古 玉，方天鈺，陳 建，劉曉東，韓 宇

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

目前我國水資源短缺問題十分嚴(yán)重，已成為制約我國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要因素之一。我國現(xiàn)有灌溉面積0.664 億hm2，農(nóng)業(yè)用水更是占到用水總量的62.4%[1]，因此為應(yīng)對水資源危機(jī)，采用農(nóng)業(yè)用水節(jié)水措施是必要的。灌溉渠系進(jìn)行輸配水時，需要根據(jù)灌區(qū)用水量要求通過閘門進(jìn)行調(diào)節(jié)，此時渠道中的水流受到干擾必定會出現(xiàn)非恒定流，使渠道中的水位、流量既沿程發(fā)生變化，又隨時間發(fā)生變化。由于無法預(yù)測該過渡過程，常發(fā)生重復(fù)調(diào)度，導(dǎo)致渠道配水的可靠性及準(zhǔn)確性很差，甚至跑水和棄水，造成水量浪費(fèi)，降低灌溉質(zhì)量。為使整個渠系引水、輸水、配水過程科學(xué)合理，減少渠道輸水損失，提高水的利用效率，達(dá)到節(jié)水的目的，數(shù)值模擬是最為有效可行的方法。

明渠非恒定流的理論研究起源于18世紀(jì)后期Laplace和Lagrange對淺水波的研究，之后Lagrange給出了其波速公式。到1871年，Saint-Venant在做了大量研究的基礎(chǔ)上，提出了明渠非恒定流的理論和通用方程，即Saint-Venant方程，使明渠非恒定流現(xiàn)象得到了數(shù)學(xué)描述，推動了通過數(shù)學(xué)方法研究這一問題的發(fā)展。之后國內(nèi)外學(xué)者不斷深入研究，提出了有限差分法、特征線法和有限單元法等多種求解方法，其中有限差分法又包括直接解法、分級解法、單元劃分法、混合解法以及松弛迭代法等。相關(guān)理論的不斷發(fā)展完善的基礎(chǔ)上，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，明渠非恒定流的數(shù)值模擬也得到了充分發(fā)展。法國的CARIMA[2]模型以及荷蘭的MODIS[3]、DUFLOW[4]模型都在田間試驗(yàn)中得到了較好驗(yàn)證。Gary P Merkley[5]教授開發(fā)出了一個可視化的模擬軟件CanalMan，它允許用戶自己建立所需渠道并定義相關(guān)參數(shù)，進(jìn)一步修改后形成RootCanal水力模擬軟件，但在后來的使用中發(fā)現(xiàn)此軟件也存在著一些問題。到現(xiàn)在為止，應(yīng)用較為廣泛且效果較好的一個軟件是丹麥水力研究所(DHI)開發(fā)的Mike11。Mike11雖然模擬效果較好，但其無法模擬閘門開度調(diào)控過程，且費(fèi)用很高。在國內(nèi)，20世紀(jì)80年代起，我國的非恒定流數(shù)值模擬開始有了進(jìn)展，針對灌溉渠網(wǎng)，從1982年到2000年，王長德[6-9]建立了上、下游常水位自動控制渠道以閘門運(yùn)動為動態(tài)邊界條件的渠道非恒定流計(jì)算模型，并將P+PR算法(比例+比例微分算法)與比威爾算法相結(jié)合。2001年，趙競成等[10]建立了較完整的渠系運(yùn)行模型，編制了具有一定通用性和可擴(kuò)充性的計(jì)算機(jī)模擬軟件。到2010年，韓宇等[11]模擬了上游和下游常水深兩種運(yùn)行方式下梯形斷面渠段由于不同閘門調(diào)控方式所引起的非恒定流過渡過程并進(jìn)行了比較，相對明確地模擬了閘門調(diào)節(jié)過程。2013年，章少輝等[12]把渠系輸配水控制方程變形處理，在具備高精度和分辨率的標(biāo)量有限體積法的基礎(chǔ)上建立了末級渠系非恒定流數(shù)值模擬模型并驗(yàn)證。

發(fā)展至今，非恒定流模擬的相關(guān)理論已經(jīng)較為完善，Preissmann四點(diǎn)隱格式和特征線最為常用。在數(shù)值模擬方面，河網(wǎng)非恒定流數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)較好，Mike軟件得到普遍使用且模擬效果較好，但灌溉渠網(wǎng)中非恒定流數(shù)值模擬仍缺乏較好的相關(guān)模型或程序。且國內(nèi)外相較來說，我國針對非恒定流的研究開始的較晚，雖然理論方面發(fā)展較完善，但多基于南水北調(diào)工程，忽略某一段面的改變對其上下游穩(wěn)態(tài)水流的干擾，并且由于灌溉渠道中閘門的調(diào)控方式及其形成的邊界條件不容易合理概化，針對河網(wǎng)的數(shù)值模擬模型無法直接用于灌溉渠道，所以在灌溉渠網(wǎng)非恒定流數(shù)值模擬技術(shù)方面仍有所欠缺。另外，對于數(shù)值模擬可視化的研究較少，且多針對河網(wǎng)，2000年，徐小明等[13]用Fortran語言，對計(jì)算出的水位變化過程作了可視化顯示研究；2002年，馬洪明等[14]，運(yùn)用計(jì)算機(jī)信息平臺，建立了一套圖形顯示水力模型的支持系統(tǒng)；2008年，陳棟[15]基于松弛迭代法，運(yùn)用混合編程技術(shù)，開發(fā)了河網(wǎng)非恒定流數(shù)值模擬的可視化系統(tǒng)；但這些成果都不夠成熟故沒有得到推廣使用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與非恒定流模擬相結(jié)合，建立起一個較為簡便且適用性強(qiáng)的灌溉渠系非恒定流模擬軟件，對渠道各處的水力要素進(jìn)行模擬，將能夠使工作人員及時了解渠道水流的動態(tài)變化過程，給出適當(dāng)?shù)拈l門調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)對水資源的科學(xué)合理調(diào)配，從而提高渠系輸配水的利用率，大大減少農(nóng)業(yè)用水的浪費(fèi)。

本文采用特征線法求解Saint-Venant方程，并建立簡單渠系模型模擬引湯灌區(qū)北干渠及九、十支渠系閘后水流過渡過程，并與Mike11模擬結(jié)果進(jìn)行比對并驗(yàn)證該模型準(zhǔn)確性。其后基于該模擬結(jié)果利用閘下出流公式建立閘門開度模擬模型，同時對多級閘門同步與逐級調(diào)控兩種情況進(jìn)行模擬，討論其優(yōu)缺點(diǎn)，對渠系閘門調(diào)控進(jìn)行了簡單設(shè)計(jì)。

1 灌溉渠系非恒定流數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

非恒定流是指過水?dāng)嗝嫔系乃σ?流量、水位及流速等)不僅隨空間位置的改變而變化，而且隨時間不斷變化的水流。灌溉渠道中的非恒定流為明渠非恒定流，圣維南方程就是針對這一問題的函數(shù)關(guān)系式，即明渠非恒定流的控制方程，它由連續(xù)性方程和運(yùn)動方程組成。

從有旁側(cè)入流的明渠非恒定流中取一長為ds的微小流段，由質(zhì)量守恒原理可推出連續(xù)性方程如下：

(1)

假定水面波動是漸變的，忽略局部水頭損失，由動量定理或牛頓第二定律可推導(dǎo)出其運(yùn)動方程如下：

(2)

式中：B為水面寬度，m；Z為水位，m；Q為流量，m3/s；s為流程，m；ql為單位長度上的側(cè)向匯流流量[流入為正，流出為負(fù)，m3/(s·m)]；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；g為重力加速度，m/s2；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；h為水深，m。

1.2 求解方法

本文采用特征線法，用矩形網(wǎng)格劃分求解域從而把微分方程的連續(xù)問題離散化，以有限個網(wǎng)格點(diǎn)代替原連續(xù)區(qū)域，用數(shù)值積分逼近微分方程，建立網(wǎng)格函數(shù)的代數(shù)方程組，在離散點(diǎn)上求解網(wǎng)格函數(shù)的值，總的來說就是把圣維南偏微分方程組化為常微分方程即特征方程組進(jìn)行求解[16, 17]：

(3)

(4)

采用矩形網(wǎng)格特征差分法進(jìn)行離散：首先將求解域依據(jù)時間t和距離s進(jìn)行矩形網(wǎng)格劃分，如圖1，網(wǎng)格的交點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。其中，i=0,1,2,…,n表示距離s的段號；j=0,1,2,…,n表示時間t的段號。Δsi=si-si-1表示距離步長，即渠段分段長度，可以等步長也可變步長；Δtj=tj-tj-1表示時間步長，需要根據(jù)穩(wěn)定格式的限制和實(shí)際要求確定。圖1中，順、逆特征線(ω±)在時層j+1上的交點(diǎn)為點(diǎn)P，與時層j的交點(diǎn)分別為L和R，其間的結(jié)點(diǎn)為M，左右兩邊點(diǎn)各為點(diǎn)D和點(diǎn)E，求解方程即求解交點(diǎn)P。當(dāng)給定初始條件后，則根據(jù)時間步長進(jìn)行循環(huán)計(jì)算求解。

圖1 矩形網(wǎng)格圖示意圖Fig.1 The Schematic of Rectangle grid diagram

要求點(diǎn)P的水位和流量，則需先求出點(diǎn)L和R，這兩點(diǎn)不在網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)上，因此采用柯朗格式進(jìn)行線性內(nèi)插，之后利用積分和積分中值定理可得到離散結(jié)果如下：

(5)

(6)

(7)

同時，由于柯朗格式為一階顯格式，為使計(jì)算穩(wěn)定，需要選擇合理的距離步長和時間步長使其滿足穩(wěn)定性條件式(8)：

(8)

1.3 邊界條件

灌溉渠道邊界條件包括內(nèi)、外兩種邊界條件，其中內(nèi)邊界條件是指閘門等控制建筑物在渠段中的調(diào)控所產(chǎn)生的邊界處的變化，外邊界條件是指入流及出流邊界條件。

上述的計(jì)算格式只適用于內(nèi)部點(diǎn)的計(jì)算，如圖2所示，對于邊界點(diǎn)來說：僅有一條特征線，即只有兩個方程，但其未知數(shù)有3個，故需補(bǔ)充邊界條件。

上、下游邊界條件一般情況下有如下3種情況：①Z=Z(t)，即水位過程已知；②Q=Q(t)，即流量過程已知；③Q=f(Z)，即水位流量關(guān)系已知。

圖2 上下游邊界點(diǎn)示意圖Fig.2 The schematic diagram of the upstream and downstream boundary points

1.4 汊點(diǎn)處條件

灌溉渠系多呈樹狀，因此在其布置形式中必然存在眾多分岔。灌溉渠道分為干、支、斗、農(nóng)四級，它們之間必然由一系列分支、匯交點(diǎn)連接，這些連接點(diǎn)即為汊點(diǎn)。在汊點(diǎn)處，水流需滿足相應(yīng)的連接條件，即流量相容和能量相容條件[18, 19]。

圖3 分岔渠道示意圖Fig.3 The Schematic diagram of the distribution channel

流量相容條件為：

(9)

式中：n為汊點(diǎn)處的渠道數(shù)目；Qi為第i個渠道在汊點(diǎn)處的流量；當(dāng)渠道水流流入汊點(diǎn)時sli取“+1”，流出時取“-1”。對圖3所示的分岔渠道，其流量相容條件可寫為：

Q1=Q2+Q3

(10)

能量相容條件為：

首先將汊點(diǎn)概化為一個幾何點(diǎn)，如圖3，斷面A-A、B-B、C-C圍出了一個小流域，由于只須計(jì)算其邊界斷面上的流量或水位，故可不研究此內(nèi)的非恒定流狀態(tài)，假設(shè)流域的面積為零。在理想情況下，即不考慮局部水頭損失，同時一般情況下不存在水位突變，故有：

Z1=Z2=Z3

(11)

式中：Zi(i=1,2,3)為第i個渠道在汊點(diǎn)處的水位。對于灌溉渠道，汊點(diǎn)處經(jīng)常安有閘門等水工建筑物，故考慮局部水頭損失，可列出能量方程如下：

(12)

(13)

式中：αi(i=1,2,3)為能量修正系數(shù)且α1=0。

結(jié)合上述汊點(diǎn)處條件并參考文獻(xiàn)[17],本文對分岔渠系的模擬采用逐級追趕的方法。顧名思義，就是對渠系中的各級渠道逐次求解，以前一級渠道模擬得到結(jié)果作為下一級渠道的初始條件，分岔處則根據(jù)汊點(diǎn)處的流量相容條件，用干渠所得結(jié)果減去支渠的結(jié)果作為下一級渠道的初始條件，這樣逐級追趕，得出所需結(jié)果。這種方法思路清晰，易于理解與掌握，在編程過程中只需注重汊點(diǎn)處的條件變化設(shè)置，可以大大減少編程工作量。在實(shí)際應(yīng)用中，若汊點(diǎn)較少且流量變化率不大，則可直接按照此法逐級求解。

2 渠系數(shù)據(jù)及模擬條件

引湯灌區(qū)位于黑龍江省湯原縣，灌區(qū)的水源來自湯旺河，設(shè)計(jì)灌溉區(qū)域2.68 萬hm2，工程總的設(shè)計(jì)引流量為160 m3/s。本文選取部分引湯北干渠及其九、十支渠作為分岔渠系模擬模型，相關(guān)模型數(shù)據(jù)見表1、表2及表3。

表1 北干渠數(shù)據(jù)表Tab.1 North trunk channel data table

表2 九支渠數(shù)據(jù)表Tab.2 Data table for nine canals

表3 十支渠數(shù)據(jù)表Tab.3 Data table for ten canals

模擬條件：模擬總時長200 min，時間步長取值根據(jù)式(8)計(jì)算得到：干渠1，Δt≤62 s；干渠2，Δt≤61 s；干渠3，Δt≤62 s；九支渠，Δt≤108 s；十支渠，Δt≤112 s，故各渠道模擬時間步長均取為60 s。各渠道均采用下游常水深運(yùn)行方式，其中干渠1上游流量在20 min內(nèi)從25.28 m3/s線性增加到30.11 m3/s，九支渠上游流量在20 min內(nèi)從1.02 m3/s線性增加到1.32 m3/s，干渠2的上游斷面的流量變化則為干渠1模擬得到的下游流量減去九支渠上游斷面的流量。十支渠上游流量在20 min內(nèi)從0.79 m3/s線性增加到1.02 m3/s，干渠3上游斷面的流量變化則為干渠2模擬得到的下游流量減去十支渠上游斷面的流量。

3 模擬結(jié)果分析

在上述工況下，可模擬得到各渠道上游斷面水位變化和下游斷面流量變化，將所得過渡過程數(shù)值結(jié)果與用Mike11軟件模擬得到的結(jié)果進(jìn)行對比，來驗(yàn)證其可靠性，見圖4～圖8。

圖4 干渠1上下游斷面水位流量變化過程Fig.4 Process of water level flow change in the upper and lower sections of the main canal 1

由以上模擬結(jié)果可知，本研究中所建立模型與Mike11模型模擬結(jié)果大致吻合，說明該模型模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確，并由此得出具體結(jié)果如下。

(1)在同時調(diào)節(jié)干渠一、九支渠以及十支渠上游閘門使其按照模擬條件產(chǎn)生相應(yīng)流量時，各渠道水位、流量在50 min之后都基本達(dá)到了穩(wěn)定。

(2)干渠一的下游流量在一次波動后達(dá)到穩(wěn)定，在流量線性增大的20 min內(nèi)，上游水位也表現(xiàn)為線性增長，經(jīng)過小幅波動后過渡到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)在經(jīng)過之前的傳播及九支渠的分流后，干渠二的下游流量波動更加明顯，同時干渠二水位變化表現(xiàn)為非線性，在經(jīng)歷一定波動后達(dá)到穩(wěn)定；干渠三的流量水位變化規(guī)律與干渠二類似，只是在經(jīng)過進(jìn)一步傳播后，波動較干渠二更為明顯。

(4)在給定模擬條件下，九支渠的流量變化幅度很小，故其下游斷面流量波動很小，隨后逐漸達(dá)到穩(wěn)定。同時在流量線性增大的20 min內(nèi)，其上游水位也表現(xiàn)為線性增長，之后趨于穩(wěn)定；十支渠的流量水位變化與九支渠類似，故不再贅述。

圖5 干渠2上下游斷面水位流量變化過程Fig.5 Process of water level flow change in the upper and lower sections of the main canal 2

圖6 干渠3上下游斷面水位流量變化過程Fig.6 Process of water level flow change in the upper and lower sections of the main canal 3

圖7 九支渠上下游斷面水位流量變化過程Fig.7 Process of water level flow change in the upper and lower sections of the nine branch canal

圖8 十支渠上下游斷面水位流量變化過程Fig.8 Process of water level flow change in the upper and lower sections of the ten branch canal

4 閘門運(yùn)行設(shè)計(jì)

4.1 閘門開度調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)灌溉渠道自動化是提高渠系輸配水效率，建設(shè)節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容。而其自動化設(shè)計(jì)中的一個重要環(huán)節(jié)就是合理的閘門調(diào)控設(shè)計(jì)。灌溉渠道運(yùn)行時，往往需要根據(jù)灌溉流量需求來進(jìn)行水量輸配，所需水流從水源到田間的過程中受各種因素干擾，引起取水口水深變化，就需要通過相應(yīng)閘門來進(jìn)行控制，要得到合理的閘門調(diào)控措施，就需要知道相應(yīng)波動下閘門的開度隨時間的變化。根據(jù)本文建立的渠道模型可以求出相應(yīng)于閘門斷面的水位或流量變化，從而可以根據(jù)閘孔出流的公式添加閘門開度計(jì)算模型，得出閘門的調(diào)控過程，為相關(guān)工作人員提供決策依據(jù)。

閘孔出流可分為自由出流和淹沒出流，如圖9和圖10所示，它們的流量計(jì)算都有對應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，可統(tǒng)一為以下格式：

(14)

式中：Qz表示通過閘門的流量；bz表示閘孔寬度；Go表示閘門開度；hu表示閘門上游水深；cd表示流量系數(shù)，對于平板閘門，其取值可按下式計(jì)算：

圖9 淹沒出流Fig.9 Flooded outflow

圖10 自由出流Fig.10 Free flow

自由出流：

(15)

淹沒出流：

(16)

式中：hd表示閘門下游水深。

在上述引湯灌區(qū)分岔渠系模型中，渠道采用下游常水深運(yùn)行方式，其給定的初始條件中的上游流量的線性變化應(yīng)該是在下游水位保持不變的情況下由上游閘門調(diào)控所產(chǎn)生的，因此根據(jù)模擬得到的上游斷面的水位變化過程(即閘后水深變化)，反推出上游閘門在流量線性變化情況下對應(yīng)的開度隨時間的調(diào)節(jié)過程。

對于九支渠，首先通過試算得出其初始閘門開度：已知初始閘門上、下游水深分別為1.39 m和0.66 m，閘孔寬度為0.8 m，先假定一個閘門開度，判斷其屬于自由出流還是淹沒出流，根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算出其流量系數(shù)，之后代入式(14)求出流量并與已知初始流量對比，若不一致則繼續(xù)試算至一致為止，通過計(jì)算得到九支渠初始閘門開度為0.47 m。得到初始閘門開度后，以此為起點(diǎn)，利用上述試算過程針對上游斷面每一時刻都進(jìn)行求解，則可得到九支渠上游閘門開度調(diào)節(jié)過程，如圖11(a)所示。由圖可看出：在前5 min閘門開度不變(水深較小，閘門對水流沒有控制)之后閘門開度隨時間線性增加，到20min后保持不變，其線性調(diào)控過程可擬合為以下函數(shù)：y=0.007 6x+0.419 8；隨后在本研究中又模擬該渠道在流量從1.32減少到1.02時的閘門開度變化過程，如圖11(b)所示，從圖中可以看到，在前7 min開度保持不變(水深較大，不需調(diào)節(jié)閘門)，隨后線性減小，到20 min時達(dá)到穩(wěn)定，其線性調(diào)控過程可擬合為y=-0.007 9x+0.677 1。

圖11 流量增加或減少時九支渠上游閘門調(diào)節(jié)過程Fig.11 Regulating process of the upstream gate of the nine branch canal when the flow increases or decreases

同理，對于十支渠也可求出其閘門調(diào)控過程。十支渠初始閘門上、下游水深分別為2.49 m和0.63 m，閘孔寬度為0.47 m，試算得其初始閘門開度為0.44 m。十支渠閘門調(diào)控過程如圖12(a)所示，在前7 min閘門開度不變，之后閘門開度隨時間線性增加，到20 min后保持不變，其線性調(diào)控過程可擬合為以下函數(shù)：y=0.006 7x+0.381 9；隨后又模擬了十支渠流量從1.02減少到0.79時的閘門調(diào)控過程，如圖12(b)所示，從圖12中可以看到，在前7 min閘門開度保持不變，隨后線性減小，到20 min時達(dá)到穩(wěn)定，其線性調(diào)控過程可擬合為y=-0.007 9x+0.677 1，十支渠總體規(guī)律與九支渠類似。

圖12 流量增加或減少時十支渠上游閘門調(diào)節(jié)過程Fig.12 Adjustment process of the upstream gate of the ten branch channel when the flow rate increases or decreases

4.2 多級閘門運(yùn)行設(shè)計(jì)

在分岔渠系中，往往存在多級閘門，當(dāng)要通過閘門調(diào)控來滿足下游流量需求時，可以同時調(diào)節(jié)各級閘門，也可以一級一級分別調(diào)節(jié)，這樣同步與逐級的兩種調(diào)節(jié)方式下，渠道中的水流動態(tài)也會有所差別。在上述引湯灌區(qū)渠道模型中，模擬情況為同時調(diào)節(jié)干渠一、九支渠和十支渠的上游閘門，在此基礎(chǔ)上，再模擬逐級調(diào)節(jié)情況，即干渠一達(dá)到穩(wěn)定后調(diào)節(jié)九支渠，干渠二穩(wěn)定后調(diào)節(jié)十支渠，由于干渠一和九、十支渠的模擬工況未變化，因此將模擬得到的干渠二與干渠三的流量變化過程進(jìn)行對比，如圖13、圖14所示。

圖13 干渠2下游流量變化過程對比Fig.13 Comparison of downstream flow changes in the main canal 2

圖14 干渠3下游流量變化過程對比Fig.14 Comparison of downstream flow changes in the main canal 3

由以上兩圖可以看出：當(dāng)各級閘門同步調(diào)節(jié)時，渠道中的水流波動不斷傳播，各級渠道中的波動幅度越來越明顯，而各渠段達(dá)到穩(wěn)定的時間雖有所延長，但卻變化不大，均在50～60 min之后穩(wěn)定，最后一級渠道即北干渠三在60 min之后達(dá)到穩(wěn)定；當(dāng)各級閘門逐級調(diào)節(jié)時，下一級閘門是在上一級渠道中水流達(dá)到穩(wěn)定后開始調(diào)節(jié)，故渠道中的水流波動無法逐級傳播，對于各級渠道來說，其波動幅度都比較小且穩(wěn)定時間也比較短，在35～40 min之后達(dá)到穩(wěn)定。但在這種情況下，最后一級渠道穩(wěn)定到目標(biāo)量的時間不能僅僅看這一渠道，而是應(yīng)該從上游第一級閘門的調(diào)控開始考慮，于是北干渠三中水流波動達(dá)到穩(wěn)定的時間為自身的40 min加上各上級渠道的穩(wěn)定時間，則其最終的總穩(wěn)定時間比同步調(diào)控下更長。

目前在我國的大部分灌區(qū)還無法實(shí)現(xiàn)同步調(diào)控，在傳統(tǒng)的運(yùn)行方式中采用逐級調(diào)控，即首先調(diào)節(jié)渠首的閘門，達(dá)到穩(wěn)定后進(jìn)行下級閘門調(diào)節(jié)，按此規(guī)律依次推進(jìn)。在這種情況下，渠道中的水流量波動小，對渠道的沖刷也更小，運(yùn)行也更安全，同時可降低渠道的超高標(biāo)準(zhǔn)，減少工程造價，但是各級閘門的啟閉互相影響，不利于簡化操作，并且渠系達(dá)到最終穩(wěn)定所需的總時長也會比較長。若采用同步調(diào)控，則渠系到達(dá)最終穩(wěn)定的總時長較短，且各級閘門可同時調(diào)控，不用以上游渠道的過渡過程為依據(jù)，相對獨(dú)立，啟閉操作簡單方便，但這種情況下渠道中水流波動會比較大，對渠道產(chǎn)生沖刷，也不利于渠道的安全運(yùn)行。在實(shí)際灌溉中，若時間允許，則推薦逐級調(diào)控的方式；但如果需要在盡可能短的時間內(nèi)達(dá)到需求量，則推薦采用同步調(diào)控的方式。

5 結(jié) 語

本文總結(jié)了采用特征線法對圣維南方程進(jìn)行離散的具體過程、邊界條件、汊點(diǎn)處條件以及穩(wěn)定性條件，建立了渠系非恒定流數(shù)值模擬模型以及閘控模型，且所建模型可以通過修改參數(shù)來實(shí)現(xiàn)不同渠道的模擬。

(1)本文基于特征線法及汊點(diǎn)處條件，建立了渠系模擬模型，并對引湯灌區(qū)北干渠及九、十支渠在給定模擬條件下渠道中所產(chǎn)生非恒定流過渡過程進(jìn)行模擬。將該模擬結(jié)果與Mike11所獲結(jié)果比較后發(fā)現(xiàn)較為吻合，證明本研究所建模型具有一定可靠性。

(2)依據(jù)該模型模擬結(jié)果，建立了相應(yīng)閘控模型，結(jié)果表明在流量線性變化的條件下閘門開度變化也是線性的。在本文中通過計(jì)算得到九支、十支渠的閘門開度調(diào)節(jié)過程，得到擬合的閘控方程，作為相關(guān)工作人員決策依據(jù)，同時實(shí)現(xiàn)其智能控制提供依據(jù)。

(3)基于本文所建立的渠系模型，模擬各級閘門在同步調(diào)控與逐級調(diào)控兩種不同方式下的非恒定流過渡過程，結(jié)果表明在同步調(diào)控時，總調(diào)控時間短且此時閘門的啟閉操作方便，但渠道中的水流波動較大，不利于渠道安全；逐級調(diào)控時，其水流波動則會比較小且針對各部分渠道來說穩(wěn)定時間較短，但此種情況下閘門啟閉操作則需滿足上級渠段穩(wěn)定時長，同時渠系調(diào)控的總時長會變長。在實(shí)際中，若時間允許則可采用逐級調(diào)控，若需在盡量短的時間內(nèi)得到目標(biāo)流量則可采用同步調(diào)控，但目前我國還有很多灌區(qū)無法實(shí)現(xiàn)同步調(diào)控。

在實(shí)際當(dāng)中，一個灌區(qū)的灌溉渠道系統(tǒng)多為由干渠、支渠、斗渠和農(nóng)渠等多級渠道組成的樹狀網(wǎng)絡(luò)，其連接非常復(fù)雜，因此，在對簡單的分岔渠系模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)展到對更加復(fù)雜的大型灌溉渠網(wǎng)的模擬仍是未來工作的重要方向。同時，由于實(shí)測資料的欠缺，本文未能將模擬結(jié)果與實(shí)測資料進(jìn)行對比驗(yàn)證。另外，本文所建模型未考慮渠道滲漏損失，對于渠段中有較大底坡跌落的模擬也會失真，這些問題都需要在今后的工作中進(jìn)行不斷修正與改進(jìn)。