李云中 吳 蕓 劉 冠

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

近年來，隨著工業(yè)化和城市化的快速推進，部分河流出現(xiàn)水質嚴重惡化、水體黑臭等多種水環(huán)境問題，引起社會各界廣泛關注。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]。

引清調水工程作為一種改善水環(huán)境的重要措施，將水質較好的水，通過引水泵站的調度，引入水質需改善的河網(wǎng)[2]，在國內外得到成功運用[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，這些水流問題會對泵站的效率產(chǎn)生影響[5]；同時，較大的出水速度會沖刷下游河床，不利于河床穩(wěn)定[6]。

本文通過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下游河道的影響程度，并為泵站下游河道工程保護提供依據(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)風貌，河網(wǎng)水系具有防洪、排澇、航運、灌溉、景觀等多種功能。隨著昆山市經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，區(qū)域內部分河流出現(xiàn)水質嚴重惡化、水體黑臭等多種水環(huán)境問題，既影響了周邊居民的正常生活，也將制約著昆山社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

為改善江浦圩、廟涇圩和玉山圩河道水質，通過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下游河道的影響程度，并為泵站下游河道的工程保護提供依據(jù)，本文主要對引水泵站出水口下游河道流場進行模擬。

2 數(shù)學模型

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，閘門寬度12m，側向單管出水。下游河道采用標準梯形斷面，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下游河道的影響，在出水管下游10m處設置高程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下游河道的影響，在出水管下游10m處設置高程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，為了減少網(wǎng)格使用數(shù)量，提高計算效率，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技術檢視網(wǎng)格質量情況，結果表明網(wǎng)格尺寸已經(jīng)可以滿足計算精度要求，具有較為完整的描述模型特征(見圖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

在進行數(shù)值模擬計算時，考慮了自由液面與空氣接觸，以VOF的方法處理自由液面，計算結果更加合理，精度也更高。考慮主要是上下游水位差引起河道水流流動，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。流場計算參數(shù)見表1。

表1 流場計算參數(shù)

2.4 邊界條件

整個河道均為三維實體，均設定為固體邊壁邊界，無自由滑移。廟涇河引水泵站進口設定在河道上游側，采用流量邊界，流量通量為1，出口設置在河道下游側，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正方向為自由液面所處邊界，采用壓力邊界條件，但其流量通量為0，即表示該液面處無流量通過，只存在空氣流通。

2.5 初始條件

t=0時刻，流體靜壓力選擇Z方向，給定初始壓力條件，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(incompressible)，自由表面作用有一個標準大氣壓(1atm)。

3 數(shù)值模擬結果及流場分析

利用有限元軟件進行數(shù)值模擬，得到河道水流整體的流場分布情況。圖5為數(shù)值計算的穩(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。在輸出的結果信息中，選取特定截面作對比分析，對比內容主要包括流態(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圖。

圖5 數(shù)值計算穩(wěn)定性收斂曲線

3.1 廟涇河引水泵站流場分析

計算結果選取終了時刻較為典型的斷面進行分析。分別截取t=120s時刻，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)生左側回流區(qū)，產(chǎn)生偏流現(xiàn)象，水流不良流態(tài)進一步擴大。若不采取措施，不良流態(tài)會延續(xù)到下游河道，危害下游河道護岸工程安全。因此本工程在出水池末端加入底坎來改善流態(tài)，較為紊亂的水流經(jīng)過底坎，在其前方形成角渦，并在其后方產(chǎn)生回流，經(jīng)過底坎后水流流態(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)中心泵站流場分析

計算結果選取終了時刻較為典型的斷面進行分析。分別截取t=120s時刻，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)會延續(xù)到下游河道，危害下游河道護岸工程安全。因此本工程在出水池末端加入底坎來改善流態(tài)，較為紊亂的水流經(jīng)過底坎，在其前方形成角渦，并在其后方產(chǎn)生回流，經(jīng)過底坎的消能后，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 語

引水泵站對改善城市水環(huán)境質量具有重要意義，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力模型，對泵站出水流道及其下游河道水動力進行模擬。結果表明：泵站出水管大流速導致其下游河道出現(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修建底坎等設施減小出水管水流對河床的沖刷作用。