某引水工程擬建泵站的必要性及前池流場模擬

余 新

（安徽省阜陽市阜南縣中心機灌站，安徽 阜南 236300）

1 工程概況

某引水工程是保證青島市可持續(xù)用水的關鍵性工程，從黃河某渠首樞紐引水，經(jīng)過252.5km的輸水渠最終到達青島。該工程始建于1986年，1989年11月建成通水，至今為青島輸水20余年，平均每年供水超7000萬m3，累積供水量近15億m3，極大地緩解了青島市供水緊張的問題，為促進青島的經(jīng)濟和社會發(fā)展起到了至關重要的作用。

渠首樞紐泵站進口前布置40.0m長的引渠，引渠后攔污柵段長18.0m，攔污柵段為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)設泵站進口工作閘門、回轉(zhuǎn)式攔污柵各1道。在攔污柵段的后面是前池段和進水池段分別長為20m和12m。主廠房順水流向長15.0m，在主廠房前設1道檢修門，廠房內(nèi)安裝5臺1600ZLB9-5（+2°）型水泵，泵站總裝機容量超過4000kW。出水機房與主廠房間由5條壓力鋼管連接，出水機房內(nèi)安裝液壓工作門和事故門各1道。出水機房后設長10.0m的出水池及30.0m的漸變段與新建高輸沙渠銜接。新建的高輸沙渠長320m，和現(xiàn)有的高輸沙渠相連，全斷面采用混凝土板襯砌，以加強其整體強度和剛度，延長使用壽命。

2 建設的必要性

2.1 黃河下切水位降低

黃河經(jīng)過黃土高原夾雜著大量泥沙，因此其沖淤變化相對來說比較復雜。在黃河的流經(jīng)地洛陽建有小浪底水庫，主要作用是對黃河的泥沙加以控制，防止河床抬高導致洪水爆發(fā)，同時也可以發(fā)電。近10年利津站水利監(jiān)測的數(shù)據(jù)表明，黃河在利津段的河床是下切的，測得的水位流量資料可以描繪出小浪底水庫建成前后水位流量的關系曲線[1-4]，根據(jù)渠首閘上龍王崖斷面和利津站兩斷面深泓點高程計算，黃河河底平均比降為1∶9600，由此可計算出渠首閘前1996～1998年、2007～2009年的水位和流量，如圖1；渠首閘前1990～2009年的水位和流量，如圖2。

圖2 水位～流量關系曲線（二）

從圖中可以看出，在黃河水流量不變的情況下，調(diào)水調(diào)沙后的水位比之前降低0.8～1m。由于水位降低，渠首閘引水工程就必須將水提高到更高的水位，這對整體的引水工程造成不利影響。

流場進出口、固體邊壁和自由水面共同組成了模擬計算區(qū)域，流場進口定為進水渠道的端面，流場出口定為集水管出口。由于模型較復雜，網(wǎng)格剖分時

2.2 引水分流比逐漸降低

某引水工程原設計分流比0.25，但在小浪底水庫建成前，實測分流比平均0.22，相比于設計分流比略微偏小，是因引水渠的首端設有降低引水含沙量的沉沙池造成的。原計劃自流沉沙1年，然后就采用揚水沉沙，但未在渠首設置泵站，渠首沉沙池的淤沙只能靠人工清挖，如果清挖不及時就會影響整個工程的分流比。從實際情況看，整個工程的分流比和原設計基本一致，沒有太大偏差。通過渠首引黃閘引水，能夠滿足青島市的居民用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水需求。2009年，小浪底水庫建成并發(fā)揮調(diào)水調(diào)沙作用后，某引水工程實測分流比平均為0.14，為原設計的56%，而且還呈現(xiàn)逐步遞減趨勢，整個引水工程遇到了很大困難。2010年年末，引水工程到了最困難時期，分流比小于0.1，僅達到原設計的24%，對青島的供水安全威脅巨大。

2.3 引黃水量不足

目前膠東調(diào)水工程已完成修建，具備通水的條件，但是在長江水到來之前，某引水工程依舊是膠東城市供水的主要來源。按照膠東調(diào)水工程立項時的規(guī)定，向膠東引黃的時間從9月到第二年3月。根據(jù)黃河利津站1980～2009年資料分析，在保證率95%時，只能引入黃河水2.29億m3，比立項時的引水量減少了1.06億m3，這只能剛好滿足青島市用水需求，向煙臺和威海的供水嚴重不足。

造成引黃水量不足的主要原因是黃河同流量下水位降低，通過渠首閘引水的分流比減小，渠首引黃達不到原設計條件。因此需要降低渠首進水閘的閘底板高程，并在適宜地點興建泵站提水，以提高渠首引黃樞紐工程的取水能力。

3 泵站前池流場模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

數(shù)值計算模型先加CAD中建出模型的各個組成部分，將各部分的面轉(zhuǎn)化為面域，然后導進GAMBIT軟件中，將各個組成部分組合成數(shù)值模型，其中彎道段左右兩側(cè)設置了10.8m長的弧型導流墩，在中間位置設置了長9.8m弧型導流墩，如圖3（a）。采用分塊剖分的辦法，復雜區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對局部進行加密，普通區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3（b）。

圖3 計算模型及其網(wǎng)格剖分

邊界條件：流場進口的流速大小由流量和進口斷面計算取得，進口水深2.5m，出口為自由出流，自由水面符合鋼蓋定理并設定對稱條件，固體邊壁設為靜止壁面，符合壁面函數(shù)法且糙度0.001。計算模型采用標準k-ε紊流模型。

3.2 計算結(jié)果

根據(jù)上節(jié)的計算模型和邊界條件等進行三維數(shù)值模擬計算。結(jié)果如圖4。

圖4 前池流態(tài)數(shù)值模擬計算結(jié)果

由圖4可知，在前池彎道設置3座弧型導流墩后，前池中的流態(tài)良好，水流均正向流動，基本無回旋，且底層、中層及面層的流速分布良好，面層水流進入流道進口時基本沒有出現(xiàn)渦旋，前池水流的流速分布均勻度在83%以上，說明該設計方案可行。

4 結(jié)語

（1）造成引黃水量不足的主要原因：黃河同流量下水位降低，渠首閘引水的分流比減小，渠首引黃達不到原設計條件。因此在適宜地點興建渠首泵站十分必要，并對泵站前池流態(tài)進行了數(shù)值模擬，在前池彎道設置了長度不同的3座弧型導流墻，使得前池水流基本無回旋，流速分布均勻度較高，該設計方案可行。

（2）該項目實施后，可以有效提高渠首引黃樞紐工程的取水能力，有力保證城市及渠首下游灌區(qū)的用水安全。

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