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摘要：为了解决原型调水试验中出现的泵闸配置不合理的问题，提出了经济合理的泵闸调度运行方案，通过建立水动力计算模型以及一维非恒定流方程组来模拟河流或河口的水流状态，并对比原型调水试验，模拟多种工况下的泵闸调度；同时，采用历史水文资料对模拟调度结果进行验证，最终模拟出了水动力最大化的调度方案。研究成果不仅可为政府决策部门对嘉定蕰南中部地区这一独立区域的后续水利控制工程建设提供参考，还可以为常态化的水资源调度方式提供依据，具有较广泛的意义。
关键词：一维水动力模型；泵闸调度优化；调水试验；蕰南中部地区；上海市
由于历史的原因，沪宁铁路、沪宁高速公路的建设阻断了上海市嘉定蕰南中部地区南北水系的通畅，同时随着城市化进程的加快，该区域水生态环境不容乐观。为了改变这一状况，改善水系水动力条件，兴修泵闸，利用泵闸优化调度来实现水体交换与流动以改善水质，已经成为水系整治的一项重要举措。随着人们认识水平的提高，国内开展泵闸调度优化及其影响的研究呈较快发展态势。郑保强等人利用一维水环境数学模型来模拟水闸调度，并用于评估水闸调度对河流水质的影响。
1模型原理与建立
1.1模型原理
针对蕰南中部地区水环境问题，嘉定区政府采用了多种治理措施。其中，在2007年，委托专业单位编制了《嘉定蕰南中部地区水环境治理－引调水专项规划》，从而为蕰南中部地区引调水打下了基础。该《专项规划》引调水的主要形式是：沿蕰藻浜南侧沿线设站，通过提抽内部河道水进入蕰藻浜，待内部河道水位降低后，强行引入苏州河水实行水体交换与流动；同时，利用东侧现有走马塘泵闸向引水。以此形成“北排、南引”的有序水流大格局。随着专项规划中一系列水利控制工程项目的陆续建设完成，初步具备了引调水条件，嘉定区水务局于2013年进行了蕰南中部地区原型调水试验。通过试验结果发现，规划仍存在一些不足，主要体现在以下两个方面：由于内河水位高于外河，苏州河水体无法引入蕰南中部地区；由于吾尚塘河道没有封闭，导致了大量的回水。在原规划方案中，预计在调水72h后，内部水体会更换一遍。而根据原型调水试验结果，离该目标尚有一定的距离。
1.2河网概化
蕰南中部地区涉及到众多的河道及湖泊，需先将河网进行概化，即将主要输水河道纳入计算范围，将次要河道和水体根据等效原理归并为单一河道或节点，使概化前后的河道、湖泊输水能力相等及调蓄能力不变。经概化后，河网应能够反映本地区天然河网的水动力情况，其概化原则是：等效原则及调蓄容积不变原则。在本文中，该区域水系的概化过程是在天然河网、湖荡的基础上进行合并，将河网中主要河道依据以上原则进行概化后。模型所涉及的主要河流有：苏州河、蕰藻浜、封浜、横沥、盐铁塘、中槎浦、新槎浦、第四沥、花园江、连蒲河、南虬江、浅江、小虬江以及走马塘，合计16条河道。概化前，河道总面积为3852650m2，概化后，河道面积加调蓄水面面积为3849643m2，二者基本一致。
1.3断面处理
全部断面按照MIKE11的格式进行处理后批量导入软件中。本文中的断面数据来源于上海市嘉定区水务局2013年编制的《第一次全国水利普查暨第二次上海市水资源普查—嘉定区普查报告》，所用数据均为实测所得。
2泵闸调度方案配置
2..1调度方式调整
针对原型调水试验出现的问题，即无法引入苏州河水体、吾尚塘河道出现回水等，本文在模型中对泵闸配置作了以下调整。仅利用蕰南中部地区内自身水利控制工程，暂时不考虑引入苏州河水体。仅对水系的流动情况进行模拟，而暂时不对水质方面进行考量。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对吾尚塘河口，在模型中增设了一个水利控制工程，考虑到将来该工程对本地区的作用，在模型中虚拟建设10m3/s的双向引排泵闸，在模型中与现有水利控制工程进行统一调度。避免在原型调水试验中出现的吾尚塘→南横沥→蕴藻浜→中槎浦→吾尚塘的局部水流循环。
2.2调度方案
由于联合调度涉及到的4个泵闸均具有双向引排水能力，因此，将调度方案细分为4个泵闸均参与的情况、3个泵闸参与情况、2个泵闸参与情况、单个泵闸参与情况，即穷举所有可能的组合方式。基于多泵闸联合调度的复杂情况，组合中包括了横沥泵闸引（排）、
2.3模型运行方式
想要防止模型模拟受到上下游水位急剧变化以及降雨等的影响，就应当依照蕰藻浜、苏州河平水期，深入的分析其没有降雨的状况，做好调度组合的各项准备工作，合理的开展模拟活动，本文所应用大模拟运行时间为72小时，其时间的步长约为十分钟。泵闸以一种连续的形式运行，把所有的设计排量全部打开，起排水为调整为2.7米，在其小于2.4米时，要对其进行停泵的处理。
3计算以及分析
3.1控制断面
我国蕰南中部地区主要是嘉定区南翔镇和江桥镇共同构成，这两个地点分别划分到了不同的行政区域，以沪宁铁路为基准，其大致被分成了南北两部分。所以，其调度方案给铁路以北所产生的效果会比较好，其给铁路以南区域的效果会比较微弱。对此，必须要设计出两种不同的指标数值，对其调度的方案进行优化以及评判。铁路将我国蕰南中部地区划分成为了南北两部分，当前，我国社会经济的发展速度越来越快，这使得箱涵、涵洞产生了问题，出现了很多堵塞以及损坏等的现象，让其丧失了原本所能起到的效用。采用实地化的调查方式，让其铁路箱涵可以始终维持一个顺畅的运行状态，其节点是封浜河连通南北区域的重要位置，对其断面的流动速度进行测定，其可以更为精确的反应出泵闸调度给我国铁路以南区域的水体产生出一种拉的效用。南翔镇是当前上海住宅较为集中的中心区域，人们对于其地段的水环境敏感性比较强，所以，需要设定好考量目标，将断面的水体流动速度放置到其中，同时还要判断出泵闸调度的优劣势。
3.2方案分析
首先，需要对控制断面进行分析，当四个泵闸同时做功，向外侧排放水体，那么其在封浜河铁路涵洞断面平均流量数值会比较高，对蕴南中部铁路以北区域进行推断，模拟构建吾尚塘泵闸之后，其水体和外界会保持一种隔离的状态，所以其外来水体的补充速度会比较滞缓。四个泵闸合计在每秒三十五立方米的排水效用下，其水位实际的下降速度极快，需要采用铁路以南的水体去补充北面，其设计方案给铁路以南区域水体所产生的作用会比较明显。当使用封浜河泵闸、横沥泵闸、吾尚塘泵闸等共同做功，朝向外部排放水体，走马塘泵闸地区以内部排水形式为主，其在南横沥河中段平均流量数值会比较高。对这些方面进行比较可以了解到，断面北部可以以外向排放水体的形式为主，其南部的水体也会不断的泵送运输过来，同时受到“一拉一送”共同作用。通过比较，说明在封闭吾尚塘这个回水通道后，使用原来的泵闸组合，也能极大地提高该断面的水动力。
结语：利用MIKE11建立起嘉定蕰南中部地区的一维水动力模型并进行了模型参数的率定，对蕰南中部地区河网进行了数值模拟。模拟结果表明，建立的模型能够满足工程计算的需要。针对原型调水中发现的问题，在模型中进行了相应调整，虚拟了吾尚塘泵闸，与现有泵闸进行联合调度，寻找出使水动力效果最大化的调度方案。本文中泵闸调度方式比较简单，设置不同泵闸在不同时间启闭或其他复杂调度方式是下一步研究的方向。
参考文献
[1]程珊珊；山东垦利县水环境脆弱性研究[D]；山东农业大学；2012年
[2]唐家凯；基于水库优化调度的金昌市水资源配置研究[D]；兰州大学；2011年
[3]本报特约撰稿人王浩；论调水与节水关系[N]；中国水利报；2011年
论文作者:李冬梅
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年11期
论文发表时间:2019/8/26
标签：南中论文; 水体论文; 河道论文; 断面论文; 模型论文; 河网论文; 地区论文; 《建筑学研究前沿》2019年11期论文;