摘要
城市河道修建多级闸坝，实现层层拦截蓄水，形成良好的水上景观，但随着闸坝数量增多，蓄水量增加，梯级闸坝汛期调度问题随之而来。汾河太原城区段共修建7座橡胶坝和2座水闸，总蓄水量2600万m3，汛期不合理的闸坝调度可能造成“洪水叠加”，危及工程及下游河道安全，故有必要对汛期闸坝调度规则进行探索研究。 对于大频率洪水，需要提前塌坝泄空以保证安全行洪，而对于较小频率洪水，塌坝泄空会造成水资源浪费，不利于洪后蓄水。本文采用MIKE21软件，构建了考虑塌坝和开闸过程的汾河兰村至二坝段二维水动力学模型，本着安全行洪和蓄水兼顾的原则，对小频率洪水来临时不完全塌坝和开启部分闸门的情况进行闸坝联合调度研究，模拟分析不同调度方案下的水流特性。本文的主要研究内容及成果有： 1、阅读国内外文献，了解洪水演进及闸坝调度研究现状，归纳总结洪水演进数值模拟方法。收集地形及水文资料，利用MIKE软件构建研究区域二维水动力学模型。 2、利用已有的物理模型试验成果，对橡胶坝模拟效果进行校核计算，并通过模拟计算河道恒定流水面线，对模型参数进行率定。而后通过实测洪水过程和橡胶坝塌坝过程的模拟，对所建模型进行验证，水位和流量吻合良好，所构建的模型能够较好地反映橡胶坝的塌坝过程和洪水演进规律。 3、利用上述模型对城区段河道进行洪水演进模拟计算。首先在三期闸门全开情况下，对橡胶坝工程区7座橡胶坝在4组不完全塌坝组合情况下的过流特性进行比选分析。计算结果表明：洪水以波的形式传播，在传播过程中，洪峰逐渐坦化，发生20%频率洪水时，洪峰由兰村到达1#橡胶坝需3小时，相应流量1381m3/s，洪峰由兰村传至二坝在无闸调控下为8.5小时，相应流量1256m3/s；行洪过程中，蓄水渠的流量分配与1#橡胶坝塌坝高度呈正相关关系；1#坝与5#坝为浑水渠与蓄水渠之间中隔堤的始端和末端，易发生局部绕流现象，当洪水流量较小时，该现象愈加明显；通过方案比选，得出不完全塌坝调度方案B最优，相应1#~7#橡胶坝塌坝高度分别为：1.1m、1.1m、1.1m、1.1m、1.8m、1.8m、2m。 4、在橡胶坝塌坝方案B的基础上加入三期2座闸，对4组闸坝联合调度方案进行计算模拟及方案比选。结果表明：加入三期闸门调控后，洪峰到达二坝处略有延迟，削峰作用明显，流量由未加三期闸的1256m3/s削减为1154m3/s；8#与9#闸处，由于闸墩存在，闸前水位雍高，且部分闸门开启，易发生绕流现象，存在较大范围的回流；由于河床底高程不同，三期闸前东西岸水深相差较大；通过方案比选，得出方案F为最优开闸方式，相应闸门开启方式为：8#闸开东侧2孔闸门、西侧1孔闸门，9#闸开东侧3孔闸门，西侧1孔闸门。 5、基于闸坝调度方案F，考虑塌坝及开闸过程和洪水过程的相互关系，模拟分析3组闸坝实时调度方案下工程区洪水演进情况。结果表明：各实时调度方案，闸坝塌坝或开闸操作产生的泄水与洪峰均未发生叠加现象，洪峰到达前闸坝均已按照方案F进行调控，其通过时的水位、流量与闸坝未进行实时调度操作时情况基本相同，均满足安全行洪要求。但不同实时调度方案，洪水演进过程中，橡胶坝和闸前洪水叠加程度不同，橡胶坝坝顶水头和闸前水深不同。相较而言，整体上方案F(2)调度情况下，各闸坝处流量叠加较小，橡胶坝坝顶水头高于0.5m持续时间较短，利于安全运行，且闸前水深较大，利于洪后蓄水，为本文推荐调度方案。 6、本文推荐的调度方案是一种闸坝实时调度规则，在发生20%频率洪水时，能够满足安全行洪要求且利于洪后蓄水，可为太原城区发生低频率洪水时闸坝群运行规则的制定提供参考，同时研究方法也可为其他类似问题提供借鉴。
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