增江某取水工程對通航影響的數(shù)值模擬研究

王靜新

摘 要：基于有限差分方法，建立了增江干流某取水工程附近平面二維水流數(shù)學模型，利用該模型計算了工程前后附近航道的流速、流向和水位等水流特性變化，分析了3種典型流量下取水工程對航道通航條件的影響范圍和程度，其研究成果可為工程設計和航道管理提供參考。

關鍵詞：航道影響 取水工程 數(shù)學模型 流速流態(tài)

某水廠設在增江廖村地段，水廠設計取水能力為12萬m3/d，取水方式采用岸邊式取水泵房。取水口距離下游增城大橋約2km，下游初溪攔河壩約11.5km。工程所在增江干流河道該段航道規(guī)劃等級為內河VI級。工程河段水域寬闊，河面寬度約為210～420m。本研究建立了一個二維水流數(shù)值模型，計算了增江干流某取水工程興建后附近水域的流速流態(tài)變化，定量分析了取水工程對河道通航水流條件的影響，其研究成果可為工程設計提供參考，同時可為行政主管部門航道管理提供依據(jù)。

1.數(shù)學模型建立與率定

1. 1數(shù)學模型的建立

（1）基本方程。本研究采用貼體正交曲線坐標系下的二維水流連續(xù)方程和運動方程，其控制方程如下：

（2）計算方法。上述方程組利用ADI法離散并求得數(shù)值解。主要計算方法如下：設Δt，Δx，Δy分別為時間步長和x，y方向上的空間步長，在時間上將Δt分成兩個半步長，計算采用隱、顯格式交替方向進行，即在nΔt～（n+1/2）Δt半步長上，用隱格式離散連續(xù)方程和x方向上的動力方程，求得（n+1/2）Δt時層上的z和u，對y方向上的動力方程則用顯式離散，并求得（n+1/2）Δt時層上的v；然后在（n+1/2）Δt～（n+1）Δt半步長上，用隱格式離散連續(xù)方程和y方向上的動力方程，求得（n+1）Δt時層上的z和v，對x方向上的動力方程則用顯式離散，并求得（n+1）Δt時層上的u。

（3）計算范圍及網(wǎng)格布置。模型研究范圍雖為單一河道，但河道的地形復雜多樣，岸線曲折。對于這樣一個水域，如果采用傳統(tǒng)的矩形網(wǎng)格進行離散，勢必造成邊界模擬精度不高，計算工作量巨大等缺陷，直接影響模型研究的精度。為此，采用貼體正交曲線網(wǎng)格劃分程序對二維模型計算區(qū)域剖分，網(wǎng)格采用貼體正交曲線網(wǎng)格，共布網(wǎng)格18282個，最小網(wǎng)格尺寸約2m～3m。

1.2數(shù)學模型的驗證

（1）驗證水文條件。模型驗證資料根據(jù)一維數(shù)學模型計算成果進行驗證，由于研究區(qū)域缺乏實測流速（流量）資料，流量的驗證由麒麟咀水位曲線關系進行推求。

（2）誤差統(tǒng)計。由于計算河段為單一河段，水位的驗證效果很好。流量的推求值與計算值也較接近，均在規(guī)范要求的范圍內。計算流速與流量與動力地貌結構相適應，在合理的物理范圍內。

（3）驗證成果分析。從以上驗證成果可見，水位和流量驗證與推算值吻合較好，因河道為單向流，流速分布符合河道水流規(guī)律，但總體上模型驗證與實測資料基本吻合，符合規(guī)程規(guī)定的精度，可用于該水廠取水工程對通航影響方案計算。

2.擬建工程方案通航水流條件計算與分析

2. 1計算水文條件

（1）枯水水文條件，麒麟咀34.9m3/s流量與下游初溪壩上水位6.0m；（2）中水水文條件，麒麟咀多年平均流量125.51m3/s流量與下游初溪壩上水位6.0m；（3）洪水水文條件，麒麟咀站5年一遇流量2250m3/s與下游初溪壩上水位7.09m。

2.2工程對河道水位的影響

由于工程取水，會造成河道局部區(qū)域水位下降，在洪水情況下，因取水量相對甚微，工程取水引起工程附近水域的水位基本沒有變化，僅在取水頭部有-0.001m的降幅；在中水情況下，取水工程引起的水位變幅也甚微，最大值在取水頭部僅-0.002m。枯水條件下，取水工程會對附近區(qū)域的水位產生一定的影響，最大水位降幅發(fā)生在取水頭部，其值為-0.003m。

2.3工程后對河道流速變化及影響范圍

工程后，在不同水文條件下，流速變化最大部位在取水建筑物附近，這種變化引起上下游河道水流在一定范圍內發(fā)生了變化，水面和流速呈現(xiàn)出由取水口向上下游逐漸遞減的規(guī)律，影響范圍跟河道下泄徑流量大小密切相關，若不考慮取水建筑物的阻水效應，則由于取水使河道過水流量減小了，其效應會使取水口上游流速增加，下游流速減小。

洪水水文條件下，取水工程影響范圍主要在取水頭部上、下游約600m的范圍。取水口位置流速有較大的變化，流速減小值為0.16cm/s遠離取水頭部，向上游流速略有增加，向下游流速略有減小，變化幅度均是越遠離取水口，變幅越小，流速變化等值線向下游方向延伸較遠，即對下游影響距離稍遠。流速的變化幅度都較小，對航道軸線流速影響不大。

2.4工程后對河道橫向流速變化及影響范圍

洪水水文條件下，取水口附近橫向流速增加，主要影響取水頭部附近水域，對取水口上下游影響小。最大橫向流速變化發(fā)生在取水頭部26#及鄰近的31#采樣點，橫向流速變幅為0.25～0.49cm/s。中水水文條件下，影響趨勢與洪水條件不同，影響范圍明顯增大。最大橫向流速變化值為1.06cm/s，也是發(fā)生在取水頭部位置?；驹诒竟こ倘∷诰喟哆吋s100m，上下寬約100m的范圍內流速才有變化。變化相對較大的渦流區(qū)域位于取水口附近20m范圍內?？菟臈l件下，影響趨勢與中水條件不同，影響范圍比中水條件稍大。最大橫向流速變化值為1.14cm/s，基本在本工程取水口距岸邊約100m，上下寬約100m的范圍內。變化相對較大的渦流區(qū)域位于取水口附近20m范圍內。

3.結語

（1）建立的平面二維數(shù)學模型經驗證能較好的模擬工程前后的流速流態(tài)，可用于取水工程對于航道通航條件影響研究。

（2）取水工程取水時造成的最大水位降落不超過0.3cm，影響范圍不超過100m，不影響該河段的通航水深。

（3）工程建設后，主航道航行條件不受影響，但在取水口靠近岸邊一側水流條件有所改變，流速及橫向流速均有所增加，并隨著距取水口的距離變遠逐漸變弱。流態(tài)受影響范圍局限在取水口上下游100m范圍內，變化很小，相對變化較大的渦流區(qū)域局限在取水口附近20m范圍。因此，該水廠取水工程不會對航道的正常通航造成不利影響。

參考文獻：

[1]龐啟秀，莊小將，黃哲浩等.跨海大橋橋墩對周圍海區(qū)水動力環(huán)境影響數(shù)值模擬[J].水道港口，2008，29（1）：16-20.

[2]高峰，陳漢寶.華能營口電廠取水工程的流場數(shù)值模擬[J].水運工程，2007（7）：403-408.