张立全

（深圳市水务工程检测有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

水利建设在国民经济和社会发展中的地位日益突出，水闸是水利建设中的关键环节之一，起到了调节水库上下游水位、水库洪水等作用。目前，大型引水工程、水库还普遍存在管理能力与水平相对落后的问题，工程管理和行业管理仍以开放式管理和手工作业为主，导致水利工程管理信息杂乱，无法统一管理，各级行业主管部门难以及时、准确、全面地了解水利工程运行管理状况，更无法对现有水资源进行科学调配。文献［1］提出了基于信息资源整合的防汛系统，利用GIS、移动应用、搜索引擎等技术，通过与各区域的空间信息相连接，将各区域的洪水调度目标整合起来，实现信息的综合关联查询和实时监控。文献［2］提出了基于MIKE 模型的洪水风险分析方法，对防洪区的各个突发事件进行了洪水过程的仿真分析。

某水利工程地区水文复杂、潮位不相等，河堤内部的地形由西向东倾斜，防洪堤较长，河段较短，涵闸数量较多，防守任务繁重。该地区夏天经常出现暴雨，而全市湖区的水位也将会出现明显的上涨。而从潮差角度进行分析，上述这两种方法防洪效果并不佳，为此，下文提出了水利工程中的群闸智能联动控制平台设计。

1 群闸联控平台调水补水设计

使用传统的调水模块防汛墙后，会出现缺水、流速降低、河涌水质变坏等问题。因此，通过智能系统的群闸视频监控联控控制，来改善河涌水质，让“死水”变成“活水”，实现“水活、水满、水清”，使河涌水质不会发黑发臭。

1.1 水动力数学模型构建

利用简单水道中的非稳态渐进流动的运动规律，对其进行数值模拟[3]。基本流程：1）流场为一维，且在横切面内的速度分布较均匀，可忽略由于通道弯曲而产生的离心作用；2）在横断面上的压强是不计竖向加速度的静压分布[4]；3）通过对边界的摩擦力和紊动效应的分析，可以用阻力来表示。尽管自然河流极为复杂，变化万千，但在实际中，却没有一维的流动[5]。因此，充分考虑剖面的平均水力要素，假定一维的流体运动是可行的，构建水动力数学模型，其基本方程式：

式中：h为过水断面宽度；z为水量流动速度；t为时间；q为流量；Vz为防汛速度；s为过水断面面积；λ为动量校正系数。通过公式（1）可计算河道水流。

通过构建的水动力数学模型确定平均水力要素，以此为基础，采用大数据技术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

潮汐是一种典型的半日潮，每个月有2 次涨潮和2 次退潮，潮位和落潮的位置各不相同，涨潮和退潮的持续时间也各不相同。大潮出现在月初，小潮出现在每月的初七或初八，循环15 d。近岸潮位观测站的实测数据较为完备，能够准确地反映出潮位的多年变化[6]。通过对浮标场站的潮流位观测，得到了潮流位的统计特性：高潮位最高值为2.61 m，低潮位最低值为-2.15 m，涨潮差最大值为3.53 m，落潮差最大值为2.76 m，平均涨潮历时5.02 h，平均落潮历时7.25 h。

根据实时勘察过程中的潮汐观测资料，统计出引潮水水位和排水水位在不同保证率情况下的历史数据，如表1所示。

表1 不同保证率下的引排水水位

从表1中可以看出，在保证率大于75%时，引、排水水位均不超过2.00 m，可以满足导流、排水的要求。

1.3 群闸联控调度平台设计

根据上述环境下的统计数据，利用智能视频控制方法，设计出群闸联控调度平台。在天然河道状态下，所有的闸门都是开着的。在双向引排水闸调度下，控制闸门打开和关闭，以适应内部和外部的水位差异。在闸门外，如果水位在入口，则外部水位不会超过可控制的，而水面不会比最低点低；如当闸门内的水位不低于最低控制水位时，应开启全部闸门，让河流从内河进入外河。在其他条件下，当水位在控制范围内时，所有的闸门都会开启，将外界的水流引入到河流中[7]。在西引东排调度下，水闸定向引水和利水。当闸门外部水位超过河道，且低于防洪标准，这时闸门没有超过最大控制水位，闸门就会完全开启；在水流从外部进入河水后，要将闸门关闭；当闸门外部水位低于河道水位时，闸门和河道水位不会降到最低点，所有闸门都会开启，其他情况下关闭。

2 智能联动模块式活动防汛墙构建

2.1 溃坝滑坡浪涌问题数值模拟

受冲刷、地震、暴雨、水位变化等因素的影响，边坡容易出现崩塌，大面积的崩塌往往造成波浪[8]。基于此，构建二维的溃坝滑坡浪涌问题数值模拟模型。对于该模型的分析，设置了两个条件：1）初始条件，所研究的目标在初始阶段，将整个水域设定为静止状态，并将滑板与岸边坡面连接；2）边界条件，斜坡的边坡是一种固体的边界线，而斜坡则是一种滑移边界[9]。

基于此，计算楔体入水涌浪，并用楔型滑坡体模型进行流型分析，由此确定的动态感兴趣区域水流形态示意图如图1所示，图中t为楔体入水涌浪。

图1 动态感兴趣区域的水流形态图

由图1可知，在0.05 s 时，水流在水流中的惯性作用基本维持不变，而在楔下的水流则受到了很大的压力，从而使水流在斜坡上的速度增大；在0.25 s 内，水流通过楔形块体滑移；0.50 s 后，水流持续上升，形成旋涡。这一楔形运动的方法与现实中的情形十分相符。

2.2 模块式活动防汛墙构建

通过数值模拟基于动态感兴趣区域的溃坝滑坡浪涌问题，构建模块式活动防汛墙。可拆卸式的模块化防汛墙，无须预先进行大量的土建工作，能够迅速地进行组合式安装，具有轻便、运输便捷、制造简约等优点，能有效地实施汛期防洪[10]。将防汛墙设计成移动形式，装配于两栋房屋墙壁间，该防汛墙还设有可移动堤坝，由若干标准单元和一对末端单元组成，标准单元为具有T 形截面的空心砖，每个标准件的侧边由一个连接机构与邻近标准件的侧边相连，形成正、负拼接的中间隔水墙，其厚度、弯曲侧的形状及大小与标准模块一致[11]。防汛墙末端组件的扁平边缘经由固定机构与建筑物墙壁的内部相连接，末端组件的弯曲和垂直边缘分别由连接机构与中间挡水墙两端的弯边和直边相连接，从而构成整个挡水墙。在各标准组件前端和各末端组件前端的上下半部分，都设有1 个带堵头的注水孔[12，13]。模块式活动防汛墙的正面图如图2所示。

图2 模块式活动防汛墙的正面图

由图2可知，防汛墙还包括调整模块，该调整模块采用四边形中空块形式，通过固定机构与端部模块相连。调整模块的厚度和侧面尺寸分别与末端组件的厚度和扁平边缘的大小相对应，该调节组件前端上下半部分各设有1 个带堵头的注水口，使整个隔水壁可分成左右两部分[14]。在调整模块中设置分块调节模式，分块调节组件的厚度和边缘尺寸与末端组件厚度和边缘尺寸一样，且在组件前端的上下半部各设置有1 个喷水口，喷水口还带有1 个塞子[15]。

在工程实践中，模块式活动防汛墙的每一单元均由轻型PVC 板材制成，其运输生产成本低，安装方便。此外，在洪水来临时，可以迅速组装，并注入水分，以避免雨水形成地表积水。

3 方案实施结果与分析

在天然河道状态、双向引排水闸调度、西引东排3 种调度方式下，分别对使用基于信息资源整合的防汛系统、基于MIKE 模型的洪水风险分析方法和智能水利工程群闸联动控制平台的应用效果进行对比分析，见表2。

表2 各种工况下平均流量分析

3.1 仿真资料采集

某水利工程管理模型是根据下列资料构建的。

1）地形

在三维数字地形建模中，获取和输入地形信息是进行三维数字地形建模的先决条件。2002年，某工程公司于运用航图（包括水流、水位）对飞机进行了航空数据处理，将数据输入到网格上的数字地面模型中，并通过图形软件获得了基本的立体地貌数据。

2）建筑物

在技术设计阶段，根据工程实际情况，对枢纽工程进行了三维建模，并对其进行了图像仿真。为了达到大规模的建模，可以采用更有效的组件装配技术，即把单个基本部件的三维实体当作材料。在构造复杂的构件时，应按不同的条件选择适当的构件。

3）水面

采用一种基于导流明渠的数值计算方法，对该模型进行了数值仿真，并建立了相应的三维模型。为了满足水库治理工程中的复杂河床流型，采用了一种新的曲线坐标系统，采用N-S 模型对导流明渠的流型进行数值模拟，可为工程设计提供依据。通过动态显示技术，可以让模拟的结果更加逼真。通过以上模拟，得到了物料的种类、重量（包括尺寸）。

3.2 实施结果与分析

由表2可知，对于天然河道工况，由于潮汐在上游和下游的相互影响，水体是来回振荡的，流量较小，因此，能在一段时间内进行换水，而不会产生死水。在双向引排水工况下，尽管可以在一定程度上缩短了置换过程，但更换周期依然较长。对于西引东排工况，使用水利工程群闸联动控制平台，可以大大缩短更换水体的时间，并能迅速地实现河道间水体的快速交换，在各种条件下，西引东排调度方式是促使水质变化最快的调度方案。

4 结语

在水利管理工程中，通过解决动态感兴趣区域的溃坝滑坡浪涌问题，对水利工程群闸智能联动控制平台进行分析，为水利工程管理工作提供依据和保障。传统的信息整合防汛系统无法分析水体交换时间，导致出现水质污染，群闸智能联动控制平台通过群闸联控、引水补水，使河道水质达到“清水、绿岸、鱼游”的良好生态景象。该平台可充分利用水资源信息，科学调水补水，不断提升水利管理水平。