昆山市玉山圩引水泵站出水口下游河道流場(chǎng)模擬研究

李云中 吳 蕓 劉 冠

(1.昆山市水利設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 昆山 215300；2.昆山市水利水務(wù)工程治理與安全監(jiān)督站，江蘇 昆山 215300)

近年來(lái)，隨著工業(yè)化和城市化的快速推進(jìn)，部分河流出現(xiàn)水質(zhì)嚴(yán)重惡化、水體黑臭等多種水環(huán)境問(wèn)題，引起社會(huì)各界廣泛關(guān)注。盡管地方政府加大治污力度，排污量逐年減少，但是入河、入湖的排污量仍然很大，水環(huán)境持續(xù)惡化[1]。

引清調(diào)水工程作為一種改善水環(huán)境的重要措施，將水質(zhì)較好的水，通過(guò)引水泵站的調(diào)度，引入水質(zhì)需改善的河網(wǎng)[2]，在國(guó)內(nèi)外得到成功運(yùn)用[3-4]。引水泵站的出水管道與下游河道連接處易產(chǎn)生回流、偏流等，這些水流問(wèn)題會(huì)對(duì)泵站的效率產(chǎn)生影響[5]；同時(shí)，較大的出水速度會(huì)沖刷下游河床，不利于河床穩(wěn)定[6]。

本文通過(guò)建立引水泵站下游河道模型，模擬昆山市玉山圩引水路線中廟涇河泵站和玉山圩涵養(yǎng)中心泵站出水管道較大的出流速度對(duì)下游河道的影響程度，并為泵站下游河道工程保護(hù)提供依據(jù)。

1 工程概況

昆山市位于江蘇省東南部，河網(wǎng)縱橫密布，具有典型的江南水鄉(xiāng)風(fēng)貌，河網(wǎng)水系具有防洪、排澇、航運(yùn)、灌溉、景觀等多種功能。隨著昆山市經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，區(qū)域內(nèi)部分河流出現(xiàn)水質(zhì)嚴(yán)重惡化、水體黑臭等多種水環(huán)境問(wèn)題，既影響了周邊居民的正常生活，也將制約著昆山社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

為改善江浦圩、廟涇圩和玉山圩河道水質(zhì)，通過(guò)廟涇河從傀儡湖向江浦圩、廟涇圩和玉山圩引水。玉山圩的引水路線為：從廟涇河泵站引清水至涵養(yǎng)中心泵站，之后分兩部分完成東西圩的引換水。為了分析廟涇河泵站和玉山圩涵養(yǎng)中心引水泵站出水管道較大的出流速度對(duì)下游河道的影響程度，并為泵站下游河道的工程保護(hù)提供依據(jù)，本文主要對(duì)引水泵站出水口下游河道流場(chǎng)進(jìn)行模擬。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 模型建立

廟涇河引水泵站流量為3.5m3/s，出水管直徑1m、管中心高程3.6m，閘門(mén)寬度12m，側(cè)向單管出水。下游河道采用標(biāo)準(zhǔn)梯形斷面，底高程0.00m，底寬15m，邊坡1∶1.5，常水位2.95m。為減小出水管大流速對(duì)下游河道的影響，在出水管下游10m處設(shè)置高程1.00m底坎。

玉山圩涵養(yǎng)中心泵站的流量為1.3m3/s，出水管直徑0.7m、管中心高程4m，單管出水。下游為一寬敞湖面(涵養(yǎng)中心水面)，湖泊底高程-0.50m，邊坡1∶1.5，常水位3.55m。為減小出水管大流速對(duì)下游河道的影響，在出水管下游10m處設(shè)置高程2.00m的底坎。

根據(jù)以上信息使用UG軟件建立原型河道三維模型(見(jiàn)圖1、圖2)。

圖1 廟涇河引水泵站下游河道模型

圖2 玉山圩涵養(yǎng)中心出水管下游湖面模型

2.2 網(wǎng)格劃分

以模型特征為基礎(chǔ)，為了減少網(wǎng)格使用數(shù)量，提高計(jì)算效率，本文采用統(tǒng)一的正六面體網(wǎng)格，大網(wǎng)格區(qū)長(zhǎng)度為0.2m，廟涇河下游河道模型總網(wǎng)格數(shù)為494832，涵養(yǎng)中心出水管下游部分模型總網(wǎng)格數(shù)為222300。采用Favor技術(shù)檢視網(wǎng)格質(zhì)量情況，結(jié)果表明網(wǎng)格尺寸已經(jīng)可以滿足計(jì)算精度要求，具有較為完整的描述模型特征(見(jiàn)圖3、圖4)。

圖3 廟涇河下游河道模型Favor檢視圖

圖4 玉山圩涵養(yǎng)中心出水管下游湖面模型Favor檢視圖

2.3 物理模型

在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，考慮了自由液面與空氣接觸，以VOF的方法處理自由液面，計(jì)算結(jié)果更加合理，精度也更高?？紤]主要是上下游水位差引起河道水流流動(dòng)，重力因素必不可少，故激活重力模型；在紊流模型中，選用牛頓流體(Renormalized Group，RNG)k-ε模型。流場(chǎng)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 流場(chǎng)計(jì)算參數(shù)

2.4 邊界條件

整個(gè)河道均為三維實(shí)體，均設(shè)定為固體邊壁邊界，無(wú)自由滑移。廟涇河引水泵站進(jìn)口設(shè)定在河道上游側(cè)，采用流量邊界，流量通量為1，出口設(shè)置在河道下游側(cè)，上下游流量均為3.5m3/s。玉山圩涵養(yǎng)中心出水管湖面上游流量1.3m3/s，下游閉邊界。Z正方向?yàn)樽杂梢好嫠庍吔?，采用壓力邊界條件，但其流量通量為0，即表示該液面處無(wú)流量通過(guò)，只存在空氣流通。

2.5 初始條件

t=0時(shí)刻，流體靜壓力選擇Z方向，給定初始?jí)毫l件，廟涇河河道下游水深2.95m，涵養(yǎng)中心泵站下游湖面水深3.1m，選擇單一流體(one fluid)，不可壓縮流動(dòng)(incompressible)，自由表面作用有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1atm)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及流場(chǎng)分析

利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到河道水流整體的流場(chǎng)分布情況。圖5為數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性收斂曲線，可以看出100s后河道水流流態(tài)趨于穩(wěn)定。在輸出的結(jié)果信息中，選取特定截面作對(duì)比分析，對(duì)比內(nèi)容主要包括流態(tài)及流速分布特征，給出特征斷面處的流速等值線圖和流場(chǎng)圖。

圖5 數(shù)值計(jì)算穩(wěn)定性收斂曲線

3.1 廟涇河引水泵站流場(chǎng)分析

計(jì)算結(jié)果選取終了時(shí)刻較為典型的斷面進(jìn)行分析。分別截取t=120s時(shí)刻，Z=0.3m、1.5m、2.8m(底層、中層、表層)的水平面，繪制該平面的流速云圖及流速等值線圖(見(jiàn)圖6)。

圖6 廟涇河特征斷面流速云圖及等值線

廟涇河泵站出水管處，由于泵站出水水流的影響，水流流態(tài)部分紊亂，在出水池內(nèi)形成漩渦以及偏流等不良流態(tài)，再加上相鄰出水池的影響，容易產(chǎn)生左側(cè)回流區(qū)，產(chǎn)生偏流現(xiàn)象，水流不良流態(tài)進(jìn)一步擴(kuò)大。若不采取措施，不良流態(tài)會(huì)延續(xù)到下游河道，危害下游河道護(hù)岸工程安全。因此本工程在出水池末端加入底坎來(lái)改善流態(tài)，較為紊亂的水流經(jīng)過(guò)底坎，在其前方形成角渦，并在其后方產(chǎn)生回流，經(jīng)過(guò)底坎后水流流態(tài)大幅度改善，水流漸漸平穩(wěn)，流速大幅度降低。廟涇河泵站底坎下游河道底層流速為0.2m/s。

3.2 玉山圩涵養(yǎng)中心泵站流場(chǎng)分析

計(jì)算結(jié)果選取終了時(shí)刻較為典型的斷面進(jìn)行分析。分別截取t=120s時(shí)刻，Z=-0.2m、1.5m、3.4m(底層、中層、表層)的水平面，繪制該平面的流速云圖及流速等值線圖(見(jiàn)圖7)。

圖7 涵養(yǎng)中心特征斷面流速云圖及等值線

涵養(yǎng)中心泵站出水管處，由于泵站出水水流的影響，水流流態(tài)部分紊亂，在出水池內(nèi)形成漩渦以及偏流等不良流態(tài)，若不采取措施，不良流態(tài)會(huì)延續(xù)到下游河道，危害下游河道護(hù)岸工程安全。因此本工程在出水池末端加入底坎來(lái)改善流態(tài)，較為紊亂的水流經(jīng)過(guò)底坎，在其前方形成角渦，并在其后方產(chǎn)生回流，經(jīng)過(guò)底坎的消能后，水流流態(tài)大幅度改善，水流漸漸平穩(wěn)，流速大幅度降低。涵養(yǎng)中心泵站底坎下游河道底層流速為0.1m/s。

4 結(jié) 語(yǔ)

引水泵站對(duì)改善城市水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義，但下游河床易受泵站出水口流速影響出現(xiàn)沖於變化。本文通過(guò)建立廟涇河泵站和玉山圩涵養(yǎng)中心引水泵站下游河道三維水動(dòng)力模型，對(duì)泵站出水流道及其下游河道水動(dòng)力進(jìn)行模擬。結(jié)果表明：泵站出水管大流速導(dǎo)致其下游河道出現(xiàn)較大流速，但底坎可起到較好的消能及改善流態(tài)的作用，底坎下游河道底層流速可分別降低至0.2m/s和0.1m/s。泵站下游的河道可適當(dāng)修建底坎等設(shè)施減小出水管水流對(duì)河床的沖刷作用。