规划水厂取水口河道特征水位计算与分析.pdf

第 12 期2012 年 12 月广东水利水电GUANGDONG WATER RESOURCES AND HYDROPOWERNo.12Dec 2012规划水厂取水口河道特征水位计算与分析穆杰1，符传君2，涂向阳3(1 天津大学建筑工程学院，天津300072;2 海南省水文水资源勘测局，海南 海口570203;3 珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州510611)摘要:介绍了昌化江规划河段水厂取水口所在的地区及昌化江流域的概况，明确了拟建水厂取水口供水保证率和供水水质安全要求，建立了以 Saint Venant 方程组为基础的一维河道非恒定流水动力模型，利用昌化江下游河道设计洪水水面线对模型进行率定和验证，并对规划河道水厂取水口进行特征水位计算，为规划水厂取水口高程提供设计依据。关键词:取水口;Newton Raphson 算法;规划河道;昌化江中图分类号:TU991.1文献标识码:B文章编号:1008 0112(2012)12 0026 04收稿日期:2012 11 20;修回日期:2012 12 02作者简介:穆杰(1988 )，女，硕士研究生，主要从事水利水电工程、工程水力学等方面的研究。河道上规划水厂取水口高程控制是水厂设计的重要内容，取水口高程设计过低，取水水质将可能受到河道泥沙的影响，由于水泵取水扬程的增加，将增加单位取水量的耗电量;取水口高程设计偏高，将会降低取水口取水保证率，枯水年份和枯水季节水厂取水量难以保障。良好的取水口选址方案应具备以下特征:能保证取到含沙量较小的优质水量;工程地质条件优良，施工方便;工程造价较省;管理维护方便，供水可靠性高。规划水厂取水口处河道特征水位是取水口设置的重要依据，本文采用实测水文资料进行频率分析，建立了昌化江中下游一维河道数学模型，通过数值模拟计算取水口处河道特征水位。以 Saint Venant 方程组为基础，采用四点加权 Preissmann 固定网格隐式差分格式离散方程，求解时采用河网三级联解算法。利用河道设计洪水水面线对模型进行率定和验证，预测了规划水厂取水口处河道水位，为优选取水口高程提供了取水安全的技术保障。1昌化江大风村取水口河道概况1.1地形及水系特征昌化江流域位于海南岛的西南部，发源于五指山北麓的琼中县空禾岭，流域面积为 5 070km2，为海南省第二大流域和第二大河流。地势是东南高而西北低，流域形状为弯叶状，叉河以上宽而下游窄，上中游平均宽度约 40km，叉 河 以 下 约 15km。流 域 内 大 于100km2的支流有 10 条，其中以通什水为最大，集雨面积为 660km2，石碌水流域面积 546km2为次之。由于河流两岸地面一般高出河床 20 30m，无大片集中低洼耕地，其河流下游河床宽阔、水流顺畅，一般洪灾面积很小，昌化江流域水系见图 11。昌化江河口段受潮洪混合影响较为严重，其洪水与风暴潮遭遇属潮洪混合类型，其中受洪水影响的成份较大。流域洪涝潮灾害频繁，其下游地区出海口段，洪灾损失严重。近年来，出现侵占河道、人为设障及出海口段受潮水顶托和上游暴雨洪水的共同影响，以及泥沙淤积严重等现象，在很大程度上阻滞了行洪安全。图 1昌化江流域水系示意1.2水文条件昌化江流域内多年年均降水量为 1 540mm，自上游向下游递减。年内雨量分配极不均匀，多年平均流62量为 136.1m3/s，相应水量为 42.9 108m3。规划昌化江取水口距离下游宝桥水文站 18.7km，昌化港的实测潮位资料不全，只调查到 6311 号台风暴潮的历史最高潮位为 3.27 m。引用八所验潮站的最高潮位资料系列(1979 1997 年)，经与昌化港进行验潮站潮高基准面换算(八所港和昌化港潮高基准面分别在平均海面下145cm 和 195cm)，得到昌化港的引用资料系列，并加入昌化港历史最高潮位，采用 P 型曲线进行设计潮位的频率计算。经适线，点线配合良好，计算结果为:Z均=2.13 m，Cv=0.10，Cs/Cv=2.00，Zp=5%=2.48 m。1958 年在宝桥水文站上游支流石碌河上建成大(二)型水库 石碌水库，其控制面积占宝桥以上流域面积的 11.8%，对下游洪水有一定的影响，但与宝桥站的实测系列基本一致;1993 年建成大广坝水库，其控制面积占宝桥以上流域面积的 75.5%，对下游洪水有较大影响。由于大广坝水库没有防洪库容，不能拦蓄较多洪水，只是起到调峰的作用，由于建库后系列较短，直接计算宝桥站在大广坝水库建库后设计洪水成果的精度不高，现将宝桥站 1956 2005 年共 50a的水文资料进行频率统计分析，其计算成果见表 1。由表可知，宝桥水文站 100 年一遇设计洪峰流量为27 100m3/s。表 1昌化江流域宝桥水文站设计洪水成果(建大广坝水库后)项目均值=6 950m3/sCv=0.80Cs/Cv=2.50频率/%0.010.050.10.5125102025流量/(m3s1)52 90043 90040 00031 00027 10024 10018 10014 20010 3009 100频率/%30405060707580909597流量/(m3s1)8 0806 4705 2304 2103 3602 9702 6101 9601 6701 5502河道取水口规划基本原则河道上规划水厂取水口布置一般应遵循以下原则:工业和生活用水取水口高程的设置应按照工业和生活用水保证率来进行，其用水保证率一般取 95%97%，大型水厂取水口按 99%保证率计算;取水口设置要求具有长期性和稳定性2。取水口布置应避开河床质较松散的河段，避免取水口处于冲淤变化的不稳定状态。河道产生冲淤变化原因包括弯道环流和地球自转偏向力的作用，受这些冲淤变化因素的作用，使取水设施和稳定性受到影响，应确保河道冲淤变化对水厂用水的长期性和稳定性影响最小。应确保取水口不吸入汽化水，并避免喇叭口顶部外露而影响景观。为保证原水质量，取水口设计淹没水深至少为0.5m，取水喇叭口下缘离床面至少为 1.0m3。取水口通常设置在较为适宜的弯曲河段凹岸。河水弯道水流受重力和离心力的作用产生横向比降，表层水流流向凹岸，底层水流流向凸岸，同时受到纵向水流作用，弯道中水流呈螺旋环流，河床底的泥砂由凹岸运向凸岸，形成凹岸冲刷，凸岸淤积形态，水流中泓主流靠近凹岸一侧，凹岸多需采取护岸工程冲刷，凸岸需要清淤。曲率过大的弯曲河段有可能发生裁弯取直，不宜设置取水口。河流进入中下游区域，顺直河段存在变形的可能性。应首先考虑地球自转偏向力影响，河段岸边常分布有犬牙交错的边滩，不要设在边滩或靠近边滩的下游区域。在较顺直的河段设置取水口时，尽可能选择在河宽较窄、水深较大的卡口河段，以利于取水4。对冲淤变化较大的河流，按以往实测资料推求的保证率水位在应用中可靠性相对要低一些，因为当河道冲淤变化影响时，水位流量关系要发生相应变化。有条件时取水口设计高程尽量取低水位，以提高取水保证率。水厂取水口保证率特征水位通常有 2 种方法确定:对实测流量资料进行频率分析计算求得保证率流量，再从水位流量关系曲线查得水位作为保证率水位;对实测水位资料进行频率分析计算求得各保证率水位。在条件允许下取水口设计高程尽量取低一些，以提高取水保证率。海南省昌江县水务局拟在昌化江大风村河段设置水厂取水口，取水口位于距离昌化江宝桥水文站下游18.7km 的 大 风 村 段 河 道，距 离 昌 化 江 出 海 口 约11.6km。分析拟建取水口河段特征水位，对取水口保证供水安全和防洪安全具有重要意义。昌化江宝桥水文站至入海河段河道区位见图 2。图 2昌化江宝桥水文站至入海河段河道区位示意目前，研究河道一维水动力计算主要采用 Saint Venant 方程组理论5 求解河网非恒定流的求解过程有3 类方法:一种是直接法，这类方法中较为有效的是李岳生等于 1977 年提出的河网非恒定流隐式方程组稀疏矩阵解法;一种是利用由荷兰水力学家 Dronkers722012 年 12 月第 12 期穆杰，等:规划水厂取水口河道特征水位计算与分析No.12Dec 2012(1964)提出后经众多学者发展的分级解法6，其中包括四级解法和汊点分组法3 等;一种是由 MichaelAmeint(1970)提出，由 Fread(1971)等人发展的用 New-ton Raphson 方法直接求解非线性方程组的方法 7 8。3一维河道水动力学模型规划取水口位于昌化江下游，属于弱感潮河段，计算取水口所在断面特征水位对河道两岸防洪安全和饮水安全有重要的指导作用，计算采用一维水动力数学模型。3.1基本方程一维水动力数学模型采用一维 Saint Venant 方程组，方程如下:连续方程:B Z t+Q x=q(1)动量方程:Q t+x(1Q2A)+(gA Bv2)z xv2 A xz+gQ2AC2R=0(2)式(1)、式(2)中，x 为流程，m;t 为时间，s;z为水位，m;Q 为流量，m3/s;A 为过水断面面积，m2;B 为河道水面宽度，m;g 为重力加速度，m/s2;C=1()/n R1/6为谢才系数;R 为水力半径，m;n 为糙率系数;v 为过水断面平均流速，m/s;ql为单位河道流程上的侧向出流量，m2/s，负值表示入流量。对于求解域中一点 M，根据普列斯曼的四点隐式差分格式，任意函数 f 及其偏导的离散形式可表达为:fM=0.51()fni+fni()+1+fn+1i+fn+1i()+1(3)f tM=12tfn+1i+fn+1i()+1fni+fni()+1(4)f xM=12x fn+1i+1fn+1()i 1()fni+1f()ni(5)把式(3)、式(4)、式(5)代入 Saint Venant 方程组式(1)、式(2)，经整理后可得:A1izj+1i B1iQj+1i+C1izj+1i+1+D1iQj+1i+1=E1i(6)A2izj+1i+B2iQj+1i C2izj+1i+1+D2iQj+1i+1=E2i(7)式(6)、式(7)是关于 4 个未知变量 zj+1i，zj+1i+1，Qj+1i，Qj+1i+1的非线性代数方程，每个网格代表一个计算河 段，对 于 划 分 为 N 个 断 面 的 全 河 段，共 有2 N()1 个代数方程，再加上两端边界条件，构成有2N 个未知数、2N 个代数方程组的封闭系统，采用Gauss 列主元消去法及压缩 储 存 技 术，最 终 利 用Newton Raphson迭代法求解。3.2初始及边界条件和汇流汊口连接条件河网计算的边界条件包括上游边界、下游边界及内部边界条件。上游边界条件包括给定流量、水位过程线 2 种。下游边界条件包括流量过程、水位过程、单值流量水位关系、水位流量绳套曲线、动力单值水位流量关系及临界流等 6 种形式。若河道上存在着泄洪口门、闸和桥梁等水工或交通建筑物并伴有旁侧出流(入流)，须根据建筑物的特点给出相应内部边界条件，内部边界条件的兼容条件:Qi=Qi+1，Qi=Qs+Qb(8)式(8)中，i，i+1 是内部边界条件上的上下游 2个断面;Qs是通过坝、闸、桥梁等的流量;Qb是旁侧入流(出流)。水闸为内部边界条件时分内河闸和侧向闸 2 种形式，分别给定过流量计算公式。初始条件:(Z)t=0=Z0;(Q)t=0=Q0。边界条件:(Z*)=Z(t);(Q)=Q(t)，为边界。汊点是 2 条以上河段的交汇点，是相关支流汇入或流出点6，汊口点水流要满足水流连续条件和能量守恒条件:水流连续条件:mi=1Qi=0(9)水位连接条件:Zij=Zm，n=Zl，k(10)式中Qi为汊口节点第 i 条支流流量，流入为正，流出为负;Zi，j等表示汊口节点第 i 条支流第 j 号断面的平均水位。3.3模型计算方法方程离散采用四点加权 Preissmann 固定网格隐式差分格式，求解时采用已较为成熟的 Newton Raphson迭代法。此算法将河网中的汊点分组，首先求出末组的水位增量，逐步回代求得各河段断点水位增量和流量增量，之后求得各河段内部断面的水位、流量增量，并按精度要求叠代进行下一时段的计算。应用 Newton Raphson 迭代法求解树形河网非恒定流，应首先对整个河网进行拆分，确定干流河道和支流河道。给定各支流入流量的预估值 Qpie，其中 e 表示编号为 i 的支流河道与干流汇合的断面号;由各支流的 Qpie值、上下游边界条件以及内部边界条件，可求得干流各断面的水位和流量值;根据求出的支流河道与干流汇流点的水位值，联合各支流的上游边界条件，应用 Newton Raphson 迭代法求解各个支流河道，求出各支流汇入干流的流量 Qcie，如果满足式(11):Qcie Qpie Qs(11)Qs为预先给定的允许误差，则即视为满足精度要求;否则，根据松弛算法的基本原理，按式(12)重新估计支流断面 e 处的汇流量:Qnie=Qcie+(1 )Qpie(01)(12)为松弛操作数。令 Qpie=Qnie，并按照上述方法重新计算，如此循环直至求出满足收敛条件式(11)的 Qcie。822012 年 12 月第 12 期广东水利水电No.12Dec 2012计算中，水位迭代误差限取 0.001m，流量迭代误差限取 0.01m3/s。3.4模型率定和验证天然河道的糙率是衡量河床及边壁形状不规则和粗糙程度对水流阻力影响的一个综合性系数，也是衡量河流能量损失的特征量 9。考虑宝桥水文站的分析计算成果及参考下游河段河床组成情况，根据已有的实测水位、流量资料的历史洪水对河道糙率进行率定 9，对计算水位、流量与实测数值不相符的河道断面，重新调整其糙率，直至其计算水位、流量值与实测数据的差值保持在许可的精度范围内。计算中，模型共布设了 19 个断面(工程位于第 10 断面)，模拟河道长度为 35.0km，确定本河段的糙率 n 值为0.027 0.048。P=1%设计洪水(流量为27 100m3/s)条件下，昌化江宝桥水文站至入海口河段河道水位验证见图 3 和表 2，本次一维数模水位计算值和设计值最大误差不超过0.15m。图 3昌化江宝桥水文站至入海口河段模型验证(P=1%，设计流量为 27 100m3/s)3.5模型的输入边界条件为模型上边界宝桥水文站的流量;下边界为昌化江入海口潮位;初始条件为昌化江初始时刻各断面的水位与流量。考虑到海南省昌化江流域降雨充沛，地下水资源丰富，河道水流入渗损失忽略不计。3.6设计水位计算成果通过建立的一维水动力数学模型，结合以上水文条件，经计算确定取水口位置(大风村)100 年一遇设计水位为 17.43m，洪峰流量为 27 100m3/s，昌化江下游河段 100 年一遇设计洪水水面线计算成果见表 3。大风村取水口河道断面处多年平均水位为 6.76m，流量为 120m3/s，大风村取水口河道断面处 100 年一遇枯水位为 5.83m，流量为 0.9m3/s。大风村拟建取水口断面及特征水位计算成果见图 4。图 4大风村拟建取水口断面及特征水位计算成果(距离宝桥水文站下游 18.7km，56 榆林高程，起点距左起)表 2昌化江下游河段 100 年一遇设计洪水水面线计算成果(国家 85 高程)编号C1C2C4C6C8C9C11C12C13C16名称宝桥水文站公路桥红薯地村岭村长塘村大风村旧县村赤坎村居多码头咸田村断面桩号/km1+5003+4009+79015+55017+90022+57026+73028+00030+70033+000设计洪水位理论值/m29.7928.4425.2622.6621.5017.8614.4112.8810.187.88本次洪水位计算值/m29.7728.3425.4022.5221.5617.7914.3512.9310.258.03差值/m0.020.100.140.140.060.070.060.050.070.15表 3昌化江下游河段设计洪水水面线计算成果编号典型计算工况宝桥水文站河道流量/(m3s1)昌化港潮位/m大风村取水口处水位/m国家 85榆林 561100 年一遇设计洪峰流量27 1003.2717.4316.622多年平均流量1202.136.765.953100 年一遇枯水流量0.92.135.835.02(下转第 33 页)922012 年 12 月第 12 期穆杰，等:规划水厂取水口河道特征水位计算与分析No.12Dec 2012频率参数计算中，构建了基于蚁群算法的水文频率参数优化适线法，并以 3 个水文站年最大洪峰流量数据作为样本数据进行算法学习训练。试验数据表明，水文频率参数的蚁群优化适线法运算获得的参数估计值在准确性、精度等方面，均比常规矩法和权函数法较高，能够满足水文频率参数估算需求，为推求年径流频率曲线统计参数提供了一种新的研究思路。参考文献:1 水利部长江水利委员会水文局，水利部南京水文水资源研究所 水利水电工程设计洪水计算手册M 北京:水利电力出版社，1994 2 李松仕 指数 分布及其在水文中的应用J 水利学报，1990，(5):30 37 3 邱林，陈守煜，潘东 P 型分布参数估计的模糊加权优化适线法 J 水利学报，1998，(1):33 38 4周爱霞，张行南优化适线法在水文频率分析中的应用 J 人民长江，2007，38(6):38 39 5武亮 MATLAB 在工程水文中的应用J 云南水力发电，2002，18(3):13 14(本文责任编辑王瑞兰檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿)(上接第 29 页)4结语1)河道上规划水厂取水口取用水保证率一般取95%99%，取水口布置应避开河床质较松散的河段，综合河段水动力、泥沙冲淤特点、避免吸气水流等因素而选定，弯曲河段的凹岸一般是较为适宜的取水口选址区域，以确保取水口供水的可靠性和稳定性。2)对于对实测流量、水位资料较为全面的河段，应对实测流量、水位资料进行频率分析计算，进而求得河道各保证率流量和保证率水位，在条件允许下取水口设计高程尽量取低一些以提高取水保证率。3)在缺乏实测资料的河段，取水口高程设计应采用现场考查、水文实测资料分析和一维河网水流数学模型计算等多种研究手段，根据河道现状特点和工程经验确定河段糙率，通过数值计算确定典型频率洪水位和特征水位。本文的研究方法可应用于类似河道水厂规划取水口河段特征水位的分析和确定。参考文献:1 海南省水文水资源勘测局，海南省水文总站 海南省昌化江流域防洪规划R 海口:海南省水文水资源勘测局，1999 2 郭芹英 动态河道最低水位计算方法探讨 J 中国农村水利水电，1999，(5):1 4 3 田一鸣，赵渭军，曹颖 萧山江东大型水厂取水口位置选择 J 人民黄河，2011，(1):21 22 4 李世举，周建伟，白领群 感潮河段潮洪组合设计水位计算方法研究 J 人民黄河，2006，28(10):33 35 5 董传红，王保东 一维不恒定流河网数学模型研究与应用 J 水利水电技术，2005，36(4):18 20 6 李义天 河网非恒定流隐式方程组的汊点分组解法J 水利学报，1997，(3):49 57 7李毓湘，逄勇 珠江三角洲地区河网水动力学模型研究 J 水动力学研究与进展，2002，16(2):143 155 8 涂向阳，郭磊，张晨，等 景洪水电站典型日运行对下游河道影响预测 J 中国农村水利水电，2006，(10):121 125 9 张小琴，包为民 糙率对感潮河段水位预报的影响 J 水文，2009，29(3):19 23(本文责任编辑王瑞兰)332012 年 12 月第 12 期广东水利水电No.12Dec 2012