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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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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