枢纽上游渠化河段取水口对通航水流条件影响研究

张少云，刘博雅，官志鑫，田红伟，王 能

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司，长沙 410200)

衡邵干旱走廊是湘中盆地群中衡阳盆地和邵阳盆地的连接带，位于湖南省中部，是以湘江、资水流域的分水岭为中轴线分布的广大丘陵地区，尤其是位于衡邵干旱走廊湘资分水岭核心地带的邵阳市邵东市、永州市祁阳县、衡阳市祁东县等，水资源短缺极大地制约了当地经济社会发展和人民生活水平的提升，取水工程意义重大。

一般情况下，天然河段取水口多临岸布置，对航道影响相对有限[1-4]。本取水口工程位于湖南省祁阳浯溪枢纽上游库区，设计将取水口布设于渠化河段河道中部，下游邻近船闸，且取水头部下穿航道，这一布设方式可能对航道水流条件存在一定影响。本研究拟建立平面二维水流数学模型，以穿越航道的拟建取水口所在河段为对象，开展取水口工程对航道通航水流条件影响的数值模拟研究，为取水口航道通航影响论证提供科学依据，也为类似工程提供技术参考[5-7]。

1 工程概况

湘江是湖南省对接长江经济带的“黄金水道”。随着浯溪水利枢纽船闸通航，枢纽上游53 km库区航道条件明显改善，库区分段航道水深较好，规划为Ⅲ级航道。拟建取水口下游约1.5 km为浯溪枢纽，上游约0.9 km为马头岭急弯。取水口地理位置与工程布置如图1和图2所示。

图1 工程地理位置示意图 图2 取水工程总平面图Fig.1 Location of the engineering site Fig.2 Plain layout of the water intake project

考虑到取水口临近下游浯溪枢纽扩建二线船闸工程，取水头部下穿航道后在河中取水，可能对航道通航水流条件有一定影响。因此研究内容包括：工程前后取水口所在河段不同流量、浯溪枢纽不同运行方式条件下，附近航道流场条件的变化和对通航水流条件影响的分析。

2 数学模型的建立

2.1 计算区域

依据规范要求，计算域进口选在顺直河段上，因此研究范围为浯溪枢纽上游约3.5 km河段，取水口位于研究河段中部(图3)。出口选在浯溪枢纽坝址处，计算工况依照枢纽运行方式进行控制。

图3 数学模型模拟范围示意图Fig.3 Simulation range of the numerical modeling

2.2 平面二维水流数学模型

按河道二维水流数值模拟，基于笛卡尔坐标系，采用非结构化网格建立河道二维水动力数学模型。水流连续方程

(1)

动量方程

(2)

(3)

式中：t为时间；x、y、z为直角坐标系坐标；u、v、w分别为沿x、y、z方向的流速分量；ζ为水位；f为科氏参数；g为重力加速度；ρ0为水的密度；v为紊动粘滞系数。

采用非结构化网格建立模型。

3 数学模型的验证

3.1 沿程水面线验证

为率定模型的相似性，结合所收集的资料实际情况，选用接近枢纽正常蓄水位(Q=1 150 m3/s)以及电站满发(Q=6 300 m3/s)时两级流量进行模型的水面线验证。

验证结果由表1、表2以及图4给出。从中可以看出，1 150 m3/s流量与6 300 m3/s流量下模型计算水面与原型水位偏差均在规定允许的范围(±0.1 m)以内，满足阻力相似要求。

表1 河道左岸模型计算与原型观测沿程水位Tab.1 Comparison of the water level data between numerical modeling and prototype observation along the left bank m

表2 河道右岸模型计算与原型观测沿程水位Tab.2 Comparison of the water level data between numerical modeling and prototype observation along the right bank m

4-a 1 150 m3/s流量下枢纽库区沿程水面线 4-b 6 300 m3/s流量下枢纽库区沿程水面线图4 沿程水面线验证Fig.4 Verification of water surface profile

3.2 断面流速分布验证

图5、图6分别给出了1 150 m3/s的3条测流断面，以及6 300 m3/s的3条测流断面计算与实测流速分布对比。验证结果表明，测流断面在上述两级流量下，流量基本闭合，流量偏差在±5%以内；计算得到的断面流速分布形态与流速值能较好地与实测资料吻合。

图5 1 150 m3/s流量下模型计算与原型实测断面流速分布Fig.5 Comparison of cross-sectional velocity distribution between numerical modeling and situ observation under the discharge of 1 150 m3/s

图6 6 300 m3/s流量下模型计算与原型实测断面流速分布Fig.6 Comparison of cross-sectional velocity distribution between numerical modeling and situ observation under the discharge of 6 300 m3/s

4 取水口位置合理性分析

取水口位于枢纽上游约1.5 km处，下面分别从取水口所在位置流场分布、取水水头等方面对取水口现状位置的合理性进行分析说明：

(1)取水口位于进入枢纽前的宽阔顺直河段，从各级流量下河道总体流场分布来看，该段水流动力轴线居中，水流断面流速分布较为均匀，同一流量下流速平稳。取水口位置距河道右岸约240 m，该区域不存在明显回流区。从河床地形来看(图7)，取水口所在河段河床较为平整，局部不存在对水流流态起到塑造作用的成型堆积体，因此在来流变化、水位涨落过程中，其取水口位置附近流态不会发生较大变化，总体平稳。稳定的流场条件为今后取水口正常运行提供了保障。

图7 河道地形高程情况 图8 取水口所在断面不同流量下水位Fig.7 Topographic sketch of the river course Fig.8 Water level at the water intake located cross-section under varied discharge

(2)取水口区域河床平整，平均高程为74.7 m左右，取水头部高出河床4 m(图8)，从各特征流量下取水口位置的水位来看，取水口头部常年存在7～10 m位置水头，较大的位置水头保证了取水口能够按照设计标准稳定自流进水，进而也保证了取水口取水效率。

从以上总体分析，可见选择从现状位置取水较为合理。

5 取水过程对航道水流条件影响分析

5.1 航道水位变化

研究主要关注的对象是因取水口修建而引起的取水口右侧航道水流条件的变化，因此仅考虑取水口右侧水面形态的变化。如图9所示，将取水口右侧区域以取水口为中心，自取水口上游侧轴线每隔45°进行划分分析断面。图10给出了不同流量下取水口取水2.0 m3/s时水位变化范围情况(沿0°、45°、90°、135°、180°方向水面线)。

图10 不取水时取水口附近水位变化范围 图11 不取水时取水口180°方向断面水位较取水时变化值Fig.10 Extent of impact area at different directions near the water intake without water intake Fig.11 Water level variation in the 180°direction under different discharges without water intake

由图10可知，不同角度断面水面线水位变化的影响范围总体随着流量增大而增大。从影响范围的形态来看，流量较小时，由于河道纵向流速较小，影响范围接近于圆形，但随着流量增加、纵向流速的增大，影响范围随之向纵向拉伸，且向下游偏移;11 560 m3/s时，下游侧变化范围为4 m，是上游侧2倍；而1 160 m3/s流量时，其下游侧变化范围仅2 m。

图11给出了180°方向各级流量下水位变化值分布情况。由图可知，不取水条件下水位变化影响范围内有小幅壅高，壅高值自取水口中心向四周边缘递减。壅高最大值为0.03 m，发生在7 450 m3/s流量时；1 160 m3/s流量时，水面壅高不到0.01 m。

图12给出了不同流量下取水口取水2 m3/s时其附近区域水面形态较无取水口时变化范围情况。由图可知，不同角度断面水面线水位变化的影响范围总体随着流量增大而增大。从影响范围的形态来看，流量较小时，由于河道纵向流速较小，影响范围接近于圆形；但随着流量增加、纵向流速的增大，影响范围随之向纵向拉伸，且向下游偏移，其形态规律与不取水时类似。11 560 m3/s时，下游侧变化范围为10 m，是上游侧2倍；而1 160 m3/s流量时，其下游侧变化范围仅5 m。

图12 取水2 m3/s时取水口附近水位变化范围 图13 2 m3/s时取水口180°方向断面水位较取水口时变化值Fig.12 Extent of impact area at different directions near the water intake with the intake flow rate of 2 m3/s Fig.13 Water level variation in the 180°direction under different discharges with the intake flow rate of 2 m3/s

图13给出了180°方向各级流量下断面水位变化值分布情况。由图可知，由于取水口流量引出，取水口附近水面出现一定程度跌落，跌落幅度自取水口中心向外逐步递减，呈现漏斗状。最大跌落为0.15 m，发生在7 450 m3/s流量时；流量1 160 m3/s时，水面跌落0.011 m。

5.2 航道纵向流速变化

图14～图15给出了取水口修建后在不取水和取水2 m3/s时分析区域航道内最大纵向流速分布情况。可以看到各工况条件下，与无取水口时保持一致，取水口附近区域航道内纵向流速均呈现随流量的增大而增加的趋势。

图14 不取水时分析区域航道内最大纵向流速沿程变化 图15 取水2 m3/s时分析区域航道内最大纵向流速沿程变化Fig.14 Variation of the maximum longitudinal velocity in the navigational channel within the probable impact area without water intake Fig.15 Variation of the maximum longitudinal velocity in the navigational channel within the probable impact area with the intake flow rate of 2 m3/s

取分析区域航道内24个测点，分析同一流量下取水口取水与否和无取水口时相比，对纵向流速变化影响。总体上各级流量下，取水口修建后不取水或取水2 m3/s时较无取水口时，取水口所在位置附近航道内纵向流速变化不大，其中7 450 m3/s、9 980 m3/s、 11 560 m3/s流量时流速变化在±0.1 m/s，6 000 m3/s流量时为±0.08 m/s左右，1 160 m3/s流量时仅为±0.04 m/s左右。

5.3 航道横向流速变化

根据取水口设计，取水口通过平行于水流方向双侧栅栏引水，引水最大流速约为0.54 m/s。侧向引水可能造成附近航道的横向流速增加，为此进一步对取水口取水或不取水条件下附近区域航道内横向流速变化进行分析，并与天然河道条件下同区域航道横向流速进行比较。

各工况条件下，分析区域航道内横向流速随流量增大而增加，无取水口时，11 560 m3/s流量下横向流速为0～0.35 m/s;9 980 m3/s流量时为0～0.31 m/s;7 450 m3/s流量时为0～0.3 m/s;6 000 m3/s流量时为0～0.21 m/s;1 160 m3/s流量时仅为0～0.04 m/s，如图16～图18所示。

图16 无取水口时分析区域航道内最大横向流速沿程变化Fig.16 Variation of the maximum transversal velocity in the navigational channel within the probable impact area without water intake project

图16～图18给出了分析区域航道内同一流量下取水口取水与否和无取水口时的对比，对横向流速最值变化情况，由图可知：有取水口时，分析区域横向流速较无取水口时有增有减，但总体增幅较小，取水较不取水横向流速变幅较大。其中横向流速变化最大的流量是7 450 m3/s，不取水时分析区域横向流速最值仅增加0.02 m/s，取水2 m3/s时增加0.05 m/s。流量大于和小于7 450 m3/s时横向流速增加值随流量变化分别呈递减趋势，即9 980 m3/s、11 560 m3/s流量下，不取水时横向流速最值分别增加0.01 m/s；取水2 m3/s时则分别增加0.02 m/s和0.01 m/s；6 000 m3/s、1 160 m3/s流量下，不取水时横向流速最值增加分别为0.01 m/s和0.002 m/s；取水2 m3/s时分别为0.01 m/s和0.003 m/s。

图17 不取水时分析区域航道内最大横向流速沿程变化 图18 取水2 m3/s时分析区域航道内最大横向流速沿程变化Fig.17 Variation of the maximum transversal velocity in the navigational channel within the probable impact area without water intake Fig.18 Variation of the maximum transversal velocity in the navigational channel within the probable impact area with the intake flow rate of 2 m3/s

6 结论

本文建立了湘江马头岭弯段进口至坝轴线全长约3.5 km平面二维数学模型，以穿越航道的拟建取水口为研究对象，通过对下游航电枢纽不同下泄流量情况下有无取水口组合工况研究，得到以下主要结论：

(1)依据1 150 m3/s及6 300 m3/s沿程水位和断面流速分布实测资料进行验证，验证结果表明水位及断面流量、流速分布偏差均在允许范围内，模型能较好地模拟研究河段的通航水流条件。

(2)按照取水口布置方案，从区域内水位变化、纵向流速以及横向流速变化来看，变化较大的情况发生在最高通航流量7 450 m3/s以上。有无取水口对分析区域总体水面比降几乎无影响，但对局部水面形态存在一定影响。最高通航流量7 450 m3/s情况下，纵向流速相对无取水口时的1.3～2 m/s增加±0.1 m/s；横向流速相对无取水口时的0～0.3 m/s增加0.02 m/s；取水对水流条件的影响范围主要在取水口下游约10 m范围内，相对无取水口时范围增加6 m。

(3)根据模型计算成果发现，采用垂向取水方式对水流流速影响小，取水口对河道水流条件的影响仅限于取水口周围数米的局部范围内，且对航道水面比降、纵向流速以及横向流速影响均较小，对库区航道通航水流条件影响不大。

(4)一般情况下，天然河段取水口多临岸布置，对航道影响相对有限；位于枢纽上游渠化河段且邻近船闸的取水口可考虑穿越航道在河道中部取水。