基于空间视角的不同剖面水流运动速度变化研究

仲金龙

(江西省水投华东设计有限公司，南昌 330000)

0 引 言

无坝引水工程是引水工程的重要组成部分，在我国有着非常悠久的建设历史，四川著名的引水工程都江堰就是无坝引水工程的典型示范。缺点在于枯水期，由于河流的总体水量较汛期有着较大程度的降低，无坝引水工程的饮水保证率较低，上游水流带动的河床淤泥由于缺少坝体的拦截而流入到下游的渠道内，但是随着下游地区水流速度的减缓，水流带动淤泥的能力大大降低，渠道中会产生一定程度的泥沙淤积问题，导致引水防沙困难等诸多问题，需要额外消耗大量的人力物力成本进行渠道清淤工作，也不利于渠道的正常输水[1-2]。因此，加强对无坝引水工程中饮水明渠水流运动速度与泥沙淤积问题进行深入研究，探究悬移质泥沙的运动规律，可以有效缓解河道中下游渠道的泥沙淤积问题[3]。

1 模型设计与试验布置

本次试验以江西省某新建的大型无坝引水工程为研究对象，按照实物真实的尺寸进行同比缩小，将同比缩小的室外模型用于本次三维流场模拟，研究实际水工建筑物的水流运动特性，进而以此为基础探究明渠不同的河道剖面中水流运动速度以及其他水流运动特征的变化情况。该大型无坝引水工程是一类泵站取水工程，其工程结构组成主要包括泵站、输水管线、饮水明渠与河道取水口等，泵站用于从主河道中抽取河水，经由输水管线与取水口将抽取的河水传输到饮水明渠中，据野外实地监测与水文站历年监测结果，取水口的年径流总量6.46×1011m3，年平均水位为2.9m。本大型无坝引水工程所在的河段中，河流中的泥沙粒径D50值域大小为0.03-0.06mm。文章采用室外同比缩小模型用于更为逼真地模拟实际河道情况，以保证河道水流运动规律模拟的科学性与真实性，在本次试验中室外模型与实际河道的水平比尺为45，室外模型与实际河道的流速比尺为4.73，室外模型与实际河道的流量比尺为4367，室外模型与实际河道的糙率比尺为1.45，以上比尺设置通过综合考虑河道的实际尺寸大小与水流流动状况以及室外模型制作的复杂程度与可行性，在以上尺寸方针的指导下，本次试验所依赖的室外同比缩小模型得以成功建立。接着需要对实际河道的泥沙与水流流动情况进行逼真地模拟，文章基于重力相似原则选用煤粉代替作为泥沙，本次实验所使用的煤粉密度为1.37g/cm3，本次对室外模型的水流流速测定采用三维流速仪进行精准测定，三维流速仪能够从空间视角上相互垂直的三个方向对水流流动速度进行度量，流速的测定除了有大小，还有方向，若是水流的流向与试验标定的流向相背而行，则三维流速仪所测的的流速为负值，否则则为正值。在室外模型中然后通过输水管道将水池中的水引入到明渠中，经过搅拌机搅动水使得水体发生扰动现象，干扰的水体不断对外扩张，进而扰动主河道中的水流，以逼真地模拟明渠中实际的水流运动。本次对室外模型的泥沙预计重量采用电子天平称进行测定。本次实验选择不同的河流剖面作为本次实验的研究关注点，整个研究对象包括取水的主河道、明渠的进水口以及引水明渠本身，总长度约为560m，河流剖面的选择则是在总长度为560m的河道与渠道中每间隔大小20m设置一个河流剖面，作为水流运动特征的研究区位，用于研究主河道、明渠进水口、明渠自身不同河道剖面下的水流运动特征差异。需要注意的是，在进行水流流速大小测定时，采用三维流速仪对流速进行精确测定，在测定时应当选择稳定的水流运动状态，即若是水流扰动现象明显，则需要等到河道中的水流运动趋于稳定后再进行测量，三维流速仪测量时根据实验要求应当测定500个瞬时流速值，通过多次测量求平均值使得三维流速仪测量的断面流速结果更为贴合实际情况，明渠引水试验系统平面布置图如图1所示。

图1 明渠引水试验系统平面布置图

2 复式分叉明渠进水口流场变化分析

复式分叉明渠进口处作为主渠道与引水明渠的交接处，水流方向会发生一定程度的转折，水体流动稳定状态会产生一定扰动，水体流速相应也会发生变化，是水体紊流现象出现较为频繁的区域，在复式交叉明渠的进水口处由于水流运动特征发生剧烈变化，水流带动下的泥沙也会因此受到阻碍而产生滞留，久而久之就会在明渠进水口处形成泥沙淤积现象[7]，因此在复式分叉明渠进水口处的水流运动相对来说最为复杂，也是本次试验的重点观测区域与流场实验的重要布点区域。区域流畅特征的定量化描述指标主要包括布置测点所测量的水体流速大小、水流方向以及其空间分布状况。首先需要对复式分叉明渠的进水口进行流场测点标定工作，如图2所示为复式分叉明渠进水口的测点空间分布，测点在空间分布上，其断面间隔为20m，测点与测点间的间隔设置为4m，一个断面在某一方向上约有5个测点，接着使用三维流速仪从空间上的三个垂直方向对测点所在位置的水体流速进行测量。

图2 流场测点平面布置图

本次试验中，复式分叉明渠进水口近区与主河道区的测点布置方向是平行关系，复式分叉明渠的进水口在空间上的坐标系指向如图3所示，由图3可知，本次试验将明渠进水口(主河道与明渠的交接处)作为复式分叉明渠进水口区域的坐标原点O，X轴正方向为向上，Y轴正方向为向左，通过平面直角坐标系的建立可以有效实现进水口区域的空间定位，三维流速仪所测定的流速方向分别为x方向、y方向以及与x、y均垂直的z方向，为方便对流速方向的识别，将x方向的流速定义为U，y方向的流速定义为V，z方向的流速定义为W。

以Y轴方向的水体流速为例，分析复式交叉明渠进水口的垂向流速变化情况，如图4所示，复式较差明渠进水口中心位置的垂向流速较小，在水体垂直方向上越接近水面的位置，其监测到的水体流速要大于下层，以x=18断面为例，上游水体的流速大于下游水体，同一轴线位置的流速差值为0.02-0.05m/s。

图3 复式分叉明渠进水口平面直角坐标系

图4 明渠进口平均流速垂向分布

3 主河道上下游流场变化分析

通常来说，由于主河道的流线较长，水体流动过程中所遇到的阻碍要远远大于人工构建的明渠，因此主河道的泥沙淤积现象虽然不及明渠进水口的泥沙淤积严重程度，但是其泥沙淤积现象却远远重于人工挖掘的明渠，因此也需要对主河道上下流的流场变化进行深入研究，探究主河道的水流运动规律与不同主河道剖面的泥沙淤积状况，可以为主河道泥沙淤积位置的确定提供参考。文章采用室外模型模拟主河道的水流运动状况，在主河道上设置不同的剖面，并在剖面位置标定一定数量的测点，通过三维流速仪测定测点位置不同方向的流速大小，图5所示为主河道不同剖面的流速变化统计折线图，由图5可以看出，主河道上游的泥沙淤积现象也远远不及主河道下游的泥沙淤积严重。这主要是因为河流上游的地形较为陡峭，水体流速相对于平坦的下游地区而言也更快。

图5 主河道上下游流速变化

4 结 论

无坝引水工程是一项关系到国计民生的重大工程建设项目，其可以通过简洁的设计与短周期的施工实现河水的引流与取水，但是由于无拦沙坝拦截水体携带的泥沙，在主河道、主河道与明渠交接的进水口、明渠等区域都会产生或重或轻的泥沙堆积问题，导致河流水位上升，威胁河流下游的生态环境与人民生命财产安全。文章按照同比缩小的尺度建立与实际无坝引水工程水流运动状况类似的室外模型，通过室外模型的模拟可以直观地表达实际水流运动规律。文章在主河道、复式分叉进水口、明渠等不同河道的不同剖面布设流场测点监测水体的流速，通过实际监测与分析表明，复式分叉明渠进水口的流速受到较大的干扰，导致泥沙淤积现象最为严重，主河道次之，人工明渠由于工程建设，其流速较快且稳定，泥沙淤积现象较少。

[1]杨纪伟, 李静, 王志国,等.无坝引水工程闸前泥沙淤积分析[J].科学技术与工程, 2015,15(02):290-293.

[2]徐永年,梁志勇,刘峡，等.引水工程对河流河床演变的影响[J].泥沙研究,2000(02):23-27.

[3]吕彬, 魏文礼, 刘玉玲.复式断面明渠水流三维数值模拟[J].水资源与水工程学报, 2012, 23(05):71-73.