 時，水流在水流中的慣性作用基本維持不變，而在楔下的水流則受到了很大的壓力，從而使水流在斜坡上的速度增大；在0.25 s 內，水流通過楔形塊體滑移；0.50 s 后，水流持續(xù)上升，形成旋渦。這一楔形運動的方法與現(xiàn)實中的情形十分相符。

2.2 模塊式活動防汛墻構建

通過數(shù)值模擬基于動態(tài)感興趣區(qū)域的潰壩滑坡浪涌問題，構建模塊式活動防汛墻?？刹鹦妒降哪K化防汛墻，無須預先進行大量的土建工作，能夠迅速地進行組合式安裝，具有輕便、運輸便捷、制造簡約等優(yōu)點，能有效地實施汛期防洪[10]。將防汛墻設計成移動形式，裝配于兩棟房屋墻壁間，該防汛墻還設有可移動堤壩，由若干標準單元和一對末端單元組成，標準單元為具有T 形截面的空心磚，每個標準件的側邊由一個連接機構與鄰近標準件的側邊相連，形成正、負拼接的中間隔水墻，其厚度、彎曲側的形狀及大小與標準模塊一致[11]。防汛墻末端組件的扁平邊緣經(jīng)由固定機構與建筑物墻壁的內部相連接，末端組件的彎曲和垂直邊緣分別由連接機構與中間擋水墻兩端的彎邊和直邊相連接，從而構成整個擋水墻。在各標準組件前端和各末端組件前端的上下半部分，都設有1 個帶堵頭的注水孔[12，13]。模塊式活動防汛墻的正面圖如圖2所示。

圖2 模塊式活動防汛墻的正面圖

由圖2可知，防汛墻還包括調整模塊，該調整模塊采用四邊形中空塊形式，通過固定機構與端部模塊相連。調整模塊的厚度和側面尺寸分別與末端組件的厚度和扁平邊緣的大小相對應，該調節(jié)組件前端上下半部分各設有1 個帶堵頭的注水口，使整個隔水壁可分成左右兩部分[14]。在調整模塊中設置分塊調節(jié)模式，分塊調節(jié)組件的厚度和邊緣尺寸與末端組件厚度和邊緣尺寸一樣，且在組件前端的上下半部各設置有1 個噴水口，噴水口還帶有1 個塞子[15]。

在工程實踐中，模塊式活動防汛墻的每一單元均由輕型PVC 板材制成，其運輸生產(chǎn)成本低，安裝方便。此外，在洪水來臨時，可以迅速組裝，并注入水分，以避免雨水形成地表積水。

3 方案實施結果與分析

在天然河道狀態(tài)、雙向引排水閘調度、西引東排3 種調度方式下，分別對使用基于信息資源整合的防汛系統(tǒng)、基于MIKE 模型的洪水風險分析方法和智能水利工程群閘聯(lián)動控制平臺的應用效果進行對比分析，見表2。

表2 各種工況下平均流量分析

3.1 仿真資料采集

某水利工程管理模型是根據(jù)下列資料構建的。

1）地形

在三維數(shù)字地形建模中，獲取和輸入地形信息是進行三維數(shù)字地形建模的先決條件。2002年，某工程公司于運用航圖（包括水流、水位）對飛機進行了航空數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)輸入到網(wǎng)格上的數(shù)字地面模型中，并通過圖形軟件獲得了基本的立體地貌數(shù)據(jù)。

2）建筑物

在技術設計階段，根據(jù)工程實際情況，對樞紐工程進行了三維建模，并對其進行了圖像仿真。為了達到大規(guī)模的建模，可以采用更有效的組件裝配技術，即把單個基本部件的三維實體當作材料。在構造復雜的構件時，應按不同的條件選擇適當?shù)臉嫾?/p>

3）水面

采用一種基于導流明渠的數(shù)值計算方法，對該模型進行了數(shù)值仿真，并建立了相應的三維模型。為了滿足水庫治理工程中的復雜河床流型，采用了一種新的曲線坐標系統(tǒng)，采用N-S 模型對導流明渠的流型進行數(shù)值模擬，可為工程設計提供依據(jù)。通過動態(tài)顯示技術，可以讓模擬的結果更加逼真。通過以上模擬，得到了物料的種類、重量（包括尺寸）。

3.2 實施結果與分析

由表2可知，對于天然河道工況，由于潮汐在上游和下游的相互影響，水體是來回振蕩的，流量較小，因此，能在一段時間內進行換水，而不會產(chǎn)生死水。在雙向引排水工況下，盡管可以在一定程度上縮短了置換過程，但更換周期依然較長。對于西引東排工況，使用水利工程群閘聯(lián)動控制平臺，可以大大縮短更換水體的時間，并能迅速地實現(xiàn)河道間水體的快速交換，在各種條件下，西引東排調度方式是促使水質變化最快的調度方案。

4 結語

在水利管理工程中，通過解決動態(tài)感興趣區(qū)域的潰壩滑坡浪涌問題，對水利工程群閘智能聯(lián)動控制平臺進行分析，為水利工程管理工作提供依據(jù)和保障。傳統(tǒng)的信息整合防汛系統(tǒng)無法分析水體交換時間，導致出現(xiàn)水質污染，群閘智能聯(lián)動控制平臺通過群閘聯(lián)控、引水補水，使河道水質達到“清水、綠岸、魚游”的良好生態(tài)景象。該平臺可充分利用水資源信息，科學調水補水，不斷提升水利管理水平。