卞新盛，成 立 ，尚 穎，梁文清，張衛(wèi)東

（1.南水北調(diào)江蘇水源有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210029；2.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

為更好實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)東線省際調(diào)水計(jì)量，在江蘇省與山東省交界處江蘇省轄區(qū)內(nèi)的中運(yùn)河梁王城水文自動(dòng)采集站上設(shè)置省界測(cè)流斷面，測(cè)流斷面的河道規(guī)整，水位變化較小，測(cè)流條件良好[1]。但由于該斷面屬于淺寬型航道，船舶運(yùn)行影響較大，如何確定合適的測(cè)流方法和提高在線測(cè)流精度是迫切需要解決的問題。本文采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和CFD相結(jié)合的方案，對(duì)擬采用的HADCP進(jìn)行了研究。

1 測(cè)流斷面情況

中運(yùn)河梁王城水文自動(dòng)采集站位于中運(yùn)河泇口閘上游約2.5 km處，此處設(shè)站目的是監(jiān)測(cè)通過中運(yùn)河輸水線路向山東省輸送水量。站址上游約500 m長河道為直線段，再接圓弧段河道。下游約700 m長河道為直線段，再接S型河道。此處測(cè)驗(yàn)河段上下游順直，河床平整，水流平穩(wěn)，河床底質(zhì)為粉質(zhì)壤土，斷面年際變化不大，水文站選址可行。省界斷面就位于該站上，為蘇魯省界重要的計(jì)量斷面。經(jīng)過勘測(cè)，測(cè)量斷面選擇在徐州韓莊山頭，蘇魯省界處。該斷面2000年曾經(jīng)進(jìn)行過斷面整治，兩岸為漿砌塊石護(hù)坡，河道規(guī)整，測(cè)流條件良好。該斷面最高通航水位26.98 m，最低通航水位20 m，供水最高水位21.33 m，河底高程16.4 m。在最低通航水位20 m時(shí)水深為3.6 m，河寬近80 m，設(shè)計(jì)流量為150 m3/s，流速約為0.4 m/s 。

2 測(cè)流方法的選擇

現(xiàn)有的測(cè)流方法主要有6種：纜道自動(dòng)測(cè)流、聲學(xué)多普勒流速（ADCP）、超聲波時(shí)差法測(cè)流、水工建筑物（涵閘）推算流量、水位比降法推算流量、雷達(dá)水表面波流速測(cè)量再推算流量。

（1）纜道自動(dòng)測(cè)流的測(cè)量精度較高，且不需要率定，主要適用于不規(guī)則斷面的流量測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)主要測(cè)流斷面的流量控制。但由于需要架設(shè)過橋纜道，投資高，工程量大，測(cè)量周期長[2]，故不適用于省界斷面。

（2）超聲波時(shí)差法測(cè)流適用于斷面較穩(wěn)定，有一定水深的河道，可以在線連續(xù)測(cè)量，但不適用于斷面較寬、水淺和含沙量較高的情況[3]。而省界斷面河寬近80 m，最低水深只有3.6 m，故該方法不適用。

（3）水工建筑物（涵閘）測(cè)流計(jì)算簡單方便，通過人工標(biāo)定來確定經(jīng)驗(yàn)公式的相關(guān)系數(shù)，但流量系數(shù)不易確定，需要通過人工測(cè)量來確定流量關(guān)系曲線，所以測(cè)量精度并不高，對(duì)于南水北調(diào)工程而言，精度要求較高，故該方法不適用。

（4）比降法測(cè)流方法精度不高，當(dāng)測(cè)流河道的水流不是自由流，水位受上下游水工建筑物的影響較大時(shí)就無法推算流量[4]，故不適用于一般河道的測(cè)流。

（5）雷達(dá)水表面波流速測(cè)量再推算流量法測(cè)量精度不高，易受外界影響，而且雷達(dá)測(cè)速儀在水表面流速低于0.5 m時(shí)無法測(cè)量[5]，所以用雷達(dá)測(cè)速儀做在線實(shí)時(shí)測(cè)量很難實(shí)現(xiàn)。

（6）聲學(xué)多普勒流速測(cè)流是利用聲學(xué)多普勒原理進(jìn)行研制的，精度較高，可以用于淺寬型河道[6]。該方法又分為走航式聲學(xué)多普勒流速法和水平聲學(xué)多普勒流速法[7]。該方法的測(cè)流儀器采用最新的聲學(xué)多普勒技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，可靠性高，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，故比較適合河道測(cè)流[8]。工作示意圖如圖1所示。

圖1 水平聲學(xué)多普勒流速法工作示意圖

根據(jù)以上各方法的優(yōu)劣比較，結(jié)合南水北調(diào)東線工程江蘇段的情況，綜合分析，初步選用聲學(xué)多普勒流速測(cè)流方法。

3 測(cè)流斷面流場(chǎng)計(jì)算

本文采用商用ANSYS軟件，以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試段河道為研究對(duì)象，建立三維模型，對(duì)河道進(jìn)行研究。其中通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置河道典型流量為112 m3/s，通過計(jì)算得出典型流量，河道現(xiàn)有設(shè)置斷面的流速云圖、流速矢量圖，分析該斷面流速分布。

3.1 控制方程

本文采用三維雷諾時(shí)均N-S方程來描述河道內(nèi)不可壓縮流體的湍流流動(dòng)。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

3.2 網(wǎng)格劃分

將河道分為5部分劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分采用ANSYS軟件中的mesh軟件進(jìn)行劃分，采用六面體網(wǎng)格。圖2為其中第一部分的網(wǎng)格模型，總體網(wǎng)格數(shù)670萬。

圖2 網(wǎng)格模型圖

3.3 計(jì)算參數(shù)及邊界條件

圖3為計(jì)算實(shí)體造型圖，圖4為計(jì)算前處理設(shè)置界面，包括進(jìn)口、出口及自由水面。其中斷面3為現(xiàn)場(chǎng)ADCP測(cè)流斷面，邊界條件設(shè)置為進(jìn)口采用質(zhì)量流（112000 kg/s），出口采用靜壓流（1.0 atm）。

圖3 計(jì)算實(shí)體造型圖

圖4 前處理設(shè)置圖

3.4 定常計(jì)算結(jié)果

圖5為流量112 m3/s時(shí)河道的流線圖。由圖可知，河道內(nèi)水流流態(tài)平順，水流收縮和轉(zhuǎn)向較好，無旋渦、脫流等不良流態(tài)。圖6為不同斷面流速云圖，由圖可知，靠近出水口斷面的流速較大，且變化不均勻，中間斷面流速分布較為均勻，總體流速呈現(xiàn)邊壁小，中間大的趨勢(shì)。計(jì)算表明：測(cè)試段河道整體的流態(tài)較好，流速變化較為均勻，有利于數(shù)據(jù)的采集以及HADCP斷面的流速分析。

圖5 河道流線圖

4 HADCP方案

圖6 設(shè)計(jì)流量斷面流速云圖

本文在設(shè)計(jì)流量112 m3/s和流量為80 m3/s 50 m3/s、20 m3/s的工況下，通過對(duì)HADCP斷面流速分布的分析，進(jìn)一步判斷聲學(xué)多普勒流速測(cè)流方法的可行性，從而確定南水北調(diào)東線工程省界斷面的測(cè)流方式。

圖7為流量112 m3/s工況下HADCP斷面流速矢量圖，圖8中的（a）、（b）、（c）、（d）分別為流量112 m3/s、80 m3/s、50 m3/s、20 m3/s工況下HADCP斷面流速云圖。由圖中所示的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，HADCP斷面流速變化較均勻，流速呈現(xiàn)出邊壁小，中間大，表層小，下層大的趨勢(shì)。隨著流量的減小，流速也變化較明顯，故在流量較大時(shí)所采集的流速參考性更大。測(cè)流斷面整體流態(tài)平順穩(wěn)定，符合聲學(xué)多普勒流速測(cè)流環(huán)境。

圖7 HADCP斷面流速矢量圖

通過在圖8上不同水深處均勻取點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)繪制流速曲線圖，如圖9中的（a）、（b）、（c）、（d）所示。從圖中可以看出，1.5～3.5之間的流速均勻，流態(tài)穩(wěn)定，水深為0.5 m的表層和邊壁流速很小，在流量120 m3/s和80 m3/s的工況下，流速變化較穩(wěn)定，而在低流量工況下，流速較不穩(wěn)定，波動(dòng)較明顯。在岸邊距0～40 m和120 m以外范圍內(nèi)，流速變化很不均勻，起伏變化較大，故可以選擇60～80 m范圍內(nèi)的流速作為指標(biāo)流速。在水深較淺和較深的情況下，流速數(shù)據(jù)較不理想，受地形和外界因素影響較大，故選擇水面下2～3 m的水位放置聲學(xué)多普勒測(cè)速儀較為合適[9]。

圖8 HADCP斷面流速云圖

圖9 同一斷面不同水深流速變化曲線

5 結(jié)論

本文通過分析與數(shù)值模擬計(jì)算分析，取得主要結(jié)論如下：

（1）通過對(duì)各種測(cè)流方法的優(yōu)劣比較，結(jié)合南水北調(diào)東線工程江蘇段省界斷面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，初步選定聲學(xué)多普勒流速測(cè)流；

（2）測(cè)流斷面數(shù)值模擬結(jié)果表明，河道水流流態(tài)平順，流速均勻，無漩渦、脫流等不良流態(tài)，利于數(shù)據(jù)的采集以及HADCP斷面的流速分析；

（3）HADCP斷面數(shù)值模擬結(jié)果表明，HADCP斷面流速呈現(xiàn)邊壁小，中間大，表層小，下層大的趨勢(shì)，流速變化均勻，水位變幅不大，符合聲學(xué)多普勒流速測(cè)流環(huán)境。通過流速曲線圖可以看出，在大流量工況下，流速變化更具有代表性，可以作為流速采集的標(biāo)準(zhǔn)，60～80m范圍內(nèi)的流速可以作為指標(biāo)流速，水位在水面下2～3m范圍內(nèi)可以放置聲學(xué)多普勒測(cè)速儀。

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