王亞軍

(塔里木大學，新疆 阿拉爾 843000)

水資源對于我們的生活、生態(tài)及生產(chǎn)意義重大。隨著水利樞紐的越來越多，生態(tài)問題逐漸得到我們的重視，如何保障下游的生態(tài)用水需要[1]，同時又可以兼顧樞紐的發(fā)電效益以及灌溉效益[2]值得我們進一步研究。

雖然對于生態(tài)基流的研究開展相對較晚，但是已經(jīng)取得一些研究成果。曹建忠[3]認為我國生態(tài)基流的研究較少，相關(guān)的計算方法不夠，他使用Tennant法等方法對六盤水生態(tài)基流進行分析研究。田鼎文[4]使用生態(tài)基流發(fā)電收損比對不同生態(tài)基流進行對比分析優(yōu)化，使其效益得到最大。楊杰[5]對甘肅地區(qū)生態(tài)基流對下游泄流情況進行研究。成波[6]針對干旱地區(qū)用于農(nóng)業(yè)的生態(tài)基流進行研究，并提出了生態(tài)補償量概念。馬樂軍對水利工程向下游泄流的最小生態(tài)流量方法進行了分析研究[7]，同時對水利工程中生態(tài)基流較大流量計算方法和軟件進行了總結(jié)，并提出了新的算法[8]。但是其并未說明有限體積法在生態(tài)基流中的應用情況。段勝禹[9]對階梯消能在水庫下游溢洪洞的應用進行了研究。耿任紅[10]對光滑溢洪和階梯溢洪道的水流特性進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)階梯溢洪道消能效果較好。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，以FLUENT軟件為基礎(chǔ)，使用RNG k-epsilon湍流模型對該生態(tài)基流放水孔下游階梯消能水力特性進行分析，為實際工程流量控制及樞紐安全提供指導。

1 模型建立

本文選取塔里木河流域一個泄水樞紐階梯消能生態(tài)基流進行研究。樞紐主要功能為發(fā)電，同時具備灌溉、生態(tài)輸水等作用，由攔河壩、泄洪洞、生態(tài)基流階梯消能兼灌溉的放水孔、發(fā)電廠房等設(shè)施組成?？値烊轂?.35億m3，最大壩高為71m，正常蓄水位為1282m、死水位為1276m。

采用有限體積法以大型計算軟件FLUENT為基礎(chǔ)采用RNG k-epsilon湍流模型對該生態(tài)基流階梯放水孔下游階梯消能水力特性進行分析。RNG k-epsilon湍流模型[11]是將N-S方程進行時均化使得方程封閉，進而可以求解的一種模型，控制方程見以下公式。

k方程：

(1)

ε方程：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，k—紊動能；ε—耗散率；t—時間；ρ—密度；μ—動力粘滯系數(shù)；μt—紊動黏滯系數(shù)；ui—對應方向的流速；Cμ，Cμ,C1ε，C2ε，β，η0—常數(shù)，Cμ=0.0845,Cμ=Cε=0.7179,C1ε=1.42,C2ε=1.68,β=0.012,η0=4.38。

計算水氣兩相流采用VOF模型，控制方程如下：

ρ=αwρw+(1-αw)ρa

(7)

μ=αwμw+(1-αw)μa

(8)

式中，ρ—平均密度；ρw—水相密度；ρa—氣相密度；αw—水體積分數(shù)；μw—水動力粘滯系數(shù)；μa—氣相動力粘滯系數(shù)。

利用FLUENT配套軟件GAMBIT進行模型的網(wǎng)格劃分，由于生態(tài)基流模型比較復雜，因為網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式進行劃分，網(wǎng)格數(shù)量為596426個，節(jié)點數(shù)為625398個。計算區(qū)域以順水流方向為X軸正方向，采用右手定則，垂直向上有Y軸正方向，沿寬度方向為Z軸正方向。

壓力求解器采用收斂性較好的PISO算法；上游入口邊界采用流速入口，設(shè)置流速大小為零，高度為對應的水位高度；下游設(shè)置為明渠，水體設(shè)置為壓力入口，水體表面設(shè)置為標準大氣壓；出口設(shè)置為自由出流。計算模型如圖1所示。并在不同位置設(shè)置12個監(jiān)測點，進行對比分析。

圖1 計算模型

2 結(jié)果分析

2.1 模型驗證

放水孔是該水利樞紐關(guān)鍵部位，要滿足下游的生態(tài)基流量和灌溉用水，本文對放水孔在設(shè)計水位和死水位2個工況下的生態(tài)基流和灌溉所用的流量進行監(jiān)測對比分析，見表1。

表1 流量對比表 單位：m3/s

根據(jù)表1可知，在設(shè)計水位和死水位2種情況下，生態(tài)基流、灌溉用水以及總流量對應的數(shù)值模擬計算值和實測值總體區(qū)別不大，比較吻合。在死水位情況下生態(tài)基流流量、灌溉用水流量、總流量之間的誤差百分比分別為：3.70%、3.86%、2.22%；在設(shè)計水位下3者之間的誤差百分比分別為：0.58%、0.29%、0.55%；均在誤差范圍內(nèi)，故可以使用RNG k-epsilon湍流模型進行數(shù)值研究。

2.2 水面線分析

對設(shè)計水位和死水位2種情況下的泄流情況進行數(shù)值模擬，得出2種情況下生態(tài)基流放水孔水面線，如圖2所示。

圖2 生態(tài)基流放水孔水面線云圖

由圖2可知，2種情況下的生態(tài)基流流態(tài)均正常，比較符合實際情況。水流在下游并沒有發(fā)生水躍現(xiàn)象。在死水位和設(shè)計水位2種情況下，生態(tài)基流均可滿足下游的生態(tài)需要和灌溉用途。從上游泄水孔開始到下游消力池的過程中水質(zhì)逐漸減小，在消力池中水深再逐漸增加，出現(xiàn)明顯的水躍現(xiàn)象。不同情況下對應的水深見表2。

表2 不同位置水面線高程 單位：m

2.3 時均壓力分析

死水位和設(shè)計水位2種情況下不同部位時均壓力分別如圖3—4所示。

圖3 死水位情況下時均壓力云圖

圖4 設(shè)計水位情況下時均壓力云圖

由圖3—4可知，在死水位情況下，第一階臺階位置附近處出現(xiàn)明顯的時均壓力增加現(xiàn)象，向下游流動過程中壓力逐漸減小然后逐漸增加，在臺階與消力池交界處附近出現(xiàn)明顯的壓力增加現(xiàn)象，這一現(xiàn)象與水深的變化情況有關(guān)。在設(shè)計水位情況下，在第一階臺階位置附近出現(xiàn)同樣出現(xiàn)壓力增加現(xiàn)象，但是為負壓。在消力池內(nèi)2種情況下的壓力較大值均出現(xiàn)在消力池與上游階梯消能工接觸位置和與下游水工設(shè)施接觸位置附近。

2.4 流速分析

死水位和設(shè)計水位2種情況下放水孔流速云圖如圖5所示。

圖5 生態(tài)基流放水孔流速云圖

由圖5可知，2種情況下的流速變化情況很相似，在上游水庫內(nèi)流速很小接近于零，隨著向下游流動的過程中流速之間增加，在階梯消能工與消力池接觸附近流速達到最大。不同斷面的流速大小見表3。

經(jīng)分析，死水位情況下，入口第1測點流速為3.66m/s；最大流速為9.05m/s，出現(xiàn)在第6測點位置處。設(shè)計水位情況下，入口第1測點流速為6.54m/s；最大流速為16.24m/s，出現(xiàn)在第5測點位置處。死水位和設(shè)計水位2種情況下的流速分別增加了5.39、9.7m/s；增加幅度分別為147.27%、148.32%。

表3 不同位置流速表 單位：m/s

2.5 消能率分析

(9)

(10)

式中，η—消能率，%；E1—第1測點的總能量；Ei—第i測點的總能量；H—對應位置的水深，m；v—對應位置的流速,m/s；g—重力加速度,m/s2。

選取第1測點的能量為計算總能量，分析得出死水位和設(shè)計水位在階梯中間位置第6測點的消能率分別為53.59%、30.12%；在階梯與消力池接觸位置附近第8測點的消能率分別為87.17%、82.26%；在消力池出口位置附近第12測點的消能率分別為94.23%、93.77%。

3 結(jié)論

(1)生態(tài)基流流量、灌溉用水流量、總流量在死水位時計算值與試驗測量的誤差百分比分別為3.70%、3.86%、2.22%；設(shè)計水位時分別為0.58%、0.29%、0.55%。RNG k-epsilon模型可以很好的進行生態(tài)基流下游水力特性數(shù)值研究。

(2)在消力池和上游階梯消能接觸位置附近和消力池出口附近的時均壓力較大，應加強防護。

(3)死水位和設(shè)計水位2種情況下的流速最大值分別出現(xiàn)在第6測點和第5測點，增加的幅度分別為147.27%、148.32%。在消力池入口的消能率分別為87.17%、82.26%；在消力池出口處的消能率分別為94.23%、93.77%。此規(guī)律可以為樞紐的實際運行和下游灌溉提供一定的理論指導。