[0001] 本发明涉及内河水流分析技术领域，特别是一种船闸充泄水运行过程中两船闸间航道的水流条件模拟及优化方法。

[0002] 水路运输是一种航运方式，一般来说水路运输的所需时间较长，但成本较为低廉，这是空中运输与陆路运输所不能比拟的。水路运输每次航程能运送大量货物，而空运和陆运每次的负载数量则相对较少。因此在国际国内贸易上，水路运输是较为普遍的运送方式。内河运输则是航运的一种方式，这里的内河包括了天然河道和人工运河。

[0003] 由于内河的水流自高处流向低处，大多数满足通航条件的内河同时具有水利发电、防洪等需求，因而一般沿内河上下游设有至少一个水利枢纽，且多数内河上设有多个枢纽，形成梯级航道。枢纽一般包括船闸、泄洪闸、连接坝等，两个相邻枢纽的船闸充泄水运行过程中会对每个船闸的上下游都产生非恒定流，上下游两船闸之间航道的非恒定水流变化会对船舶安全航行产生影响，因而有必要研究上下游两船闸之间航道的水流条件，并提出相应的水流条件优化方案，确保水流条件满足航运安全需求。

[0059] 下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

[0060] 在没有特别说明的情况下，在本发明具体实施例的描述中，出现“上”“下”“左”“右”“中心”“内”“外”...等指示的方位或位置关系的表述术语，都是基于附图所示的方位或位置关系的表达，或者是该发明产品/设备/装置惯常使用时，摆放的方位或位置关系。这些方位或位置关系的术语，仅仅是为了便于描述本发明方案或简化具体实施例中的描述，便于技术人员快速理解方案，而不是指示或暗示特定的装置/部件/元件必须具有特定的方位，或以特定的位置关系进行构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0061] 此外，若出现术语“水平”“竖直”“悬垂”“平行”等术语，并不表示要求相应的装置/部件/元件绝对水平或竖直或悬垂或平行，而是可以稍微倾斜或存在偏差。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。或者，可以简化理解为相应的装置/部件/元件，处于“水平”“竖直”“悬垂”“平行”等方向设置，能够相对于相应的方向设置具有±10％的误差/偏差，更优选±8％以内的误差/偏差，更优选±6％以内的误差/偏差，更优选±5％以内的误差/偏差，更优选±4％以内的误差/偏差。只要相应的装置/部件/元件在误差/偏差范围内，依然能够实现其在本发明方案中的作用即可。

[0062] 此外，术语中出现“第一”“第二”“第三”...等表述，仅仅是用于区分相同或相似部件的描述，而不应理解为强调或暗示特定部件的相对重要性。

[0063] 此外，在本发明实施例的描述中，“几个”“多个”“若干个”代表至少2个。可以是2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个等任意情况，甚至可以是超过9个的情况。

[0064] 此外，在本发明技术方案的描述中，除非另有明确的规定/限定/限制，出现术语“设置”“安装”“相连”“连接”“设有”“铺设”“布置”的地方应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是焊接、铆接、栓接、螺纹连接等本领域常用的连接手段。这种连接可以是机械连接，也可以是电连接或通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介物进行间接相连，可以是两个元件内部的连通。

[0065] 相关技术中，以平陆运河作为代表的人工运河，与天然河道相比，断面尺度较小。船闸充、泄水运行时引航道内会产生的水位波动与水面比降不仅影响船舶在引航道内的航行阻力，也会引起船舶在引航道停泊段靠泊时的系缆力变化，引航道及口门区的流速分布影响也较为复杂。有必要研究上下游两船闸之间航道的水流条件，并提出相应的水流条件优化方案，确保水流条件满足航运安全需求。为此遂产生本申请的技术方案，下面结合图1至图28进行阐述。

[0066] 实施例1

[0067] 本发明所述的一种船闸充泄水运行过程中两船闸间航道的水流条件模拟及优化方法，应用于平陆运河工程的马道‑企石枢纽，即本实施例中第一船闸为马道船闸，第二船闸为企石船闸，马道船闸和企石船闸均为双线船闸。

[0068] 如图1至图28所示，本发明所述的一种船闸充泄水运行过程中两船闸间航道的水流条件模拟及优化方法包括以下步骤：

[0069] 步骤一：建立计算模型。

[0070] 1、二维数学模型模拟范围及测点布置。

[0071] 马道～企石间航道二维数学模型模拟范围为马道船闸下闸首K29+750桩号～企石船闸上闸首K44+300桩号区段，长度约14.5km，采用渐变方式结构化网格，在船闸闸首附近网格尺寸为3m，远离船闸航道位置网格最大尺寸为15m，总网格数为133960个，计算区域及网格划分见图1至图3。

[0072] 马道、企石引航道内测点布置见图4，在左、右侧船闸靠船墩附近距离靠船墩5m处，分别设置12个监测点，监测点由上游至下游为SL‑5‑1～12和SR‑5‑1～12，各监测点之间间距30m。鉴于运河河道相对较窄，为全面了解两坝间船闸充、泄水过程中引航道及中间长距离航道内水位波动特性，分析其对船舶通航的影响，自桩号K29+650至K44+300，在整个航道中心线上每隔30m，设置一个水位监测点，编号E‑1～E‑483，统计航道的水面比降和单点波动过程。

[0073] 在一个优选地实施方式中，引航道内可以布置更多的测点，例如图4所示，在左、右侧船闸靠船墩附近距离靠船墩15m分别设置12个监测点，监测点由上游至下游为SL‑15‑1～12和SR‑15‑1～12。其中，5m和15m的位置选择仅是示例性的，监测点的数量、间隔距离等也仅是示例性的，并不用于限定，理论上可以设置更多列监测点，提高监测的精度，本实施例中不再赘述。

[0074] 其中，二维数学模型用于获取航道的水位波动和流动分布。本实施例应用的二维数学模型采用沿水深积分的不可压缩的雷诺平均Navier‑Stokes方程求解，可以模拟因各种作用力作用而产生的水位和水流变化及模拟忽略分层的二维自由表面流，在平面上采用非结构化网格。采用的数值方法是单元中心的有限体积法。控制方程离散时，结果变量u、v位于单元中心，跨边界通量垂直于单元边。有限体积法中法向通量通过在沿外法向建立单元水力模型并求解一维黎曼问题而得到，采用显式时间积分。二维非恒定流计算模块的原理基于二维不可压缩流体雷诺平均应力方程，服从布辛涅斯克假设和静水压力假设。一阶解法和二阶解法都可以用于空间离散求解。对于二维的情况，近似的Riemann解法可以用来计算单元界面的对流流动。使用Roe方法时，界面左边的和右边的相关变量需要估计取值。二阶方法中，空间准确度可以通过使用线性梯度的技术来获得。而平均梯度可以由Jawahar和kamath于2000年提出的方法来估计，为了避免数值振荡，模型使用了二阶TVD格式。时间方向上采用二阶的RungeKutta方法。

[0075] 2、三维数学模型模拟范围及测点布置。

[0076] 以二维数学模型作为三维数学模型的边界条件，马道船闸下游区域三维数学模型长度约1.5km，下游流体区域网格数约540万，企石船闸上游区域三维数学模型长度约1.0km，流体区域网格数约797万。模型计算区域如图5和图6所示。马道船闸下游区域包括马道船闸下游引航道，企石船闸上游区域包括企石船闸上游引航道。

[0077] 在马道船闸下游引航道设置3个监测断面mD1、mD2和mD3，各量测断面长度与靠船段长度相同。其中，mD1断面距离船闸右侧靠船墩16m；mD2断面位于一、二线船闸中心线上，mD3断面距离左侧靠船墩16m。各监测断面从上游至下游设置12个监测点，编号分别为mD1‑1～12、mD2‑1～12和mD1‑1～12，各相邻监测点之间间距为27.9m，如图7所示。

[0078] 在企石上游引航道设置3个监测断面QU1、QU2和QU3，各量测断面长度与靠船段长度相同。其中，QU1断面距离船闸右侧靠船墩16m；QU2断面位于一、二线船闸中心线上，QU3断面距离左侧靠船墩16m。各监测断面从上游至下游设置12个监测点，编号分别为QU1‑1～12、QU2‑1～12和QU1‑1～12，各相邻监测点之间间距为27.9m，如图8所示。

[0079] 监测断面的数量、断面距离船闸靠船墩16m的位置选择仅是示例性的，监测点的数量、间隔距离等也仅是示例性的，并不用于限定，理论上可以设置更多的监测断面和监测点，提高监测的精度，本实施例中不再赘述。

[0080] 其中，三维数学模型用于获取流场结构。本实施例中三维数学模型具体采用RNG k‑ε三维紊流仿真计算模型来计算船闸的水动力学特性，能够提高模型的计算精度。在一些具体的实施方式中，可采用：SImPLE方法、SImPLEC方法和PISO算法对三维数学模型进行求解，其中PISO算法和SImPLEC方法是在SImPLE方法基础上改进得到的方法，而PISO算法增加了一个修正步，目的是使它们更好地同时满足动量方程和连续方程。PISO算法由于使用了预测—修正—再修正三步，尽管该方法涉及较多的计算，但对比发现，它的计算速度很快，总体效率比较高。对于瞬态问题，PISO算法有明显的优势，因此本实施例采用PISO算法的迭代计算方法。同时，本实施例采用VOF(Volu me of Fluid)方法追踪自由液面。VOF方法是美国学者HIRT和NICHOLS等人在mAC方法基础上提出的，是一种以流体占据网格单元体积份额的途径来跟踪自由表面演化的方法。在整个流场中定义一个流体体积函数F，在每个网格中，这个函数定义为一种流体(我们称之为目标流体)的体积与网格体积的比值。若这种流体充满了整个计算空间，则其体积分数取F＝l，不含该流体的空间点上取F＝0，在该液体与其他液体的交界面上取F∈(0，1)，它随流体质点一起运动，具体数值由各单元内流体体积的比例确定。VOF方法就是通过求解F函数，实现对运动界面的追踪。

[0081] 步骤二：确定马道船闸和企石船闸的计算工况。

[0082] 1、在工程可行性研究阶段，设计部门对上下游水位组合进行了详细论证，主要特征水位和水位组合如下：

[0083] 平陆运河马道枢纽正常蓄水位62.30m，船闸上游最高通航水位63.64m，上游最低通航水位57.80m，下游最高通航水位35.71m，下游最低通航水位34.00m，下游正常水位35.0m。根据马道船闸上下游特征水位分析，其主要水位组合如表1所示。

[0084] 表1、马道船闸运行主要水位组合表

[0085]

[0086] 平陆运河企石枢纽正常蓄水位35.0m，船闸上游最高通航水位35.0m，上游最低通航水位34.0m，下游最高通航水位20.02m，下游最低通航水位8m。根据企石船闸上下游特征水位分析，其主要水位组合如表2所示。

[0087] 表2、企石船闸运行主要水位组合表

[0088]

[0089] 2、马道船闸上游引航道通航水流条件计算时重点考虑船闸不同水位组合下单线、双线运行条件下引航道内波动情况、水面比降和流速分布等水力指标，同时针对阀门开启速度的影响也进行了初步研究。计算工况见表3。其中，图9中(a)示例了63.64m～34m水位组合马道船闸单线充水流量过程线，双线运行时流量加倍，图9中(b)示例了57.8m～34m水位组合马道船闸单线充水流量过程线，双线运行时流量加倍。

[0090] 表3、马道船闸上、下游航道及引航道水流条件计算工况

[0091]

[0092] 3、受马道船闸泄水影响，实际情况下企石船闸上游引航道水位波动十分复杂，但是考虑到马道船闸泄水引起的波动在引航道内的沿程衰减，企石船闸上游引航道内的水位波动仍由其自身充水条件控制。

[0093] 企石船闸上游引航道通航水流条件计算时重点考虑单线、双线运行条件下引航道内波动情况、水面比降和流速分布等水力指标，同时针对阀门开启速度的影响也进行了初步研究。计算工况见表4。其中，图10中(a)示例了企石船闸单线充水流量过程线，双线运行时流量加倍，图10中(b)示例了企石船闸单线泄水流量过程线，双线运行时流量加倍。

[0094] 表4、企石船闸上、下游航道及引航道水流条件计算工况

[0095]

[0096] 步骤三：通过三维数学模型计算马道船闸下游引航道水流条件，水流条件包括水位波动与水面比降，以及流速分布。

[0097] 1、受企石船闸运行影响，实际情况下马道船闸下游引航道水位波动较上游更加复杂，但是考虑到企石船闸水头较马道船闸略小，加之企石船闸充水引起的波动在引航道内的沿程衰减，马道船闸下游引航道内的水位波动仍由其自身泄水条件控制。因此，计算工况取表3中OD‑1～OD‑3和OD‑6。船闸不同泄水工况下引航道各测点最大波幅见表5～表6，不同时刻的水面波动过程如图11所示。其中：

[0098] 图11(a)示例了上、下游水位63.64m～34m，双线同泄，tv＝1min水面波动过程。

[0099] 图11(b)示例了上、下游水位63.64m～34m，单线错时33min，tv＝1min水面波动过程。

[0100] 表5、马道下游引航道及停泊段水面波动最大值统计

[0101]

[0102] 表6、马道下游引航道水面波动(上下游水位63.64m～34m，双线同泄，tv＝1min)[0103]

[0104] 由图11和表5～表6可知：

[0105] (1)受波动在两坝间往复传递影响，马道船闸充水引起的引航道内水面波动持续时间较长，且波高最大值自导航调顺段、停泊段向下游逐渐减小。

[0106] (2)船闸双线泄水时，最大水头水位组合条件下引航道及停泊段的最大正波高为0.79m，最大负波高为‑0.1m，引航道90m长度范围内最大坡降为1.47‰，停泊段最大水面比降1.24‰；输水阀门4min开启条件下，马道船闸双线同时泄水时引航道及停泊段的最大正波高为0.74m，最大负波高为‑0.1m，引航道90m长度范围内最大坡降为0.45‰，停泊段最大水面比降0.37‰。上游最高通航水位、下游水位35m水位组合条件下，引航道停泊段的最大正波高为0.73m，最大负波高为‑0.1m，引航道90m长度范围内最大坡降为1.26‰，停泊段坡降最大为1.10‰。

[0107] (3)马道船闸单线泄水时，最大水头水位组合条件下引航道及停泊段的最大波高为0.43m，引航道90m长度范围内最大坡降为0.72‰，停泊段最大水面比降0.67‰；输水阀门4min开启条件下，引航道及停泊段的最大波高为0.34m，引航道90m长度范围内最大坡降
0.22‰，停泊段最大水面比降0.13‰。上游最高通航水位、下游水位35m条件下引航道停泊段的最大正波高为0.37m，引航道90m长度范围内最大坡降为0.63‰，停泊段坡降最大为
0.58‰。

[0108] (4)左右双线船闸错时33min运行时，最大水头水位组合，引航道及停泊段的最大波高为0.45m，引航道90m长度范围内最大坡降为0.73‰，停泊段最大水面比降0.67‰。

[0109] 2、上、下游水位组合63.64～34m条件下，引航道内的流场分布见图12～图15，各测点最大流速见表7。其中：

[0110] 图12示例了上、下游水位63.64m～34m，双线同泄，t＝175s的平面流场。

[0111] 图13示例了下游水位34m，双线同泄，t＝175s，Z＝31.5m，吃水2.5m的平面流场。

[0112] 图14示例了下游水位34m，双线同泄，t＝175s，Y＝48.1m，mD1断面的立面流场。

[0113] 图15示例了马道下游右侧船闸单线泄水，t＝175s的平面流场。

[0114] 表7、马道双线泄水引航道流速分布(水面下2.5m，单位m/s)

[0115]

[0116] 由图12～图15和表7可知：

[0117] (1)船闸双线同时泄水过程中引航道内流速最大值出现在t＝175s。船闸泄水过程中，引航道内水流整体较为平顺和均匀。引航道内垂向流速约在0.02m/s以内，船闸吃水5.5m范围内，不同水深处平面流场基本一致。

[0118] (2)船闸双线同时泄水时引航道最大流速0.83m/s。停泊区最大纵向流速0.91m/s，右侧停泊区横向流速均在0.15m/s以内，左侧停泊区在引航道与泄水闸交汇处的横向流速0.18～0.38m/s，停泊区上半部分横向流速偏大。

[0119] (3)船闸单线泄水时，左线船闸单线泄水，则引航道最大流速约0.42m/s，停泊区最大纵向流速0.48m/s，左侧停泊区引航道与泄洪道交汇位置横向流速0.13～0.19m/s，其余位置横向流速小于0.1m/s，右侧停泊区横向流速均小于0.07m/s。

[0120] (4)船闸单线泄水时，另一线导航调顺段最大纵向流速0.43m/s，最大横向流速0.35m/s，横向流速偏大。

[0121] 步骤四：通过三维数学模型计算企石船闸上游引航道水流条件，水流条件包括水位波动与水面比降，以及流速分布。

[0122] 1、企石船闸充水时上游引航道内水位波动如图16所示，表8～表9统计了马道船闸泄水时上游引航道内的水位波动与水面最大坡降。其中：

[0123] 图16(a)示例了上、下游水位34m～8m，双线同充，tv＝1min水面波动过程。

[0124] 图16(b)示例了上、下游水位34m～8m，单线充水，tv＝1min水面波动过程。

[0125] 表8、企石船闸上游引航道及停泊段水面波动最大值统计

[0126]

[0127] 表9、企石上游引航道水面波动(上下游水位34m～8m，双线同充，tv＝1min)[0128]

[0129] 由图16和表8～表9可知：

[0130] (1)船闸充水引起的引航道内水面波动持续时间较长。船闸充水后，引航道内最大波高自导航调顺段、停泊段向上游逐渐减小。

[0131] (2)企石船闸双线同时，上游水位34m、下游水位8m条件下，充水上游引航道及靠船墩附近最大正波高为0.03m，最大负波高为‑0.77m，引航道90m长度范围内最大坡降为1.25‰，停泊段最大水面比降1.34‰；输水阀门4min开启条件下，企石船闸双线同时充水时，上游引航道及停泊段的最大正波高为0.07m，最大负波高为‑0.54m，引航道90m长度范围内最大坡降为0.50‰，停泊段最大水面比降0.55‰。上游水位35m、下游水位8m时，上游引航道内产生的最大正波高约为0.06m，最大负波高约为‑0.69m，引航道90m长度范围内最大坡降为1.03‰，停泊段最大水面比降1.16‰。

[0132] (3)企石船闸单线泄水时，上游水位34m、下游水位8m条件下，引航道及停泊段的最大正波高为0.05m，最大负波高为‑0.37m，引航道90m长度范围内最大坡降为0.79‰，停泊段最大水面比降0.64‰。上游水位35m、下游水位8m时，引航道内产生的最大正波高约为0.03m，最大负波高约为‑0.32m，引航道90m长度范围内最大坡降为0.53‰，停泊段最大水面比降0.56‰。

[0133] (4)企石船闸双线错时4.5min运行时，上游水位34m、下游水位8m条件下，引航道及停泊段的最大正波高为0.05m，最大负波高为‑0.59m，引航道90m长度范围内最大坡降为‑0.79‰，停泊段最大水面比降0.64‰。

[0134] (5)企石船闸双线错时33min运行时，上游水位34m、下游水位8m条件下，引航道及停泊段的最大正波高为0.05m，最大负波高为‑0.37m，引航道90m长度范围内最大坡降为0.90‰，停泊段最大水面比降0.72‰。

[0135] 2、引航道内的流场分布见图和测点流速见图17～图20及表10。其中：

[0136] 图17示例了上、下游水位34m～8m，双线同充，t＝175s的平面流场。

[0137] 图18示例了上游水位34m，双线同充，t＝175s，Z＝31.5m，吃水2.5m的平面流场。

[0138] 图19示例了上游水位34m，双线同充，t＝175s，Y＝186m，QU1断面的立面流场。

[0139] 图20示例了企石上游左侧船闸单线充水，t＝175s的平面流场。

[0140] 表10、双线船闸同时充水引航道流速分布(水面下2.5m，流速单位m/s)

[0141]

[0142] 由图17～图20和表10可知：

[0143] (1)在上、下游水位34.0m～8.0m水位组合，双线船闸充水条件下，引航道内流速最大时刻发生在t＝175s。船闸双线充水过程中，引航道内水流整体较为平顺和均匀。引航道流速0.86～0.98m/s，大于0.8m/s的流速限值，引航道内水流条件不满足通航要求。停泊区横向流速均在0.15m/s以内，但纵向流速0.81～1.02m/s，不满足通航水流条件要求。

[0144] (2)在上、下游水位34.0m～8.0m水位组合，船闸单线充水时，引航道流速0.46～0.53m/s，停泊区横向流速均在0.05m/s以内，停泊段水流条件满足规范要求。船闸未运行一侧导航调顺段横向流速最大约0.08m/s，纵向流速最大约0.46m/s。

[0145] (3)在上游水位35m，下游水位8m时，双线船闸同时充水引航道最大流速0.70～0.88m/s，停泊区纵向流速0.64m/s～0.85m/s，通航水流条件依然不满足规范要求。

[0146] (4)实际运行中，当双线船闸错时充水时间超过4.5min时，引航道及停泊段水流条件均能满足规范要求。

[0147] 步骤五：通过二维数学模型计算马道‑企石两坝间航道水流条件，水流条件包括水位变化与水面比降，以及沿程流速变化，分析船闸充泄水对航道水流条件的影响。

[0148] 1、马道船闸泄水时航道水流条件。

[0149] 马道船闸双线泄水，企石船闸不运行工况下，航道中线各测点最大波幅见表11，不同时刻的水面波动过程见图21。

[0150] 表11、马道下游航道水面波动(上下游水位63.64m～34m，双线同泄，tv＝1min)[0151]

[0152] 根据图21和表11可知：

[0153] (1)马道船闸泄水引起航道内水面波动持续时间较长。双线充水后，两坝间航道水位上升约20cm。

[0154] (2)双线同时泄水、企石船闸不运行时，上、下游水位组合63.64m～34m组合下，阀门1min开启，两坝间最大正波高约0.80m，最大负波高‑0.10m，最大水面比降1.8‰。阀门4min开启，两坝间最大正波高约0.74m，最大负波高‑0.10m，最大水面比降0.72‰。

[0155] (3)马道船闸单线运行，企石船闸不运行时时，上、下游水位组合63.64m～34m组合下，阀门1min开启，航道内最大正波高0.40m，最大负波高‑0.01m，最大坡降0.71‰。

[0156] (4)马道船闸左右双线错时4.5min运行，企石船闸不运行时，上、下游水位组合63.64m～34m组合下，阀门1min开启，航道内最大正波高0.65m，最大负波高‑0.02m，最大坡降0.72‰。

[0157] (5)马道船闸左右双线错时33min运行，企石船闸不运行时，上、下游水位组合63.64m～34m组合下，航道内最大正波高0.48m，最大负波高‑0.07m，最大坡降0.73‰。

[0158] 根据二维数学模型计算结果统计，马道船闸运行，企石不运行工况下，马道～企石两坝间航道沿程流速最大包络线如图22所示。

[0159] 图22示例了上、下游水位63.64m～34m，双线同泄，tv＝1min航道最大流速包络线。

[0160] 根据图22可知：

[0161] (1)上、下游水位63.64m～34m，马道船闸双线运行、企石船闸不运行，阀门1min开启工况下，航道最大流速约1.27m/s，航道沿程最大平均流速约0.67m/s。

[0162] (2)上、下游水位63.64m～34m，马道船闸单线运行，企石船闸不运行时，航道最大流速约1.20m/s，航道沿程最大平均流速约0.34m/s。

[0163] (3)上、下游水位63.64m～34m，阀门4min开启，马道船闸双线运行时航道最大流速约1.15m/s。

[0164] 2、企石船闸充水时航道水流条件。

[0165] 马道船闸不运行，企石船闸双线充水时，航道中线各测点最大波幅见表12。不同时刻的水面波动过程见图23。

[0166] 表12、企石上游航道水面波动(上下游水位34m～8m，双线同泄，tv＝1min)[0167]

[0168] 根据图23和表12可知：

[0169] (1)企石双线同时充水、马道船闸不运行时，上、下游水位组合34m～8m组合下，阀门1min开启，两坝间最大正波高约0.01m，最大波负高约‑0.78m，最大水面比降1.16‰。阀门4min开启时，两坝间最大正波高可达0.02m，最大负波高可达‑0.54m，坝间最大水面比降
0.48‰。

[0170] (2)企石船闸单线运行，马道船闸不运行，上、下游水位组合34m～8m组合下，阀门1min开启，时航道内最大波负高约‑0.37m，最大水面比降0.60‰。

[0171] (3)企石船闸左右双线错时4.5min充水、马道船闸不运行时，上、下游水位组合34m～8m组合下，阀门1min开启，最大正波高0.06m，最大负波高约‑0.40m，两坝间最大水面比降0.78‰。

[0172] (4)企石船闸左右双线错时33min充水、马道船闸不运行时，最大正波高0.05m，最大负波高约‑0.41m，两坝间最大水面比降0.60‰。

[0173] 马道船闸不运行运行，企石运行工况下，马道～企石两坝间航道沿程流速最大包络线如图24所示。

[0174] 图24示例了上、下游水位34m～8m，双线同充，tv＝1min航道最大流速包络线。

[0175] 根据图24可知：

[0176] (1)上、下游水位组合34m～8m组合下，企石船闸双线运行、马道船闸不运行，阀门1min开启工况下，航道最大流速约1.39m/s，航道沿程最大平均流速约0.56m/s。

[0177] (2)上、下游水位组合34m～8m组合下，企石船闸单线运行，马道船闸不运行时，航道最大流速约1.00m/s，航道沿程最大平均流速约0.37m/s。

[0178] (3)上、下游水位组合34m～8m组合下，阀门4min开启工况下，航道最大流速约1.16m/s，航道沿程最大平均流速约0.52m/s。航道沿程最大流速出现于企石船闸附近休息区下游。

[0179] (4)增加阀门开启速度与双线船闸错时运行，都有利于降低航道沿程最大流速。

[0180] 3、马道‑企石船闸错时充泄水非恒定流影响。

[0181] 两枢纽不同充、泄水组合条件下，枢纽间产生的往复流，经传播与反射引起的水位波动与水面比降对通航水流条件的影响。船闸在库区高水位运行时，船闸灌水峰值流量较大，引航道水深也大。不同的水深与船闸灌水峰值流量组合情况下，库区高水位运行时引航道内有可能出现较大波高。具体研究工况如表13所示。

[0182] 表13、马道～企石二维数学仿真模型研究工况

[0183]

[0184] 马道船闸泄水0min、15min与30min后企石船闸充水工况下，航道中线各测点最大波幅见表14，不同时刻的水面波动过程见图25。

[0185] 表14、两坝间航道水面波动(航道水位34m，两坝双线间隔0min运行)

[0186]

[0187] 根据图25和表14可知：

[0188] (1)两座船闸双线同时充泄水、梯级错时0～30min时，34m航道水位时，两坝间最大正波高0.8m，最大负波高‑0.78m，最大水面比降1.8‰。35m航道水位时，航道最大正波高0.73m，最大负波高‑0.67m，最大水面比降1.61‰。

[0189] (2)两座船闸单线同时充泄水时，34m航道水位时，最大正波高0.39m，最大负波高‑0.37m，两坝间最大水面比降0.71‰。35m航道水位时，航道最大正波高0.36m，最大负波高‑
0.33m，最大水面比降0.67‰。

[0190] 由于航道内的最大水面波动出现在泄水波波峰与充水波波谷，因此，两坝错时运行并未改变航道内的最大水面波动，两坝错时运行间隔时间影响了泄水波与充水波相遇的位置，相遇后波峰、波谷的波高减小。根据浅水波传播速度，34m航道水位下，由 可得，波在马道～企石间航道约以475m/min速度传播。由此可以计算出，当马道船闸运行xmin后企石船闸运行时，两波相遇位置距离马道闸首约(7225+237.5x)m。当两船闸同时运行时，两波基本在距离马道闸首7225m，即航道中间位置相遇；错时时间越久，距离马道闸首距离越远。错时30min时，两波基本在企石船闸附近相遇，由图26可见，计算所得两波相遇位置与数模模拟结果基本一致。

[0191] 马道、企石船闸同时、错时运行时，两坝间航道沿程最大流速包络线如图27所示：

[0192] (1)最大水头水位组合下，34m航道水位时，两坝双线同时运行，航道内最大流速出现于两波相遇处，阀门1min开启工况下，沿程最大流速约1.39m/s，沿程最大平均流速约为0.88m/s。

[0193] (2)最大水头水位组合下，34m航道水位时，两坝相隔15min双线运行时，航道内最大流速出现于两波相遇处，沿程最大流速约1.44m/s，沿程最大平均流速约为0.88m/s。

[0194] (3)最大水头水位组合下，34m航道水位时，两坝相隔30min双线运行时，航道内最大流速出现于两波相遇处，沿程最大流速约2.16m/s，沿程最大平均流速约为0.90m/s。

[0195] (4)最大水头水位组合，34m航道水位时，两坝单线同时运行，航道内最大流速出现于两波相遇处，沿程最大流速约1.00m/s，沿程最大平均流速约为0.46m/s。

[0196] (5)最大水头水位组合下，35m航道水位下，两坝双线同时运行，沿程最大流速约1.31m/s，沿程最大平均流速约为0.81m/s。

[0197] (6)最大水头水位组合下，35m航道水位时，两坝单线同时运行，沿程最大流速约0.94m/s，沿程最大平均流速约为0.42m/s。较34m航道水位下的流速有所减小。

[0198] 步骤六：通过上述计算分析可见，当船闸双线同时运行时，引航道内流速与波动较大。实际上，引航道最大流速和波动可分别用下式估算：

[0199]

[0200]

[0201] 式中：Vmax为引航道最大流速，Zmax为引航道最大波高，Qmax为闸首输水最大流量，B为引航道宽度，h为引航道水深，C为闸室水域面积，H为闸首输水廊道工作水头，T为闸首输水时间，tv为闸首输水阀门开启时间，c为重力波波速，g为重力加速度。

[0202] 由以上二式可知，降低引航道流速和波动的主要措施有：

[0203] (1)降低双线船闸闸首输水最大流量；

[0204] (2)延长输水时间或放慢阀门开启速度，降低单线船闸闸首输水流量；

[0205] (3)增大引航道过水断面面积，包括加宽引航道宽度、降低引航道底高程、抬高引航道初始水深等。

[0206] 对于平陆运河省水船闸，延长输水时间或放慢阀门开启速度会影响船闸运行效率，加大引航道过水断面面积则需要较大的工程开挖量。因此，引航道水流条件优化主要从降低双线船闸闸首输水最大输水流量入手。显而易见的的是，同样的水力条件下，双线船闸同时运行闸首输水流量最大；只有一线运行时，输水流量最小；双线错时运行时，输水流量最大值介于同时运行和单线运行之间。结合以上估算公式和前述引航道波动及流速数值模拟结果可知，当双线船闸充泄水最大流量为双线同时运行最大流量的60％左右时，引航道流速及波动条件较好，能保障船舶航行安全和停泊安全。

[0207] 综上所述，研究船闸不同错时时间条件下的闸首输水最大流量变化规律(见图28)，结果表明：当双线错时超过4.5min时，最大流量约双线同运行的60％。此时，引航道流速与波动与单线运行时基本相同，通航水流条件良好，各项指标基本能满足规范要求。

[0208] 改善措施下引航道波动及流速。马道船闸双线错时4.5min运行时，最大流量为双线同时运行最大流量的60％。上游引航道水流条件的控制工况为上下游最低通航水位组合，下游引航道流速和波动的控制条件为上游最高通航水位和下游最低通航水位组合。控制工况下马道船闸双线错时4.5min运行时引航道水流条件特征值如下所述，其他工况各项指标较控制工况更优，不再赘述。

[0209] (1)上游引航道及停泊段的最大正波高为0.25m，最大负波高为‑0.44m，引航道90m长度范围内最大坡降为‑1.19‰，停泊段最大水面比降1.19‰。

[0210] (2)上游引航道最大流速约0.83m/s，右侧靠船墩处横向流速均最大0.11m/s，左侧靠船墩大部分区域横向流速基本满足规范要求，个别位置最大横向流速约0.27m/s。

[0211] (3)下游引航道及停泊段的最大波高为0.65m，引航道90m长度范围内最大坡降为0.95‰，停泊段最大水面比降0.68‰。

[0212] (4)船闸双线错时4.5min泄水时，若左线船闸先泄水，则引航道流速约0.41～0.50m/s，右侧停泊区纵向流速0.37～0.46m/s，横向流速均小于0.05m/s，左侧停泊区纵向流速0.32～0.57m/s，引航道与泄洪道交汇位置横向流速0.15～0.19m/s。若右线船闸先泄水，则引航道纵向流速均小于0.48m/s，横向流速均小于0.10m/s，停泊区上段纵向流速0.35～0.56m/s，右侧停泊区横向流速均小于0.14m/s，左侧停泊区引航道与泄洪道交汇位置横向流速稍大，约0.16～0.27m/s。

[0213] 企石船闸运行水头与最大流量与马道船闸差异不大，因此，与马道船闸上下游引航道相同，当船闸双线同时运行时，引航道内流速与波动较大。当双线错时超过4.5min运行时，引航道水流条件与单线运行时基本相同。因此，为保证引航道内的水流条件，建议双线运行应错时超过4.5min。

[0214] 导航条顺段水流条件优化措施。实际情况下，并列双线船闸充泄水时间间隔上存在多种可能，前述分析了双线船闸均充泄水运行时引航道水流条件的改善措施和效果。但是，受船闸调度、过闸船舶数量影响，并列双线船闸还存在一线充泄水，另一线处于平水状态，船舶进出闸的进出闸的情况，此时需考虑该线船闸导航调顺段的水流条件，以保障船舶进出闸的航行安全。平陆运河双线船闸共用引航道，因此，在一线船闸充泄水时，由于水流的不对称性和剪切作用，另一线船闸导航调顺段内将产生较大的横流和回流，不利于船舶顺利进出闸室。

[0215] 马道船闸下游辅导航墙宜向下延长45m，延长后总长度112m，采取底部透空布置，透水孔顶高程29m，其上为实体。透空段自上而下1#～5#孔透空高度为6m，中间7#～8#孔透空高度由6.0m线性减小至3.0m，9#～14#孔透空高度3.0m。针对导航墙延长后马道船闸单线泄水时的模拟结果表明：

[0216] (1)原布置方案下，马道船闸单线泄水时，另一线导航调顺段最大纵向流速0.43m/s，最大横向流速0.35m/s，横向流速偏大。

[0217] (2)导航墙延长后，左线船闸单线泄水时，引航道最大流速约0.42m/s，停泊段最大纵向流速约0.50，均与原方案一致。左侧停泊区引航道与泄洪道交汇位置横向流速0.13～0.20m/s，其余位置横向流速小于0.1m/s，横向流速与原方案基本。

[0218] (3)导航墙延长后，左线船闸单线泄水时，右线回流位置下移，回流影响范围与流速减小。右线船闸导航调顺段最大纵向流速由原方案的0.43m/s降至0.2m/s，最大横向流速由原方案0.35m/s降至0.15m/s，较原方案有了较大的优化。

[0219] (4)导航墙延长后，调顺段表层流速基本在0.1m/s以内，水流条件。

[0220] 对企石上游导航墙进行延长优化，以便优化单线运行时另一线导航调顺段的水流条件。企石上游导航墙向上游延长60m。经过三维数学模型计算与分析，与马道船闸结果相同，导航墙采用镂空结构延长后，船闸单线运行时，另一线导航调顺段的水流条件有了明显的优化。

[0221] 对优化后的水流条件模拟验证直至水流条件满足航运安全需求。

[0222] 马道‑企石枢纽两坝间往复波流运动及通航水流条件研究马道船闸泄水、企石船闸充水不同叠加组合方式下，两梯级间非恒定流运动规律和通航水流条件。分析马道船闸泄水和企石船闸充水同时、错时和相继运行条件下中间航道往复波流运动特性及往复流对水面比降与流速分布的影响。

[0223] 本实施例所述的一种船闸充泄水运行过程中两船闸间航道的水流条件模拟及优化方法，通过对马道～企石枢纽两坝间航段船闸充、泄水运行引航道水动力学数值模拟研究，采用二维和三维数学模型联合运用，重点关注不同水位组合条件下，船闸充泄水过程中引航道内水力波动对水面比降和流速分布的影响，两梯级间非恒定流运动规律和通航水流条件，并结合通航水流条件的时变规律提出合理的船闸运行方式和优化水流条件的工程技术措施，确保水流条件满足航运安全需求。

[0224] 实施例2

[0225] 本发明所述的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如实施例1所述的船闸充泄水运行过程中两船闸间航道的水流条件模拟及优化方法。

[0226] 计算机可读存储介质用于存储各种类型的数据以支持在该电子设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该电子设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据；存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read‑Only Memory，EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read‑Only Memory，EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read‑Only Memory，PROM)，只读存储器(Read‑Only Memory，ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

[0227] 实施例3

[0228] 本发明所述的一种电子设备，包括：

[0229] 存储器，其上存储有计算机程序；

[0230] 处理器，用于执行所述存储器中的所述程序，以实现如实施例1所述的船闸充泄水运行过程中两船闸间航道的水流条件模拟及优化方法。

[0231] 作为本实施例的一个优选方案，该电子设备可以包括：处理器、存储器，该电子设备还可以包括多媒体组件、输入/输出(I/O)接口、以及通信组件中的一者或多者。

[0232] 其中，处理器用于控制该电子设备的整体操作，以完成上述船闸充泄水运行过程中两船闸间航道的水流条件模拟及优化方法中的全部或部分步骤。

[0233] 存储器用于存储各种类型的数据以支持在该电子设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该电子设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据；存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read‑Only Memory，EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read‑Only Memory，EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read‑Only Memory，PROM)，只读存储器(Read‑Only Memory，ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

[0234] 多媒体组件可以包括屏幕和音频组件，其中屏幕例如可以是触摸屏，音频组件用于输出和/或输入音频信号；例如，音频组件可以包括一个麦克风，麦克风用于接收外部音频信号，所接收的音频信号可以被进一步存储在存储器或通过通信组件发送；音频组件还包括至少一个扬声器，用于输出音频信号。

[0235] I/O接口为处理器和其他接口模块之间提供接口，上述其他接口模块可以是键盘，鼠标，按钮等；这些按钮可以是虚拟按钮或者实体按钮。

[0236] 通信组件用于该电子设备与其他设备之间进行有线或无线通信；无线通信，例如Wi‑Fi，蓝牙，近场通信(Near Field Communication，NFC)，2G、3G、4G或5G，或它们中的一种或几种的组合，因此相应的该通信组件可以包括：Wi‑Fi模块，蓝牙模块，NFC模块，手机通讯模块。

[0237] 作为本实施例的一个优选方案，该电子设备可以被一个或多个应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、数字信号处理设备(Digital Signal Processing Device，DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，PLD)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述船闸充泄水运行过程中两船闸间航道的水流条件模拟及优化方法。

[0238] 另外，本公开实施例提供的计算机可读存储介质即可以为上述包括程序指令的存储器，上述程序指令可由电子设备的处理器执行以完成上述船闸充泄水运行过程中两船闸间航道的水流条件模拟及优化方法。

[0239] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。