石头河水库灌区东干渠渠系配水模型的研究

摘要

随着社会的发展,灌区用水科学调度工作日益被提上日程,一些传统的配水模型大多数是针对流量如何分配的问题,在渠道满足配水流量的确切配水时间问题上研究的并不多,由于配水时间把握不准确,造成灌区或给用户配水过多,产生弃水,或给用户配水过少,不能满足作物的需水要求。对于石头河东干渠灌区也同样存在这样的问题。本文针对石头河东干渠灌区的实际情况,对石头河东干渠渠首十公里的渠道水流过程采用非恒定流水流数值模拟方法进行模拟,通过模拟验证该方法的可行性,同时在渠道非恒定流水流数值模拟的基础上建立基于渠道水流数值模拟的配水模型,以解决石头河东干渠灌区的配水问题。论文主要的内容和成果如下：(1)介绍了渠道非恒定流水流数值模拟的基本理论和求解方法,对描述非恒定渐变流运动规律的偏微分方程——圣维南方程进行了详细的推导,由于圣维南方程组是双曲形偏微分方程组,对于大多数实际问题,无法获得解析解,只能使用近似法求解,文中对其特征线求解方法进行了详细介绍。(2)在充分介绍渠道水流数值模拟的基本理论和求解方法基础上,对石头河东干渠渠首十公里的渠道水流进行数值模拟,由于石头河东干渠渠段形式较为复杂,存在如渐变段、倒虹、陡坡等水流变化较大的特殊断面,在渠道水流数值模拟时,针对这些特殊渠段的处理方法,文中也作了详细的介绍。通过渠道的水流数值模拟数据与实测断面数据比较,验证采用非恒定渐变流运动规律的偏微分方程——圣维南方程对渠道进行水流数值模拟是可行的。(3)针对石头河东干渠配水时,由于没有科学的理论做指导,管理人员对配水时间把握不准确,往往凭经验配水的问题,文中在验证石头河东干渠渠道水流模拟方法可行的前提下,建立了基于渠道水流数值模拟的渠道配水模型,但由于数据的限制,对于东干渠渠首十公里,文中只对在起始条件为恒定流情况下,对单个取水口的配水情况进行模拟研究,并对结果进行了整理,绘制了单个取水口提前配水时间图表作为管理人员将来配水的时间依据,从图表中管理人员可以直接查出在渠首流量已知的情况下提前配水的时间。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及问题提出

1.1.1 研究背景

1.1.2 问题的提出

1.2 国内外研究现状

1.2.1 渠道水流模拟的国内外研究现状

1.2.2 配水模型的国内外现状及存在问题

1.3 本文研究的主要内容

1.4 本文的研究目的和意义

1.4.1 研究的目的

1.4.2 研究的意义

2 渠系水流数值模拟的基本理论及求解方法

2.1 圣维方程组的基本原理

2.1.1 基本方程

2.1.2 圣维南方程组的推导

2.1.3 以不同变量表示圣维南方程组的推导

2.2 圣维方程组常用的求解方法

2.2.1 特征线法

2.2.2 直接差分法

2.2.3 有限元法

2.2.4 瞬时流态法

2.2.5 微幅波理论法

2.3 输水渠道的初始及边界条件

2.3.1 初始条件

2.3.2 边界条件

2.4 小结

3 基于水流数值模拟的配水模型的建立

3.1 配水模型

3.1.1 配水模型的基本方程

3.1.2 初始条件

3.1.3 边界条件

3.2 配水模型求解步骤

3.3 配水过程中渠道断面的水位、流量传递过程

3.4 有关参数的确定

3.4.1 支、干斗渠配水量的确定

3.4.2 渠道损失流量的确定

3.5 小结

4 石头河水库灌区及其东干渠工程概况介绍

4.1 石头河水库灌区概况

4.1.1 自然概况

4.1.2 水资源概况

4.1.3 工程概况

4.1.4 经济与运行概况

4.2 石头河水库东干渠的概况

4.2.1 东干渠主干渠的工程概况

4.2.2 东干渠主干渠的设计流量

4.2.3 东干渠干斗渠、支渠的设计流量

4.2.4 东干渠的水位监测系统

4.2.5 东干渠的流量监测系统

4.3 小结

5 石头河水库东干渠的水流数值模拟

5.1 渠道断面划分原则及断面划分

5.1.1 断面划分原则

5.1.2 断面划分

5.2 水流模拟内边界点的处理方法

5.2.1 变断面连接过渡段

5.2.2 倒虹吸连接段处理

5.2.3 陡坡的处理

5.2.4 旁侧入流的处理

5.3 水流模拟的初始条件及边界条件

5.3.1 初始条件

5.3.2 边界条件

5.4 水流模拟数据准备

5.4.1 渠道水流数值模拟的初始条件数据

5.4.2 渠道水流数值模拟上、下边界条件数据

5.4.3 渠道水流数值模拟的旁侧入流数据

5.4.4 渠道水流数值模拟的计算断面形式数据

5.4.5 渠道水流数值模拟的计算渠段糙率、底坡数据

5.5 水流模拟结果

5.6 小结

6 基于水流数值模拟的石头河东干渠配水模型

6.1 配水断面的划分

6.2 配水模型中计算数据的准备

6.2.1 东干渠配水模型中水流数值模拟需要的数据

6.2.2 用户需水流量及需水时间

6.3 模型配水结果整理

6.3.1 全部取水口配水

6.3.2 单个取水口配水

6.4 小结

7 总结与展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士期间发表的学术论文及主要参加的科研项目