增江某取水工程对通航影响的数值模拟研究.docx

增江某取水工程对通航影响的数值模拟研究 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维水流数学模型，利用该模型计算了工程前后附近航道的流速、流向和水位等水流特性变化，分析了3种典型流量下取水工程对航道通航条件的影响范围和程度，其研究成果可为工程设计和航道管理提供参考。 关键词：航道影响 取水工程 数学模型 流速流态 某水厂设在增江廖村地段，水厂设计取水能力为12万m3/d，取水方式采用岸边式取水泵房。取水口距离下游增城大桥约2km，下游初溪拦河坝约11.5km。工程所在增江干流河道该段航道规划等级为内河VI级。工程河段水域宽阔，河面宽度约为210420m。本研究建立了一个二维水流数值模型，计算了增江干流某取水工程兴建后附近水域的流速流态变化，定量分析了取水工程对河道通航水流条件的影响，其研究成果可为工程设计提供参考，同时可为行政主管部门航道管理提供依据。 1.数学模型建立与率定 1. 1数学模型的建立 （1）基本方程。本研究采用贴体正交曲线坐标系下的二维水流连续方程和运动方程，其控制方程如下： （2）计算方法。上述方程组利用ADI法离散并求得数值解。主要计算方法如下：设t，x，y分别为时间步长和x，y方向上的空间步长，在时间上将t分成两个半步长，计算采用隐、显格式交替方向进行，即在nt（n+1/2）t半步长上，用隐格式离散连续方程和x方向上的动力方程，求得（n+1/2）t时层上的z和u，对y方向上的动力方程则用显式离散，并求得（n+1/2）t时层上的v；然后在（n+1/2）t（n+1）t半步长上，用隐格式离散连续方程和y方向上的动力方程，求得（n+1）t时层上的z和v，对x方向上的动力方程则用显式离散，并求得（n+1）t时层上的u。 （3）计算范围及网格布置。模型研究范围虽为单一河道，但河道的地形复杂多样，岸线曲折。对于这样一个水域，如果采用传统的矩形网格进行离散，势必造成边界模拟精度不高，计算工作量巨大等缺陷，直接影响模型研究的精度。为此，采用贴体正交曲线网格划分程序对二维模型计算区域剖分，网格采用贴体正交曲线网格，共布网格18282个，最小网格尺寸约2m3m。 1.2数学模型的验证 （1）验证水文条件。模型验证资料根据一维数学模型计算成果进行验证，由于研究区域缺乏实测流速（流量）资料，流量的验证由麒麟咀水位曲线关系进行推求。 （2）误差统计。由于计算河段为单一河段，水位的验证效果很好。流量的推求值与计算值也较接近，均在规范要求的范围内。计算流速与流量与动力地貌结构相适应，在合理的物理范围内。 （3）验证成果分析。从以上验证成果可见，水位和流量验证与推算值吻合较好，因河道为单向流，流速分布符合河道水流规律，但总体上模型验证与实测资料基本吻合，符合规程规定的精度，可用于该水厂取水工程对通航影响方案计算。 2.拟建工程方案通航水流条件计算与分析 2. 1计算水文条件 （1）枯水水文条件，麒麟咀34.9m3/s流量与下游初溪坝上水位6.0m；（2）中水水文条件，麒麟咀多年平均流量125.51m3/s流量与下游初溪坝上水位6.0m；（3）洪水水文条件，麒麟咀站5年一遇流量2250m3/s与下游初溪坝上水位7.09m。 2.2工程对河道水位的影响 由于工程取水，会造成河道局部区域水位下降，在洪水情况下，因取水量相对甚微，工程取水引起工程附近水域的水位基本没有变化，仅在取水头部有-0.001m的降幅；在中水情况下，取水工程引起的水位变幅也甚微，最大值在取水头部仅-0.002m。枯水条件下，取水工程会对附近区域的水位产生一定的影响，最大水位降幅发生在取水头部，其值为-0.003m。 2.3工程后对河道流速变化及影响范围 工程后，在不同水文条件下，流速变化最大部位在取水建筑物附近，这种变化引起上下游河道水流在一定范围内发生了变化，水面和流速呈现出由取水口向上下游逐渐递减的规律，影响范围跟河道下泄径流量大小密切相关，若不考虑取水建筑物的阻水效应，则由于取水使河道过水流量减小了，其效应会使取水口上游流速增加，下游流速减小。 洪水水文条件下，取水工程影响范围主要在取水头部上、下游约600m的范围。取水口位置流速有较大的变化，流速减小值为0.16cm/s远离取水头部，向上游流速略有增加，向下游流速略有减小，变化幅度均是越远离取水口，变幅越小，流速变化等值线向下游方向延伸较远，即对下游影响距离稍远。流速的变化幅度都较小，对航道轴线流速影响不大。 2.4工程后对河道横向流速变化及影响范围 洪水水文条件下，取水口附近横向流速增加，主要影响取水头部附近水域，对取水口上下游影响小。最大横向流速变化发生在取水头部26#及邻近的31#采样点，横向流速变幅为0.250.49cm/s。中水水文条件下，影响趋势与洪水条件不同，影响范围明显增大。最大横向流速变化值为1.06cm/s，也是发生在取水头部位置。基本在本工程取水口距岸边约100m，上下宽约100m的范围内流速才有变化。变化相对较大的涡流区域位于取水口附近20m范围内。枯水水文条件下，影响趋势与中水条件不同，影响范围比中水条件稍大。最大横向流速变化值为1.14cm/s，基本在本工程取水口距岸边约100m，上下宽约100m的范围内。变化相对较大的涡流区域位于取水口附近20m范围内。 3.结语 （1）建立的平面二维数学模型经验证能较好的模拟工程前后的流速流态，可用于取水工程对于航道通航条件影响研究。 （2）取水工程取水时造成的最大水位降落不超过0.3cm，影响范围不超过100m，不影响该河段的通航水深。 （3）工程建设后，主航道航行条件不受影响，但在取水口靠近岸边一侧水流条件有所改变，流速及横向流速均有所增加，并随着距取水口的距离变远逐渐变弱。流态受影响范围局限在取水口上下游100m范围内，变化很小，相对变化较大的涡流区域局限在取水口附近20m范围。因此，该水厂取水工程不会对