某引水工程拟建泵站的必要性及前池流场模拟

余 新

（安徽省阜阳市阜南县中心机灌站，安徽 阜南 236300）

1 工程概况

某引水工程是保证青岛市可持续用水的关键性工程，从黄河某渠首枢纽引水，经过252.5km的输水渠最终到达青岛。该工程始建于1986年，1989年11月建成通水，至今为青岛输水20余年，平均每年供水超7000万m3，累积供水量近15亿m3，极大地缓解了青岛市供水紧张的问题，为促进青岛的经济和社会发展起到了至关重要的作用。

渠首枢纽泵站进口前布置40.0m长的引渠，引渠后拦污栅段长18.0m，拦污栅段为钢筋混凝土结构，内设泵站进口工作闸门、回转式拦污栅各1道。在拦污栅段的后面是前池段和进水池段分别长为20m和12m。主厂房顺水流向长15.0m，在主厂房前设1道检修门，厂房内安装5台1600ZLB9-5（+2°）型水泵，泵站总装机容量超过4000kW。出水机房与主厂房间由5条压力钢管连接，出水机房内安装液压工作门和事故门各1道。出水机房后设长10.0m的出水池及30.0m的渐变段与新建高输沙渠衔接。新建的高输沙渠长320m，和现有的高输沙渠相连，全断面采用混凝土板衬砌，以加强其整体强度和刚度，延长使用寿命。

2 建设的必要性

2.1 黄河下切水位降低

黄河经过黄土高原夹杂着大量泥沙，因此其冲淤变化相对来说比较复杂。在黄河的流经地洛阳建有小浪底水库，主要作用是对黄河的泥沙加以控制，防止河床抬高导致洪水爆发，同时也可以发电。近10年利津站水利监测的数据表明，黄河在利津段的河床是下切的，测得的水位流量资料可以描绘出小浪底水库建成前后水位流量的关系曲线[1-4]，根据渠首闸上龙王崖断面和利津站两断面深泓点高程计算，黄河河底平均比降为1∶9600，由此可计算出渠首闸前1996～1998年、2007～2009年的水位和流量，如图1；渠首闸前1990～2009年的水位和流量，如图2。

图2 水位～流量关系曲线（二）

从图中可以看出，在黄河水流量不变的情况下，调水调沙后的水位比之前降低0.8～1m。由于水位降低，渠首闸引水工程就必须将水提高到更高的水位，这对整体的引水工程造成不利影响。

流场进出口、固体边壁和自由水面共同组成了模拟计算区域，流场进口定为进水渠道的端面，流场出口定为集水管出口。由于模型较复杂，网格剖分时

2.2 引水分流比逐渐降低

某引水工程原设计分流比0.25，但在小浪底水库建成前，实测分流比平均0.22，相比于设计分流比略微偏小，是因引水渠的首端设有降低引水含沙量的沉沙池造成的。原计划自流沉沙1年，然后就采用扬水沉沙，但未在渠首设置泵站，渠首沉沙池的淤沙只能靠人工清挖，如果清挖不及时就会影响整个工程的分流比。从实际情况看，整个工程的分流比和原设计基本一致，没有太大偏差。通过渠首引黄闸引水，能够满足青岛市的居民用水和农业灌溉用水需求。2009年，小浪底水库建成并发挥调水调沙作用后，某引水工程实测分流比平均为0.14，为原设计的56%，而且还呈现逐步递减趋势，整个引水工程遇到了很大困难。2010年年末，引水工程到了最困难时期，分流比小于0.1，仅达到原设计的24%，对青岛的供水安全威胁巨大。

2.3 引黄水量不足

目前胶东调水工程已完成修建，具备通水的条件，但是在长江水到来之前，某引水工程依旧是胶东城市供水的主要来源。按照胶东调水工程立项时的规定，向胶东引黄的时间从9月到第二年3月。根据黄河利津站1980～2009年资料分析，在保证率95%时，只能引入黄河水2.29亿m3，比立项时的引水量减少了1.06亿m3，这只能刚好满足青岛市用水需求，向烟台和威海的供水严重不足。

造成引黄水量不足的主要原因是黄河同流量下水位降低，通过渠首闸引水的分流比减小，渠首引黄达不到原设计条件。因此需要降低渠首进水闸的闸底板高程，并在适宜地点兴建泵站提水，以提高渠首引黄枢纽工程的取水能力。

3 泵站前池流场模拟

3.1 数值模型的建立

数值计算模型先加CAD中建出模型的各个组成部分，将各部分的面转化为面域，然后导进GAMBIT软件中，将各个组成部分组合成数值模型，其中弯道段左右两侧设置了10.8m长的弧型导流墩，在中间位置设置了长9.8m弧型导流墩，如图3（a）。采用分块剖分的办法，复杂区域采用非结构化网格，并对局部进行加密，普通区域采用结构化网格，网格划分结果如图3（b）。

图3 计算模型及其网格剖分

边界条件：流场进口的流速大小由流量和进口断面计算取得，进口水深2.5m，出口为自由出流，自由水面符合钢盖定理并设定对称条件，固体边壁设为静止壁面，符合壁面函数法且糙度0.001。计算模型采用标准k-ε紊流模型。

3.2 计算结果

根据上节的计算模型和边界条件等进行三维数值模拟计算。结果如图4。

图4 前池流态数值模拟计算结果

由图4可知，在前池弯道设置3座弧型导流墩后，前池中的流态良好，水流均正向流动，基本无回旋，且底层、中层及面层的流速分布良好，面层水流进入流道进口时基本没有出现涡旋，前池水流的流速分布均匀度在83%以上，说明该设计方案可行。

4 结语

（1）造成引黄水量不足的主要原因：黄河同流量下水位降低，渠首闸引水的分流比减小，渠首引黄达不到原设计条件。因此在适宜地点兴建渠首泵站十分必要，并对泵站前池流态进行了数值模拟，在前池弯道设置了长度不同的3座弧型导流墙，使得前池水流基本无回旋，流速分布均匀度较高，该设计方案可行。

（2）该项目实施后，可以有效提高渠首引黄枢纽工程的取水能力，有力保证城市及渠首下游灌区的用水安全。

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