昆山市玉山圩引水泵站出水口下游河道流场模拟研究

李云中 吴 芸 刘 冠

(1.昆山市水利设计院有限公司，江苏 昆山 215300；2.昆山市水利水务工程治理与安全监督站，江苏 昆山 215300)

近年来，随着工业化和城市化的快速推进，部分河流出现水质严重恶化、水体黑臭等多种水环境问题，引起社会各界广泛关注。尽管地方政府加大治污力度，排污量逐年减少，但是入河、入湖的排污量仍然很大，水环境持续恶化[1]。

引清调水工程作为一种改善水环境的重要措施，将水质较好的水，通过引水泵站的调度，引入水质需改善的河网[2]，在国内外得到成功运用[3-4]。引水泵站的出水管道与下游河道连接处易产生回流、偏流等，这些水流问题会对泵站的效率产生影响[5]；同时，较大的出水速度会冲刷下游河床，不利于河床稳定[6]。

本文通过建立引水泵站下游河道模型，模拟昆山市玉山圩引水路线中庙泾河泵站和玉山圩涵养中心泵站出水管道较大的出流速度对下游河道的影响程度，并为泵站下游河道工程保护提供依据。

1 工程概况

昆山市位于江苏省东南部，河网纵横密布，具有典型的江南水乡风貌，河网水系具有防洪、排涝、航运、灌溉、景观等多种功能。随着昆山市经济的迅猛发展，区域内部分河流出现水质严重恶化、水体黑臭等多种水环境问题，既影响了周边居民的正常生活，也将制约着昆山社会经济的可持续发展。

为改善江浦圩、庙泾圩和玉山圩河道水质，通过庙泾河从傀儡湖向江浦圩、庙泾圩和玉山圩引水。玉山圩的引水路线为：从庙泾河泵站引清水至涵养中心泵站，之后分两部分完成东西圩的引换水。为了分析庙泾河泵站和玉山圩涵养中心引水泵站出水管道较大的出流速度对下游河道的影响程度，并为泵站下游河道的工程保护提供依据，本文主要对引水泵站出水口下游河道流场进行模拟。

2 数学模型

2.1 模型建立

庙泾河引水泵站流量为3.5m3/s，出水管直径1m、管中心高程3.6m，闸门宽度12m，侧向单管出水。下游河道采用标准梯形断面，底高程0.00m，底宽15m，边坡1∶1.5，常水位2.95m。为减小出水管大流速对下游河道的影响，在出水管下游10m处设置高程1.00m底坎。

玉山圩涵养中心泵站的流量为1.3m3/s，出水管直径0.7m、管中心高程4m，单管出水。下游为一宽敞湖面(涵养中心水面)，湖泊底高程-0.50m，边坡1∶1.5，常水位3.55m。为减小出水管大流速对下游河道的影响，在出水管下游10m处设置高程2.00m的底坎。

根据以上信息使用UG软件建立原型河道三维模型(见图1、图2)。

图1 庙泾河引水泵站下游河道模型

图2 玉山圩涵养中心出水管下游湖面模型

2.2 网格划分

以模型特征为基础，为了减少网格使用数量，提高计算效率，本文采用统一的正六面体网格，大网格区长度为0.2m，庙泾河下游河道模型总网格数为494832，涵养中心出水管下游部分模型总网格数为222300。采用Favor技术检视网格质量情况，结果表明网格尺寸已经可以满足计算精度要求，具有较为完整的描述模型特征(见图3、图4)。

图3 庙泾河下游河道模型Favor检视图

图4 玉山圩涵养中心出水管下游湖面模型Favor检视图

2.3 物理模型

在进行数值模拟计算时，考虑了自由液面与空气接触，以VOF的方法处理自由液面，计算结果更加合理，精度也更高。考虑主要是上下游水位差引起河道水流流动，重力因素必不可少，故激活重力模型；在紊流模型中，选用牛顿流体(Renormalized Group，RNG)k-ε模型。流场计算参数见表1。

表1 流场计算参数

2.4 边界条件

整个河道均为三维实体，均设定为固体边壁边界，无自由滑移。庙泾河引水泵站进口设定在河道上游侧，采用流量边界，流量通量为1，出口设置在河道下游侧，上下游流量均为3.5m3/s。玉山圩涵养中心出水管湖面上游流量1.3m3/s，下游闭边界。Z正方向为自由液面所处边界，采用压力边界条件，但其流量通量为0，即表示该液面处无流量通过，只存在空气流通。

2.5 初始条件

t=0时刻，流体静压力选择Z方向，给定初始压力条件，庙泾河河道下游水深2.95m，涵养中心泵站下游湖面水深3.1m，选择单一流体(one fluid)，不可压缩流动(incompressible)，自由表面作用有一个标准大气压(1atm)。

3 数值模拟结果及流场分析

利用有限元软件进行数值模拟，得到河道水流整体的流场分布情况。图5为数值计算的稳定性收敛曲线，可以看出100s后河道水流流态趋于稳定。在输出的结果信息中，选取特定截面作对比分析，对比内容主要包括流态及流速分布特征，给出特征断面处的流速等值线图和流场图。

图5 数值计算稳定性收敛曲线

3.1 庙泾河引水泵站流场分析

计算结果选取终了时刻较为典型的断面进行分析。分别截取t=120s时刻，Z=0.3m、1.5m、2.8m(底层、中层、表层)的水平面，绘制该平面的流速云图及流速等值线图(见图6)。

图6 庙泾河特征断面流速云图及等值线

庙泾河泵站出水管处，由于泵站出水水流的影响，水流流态部分紊乱，在出水池内形成漩涡以及偏流等不良流态，再加上相邻出水池的影响，容易产生左侧回流区，产生偏流现象，水流不良流态进一步扩大。若不采取措施，不良流态会延续到下游河道，危害下游河道护岸工程安全。因此本工程在出水池末端加入底坎来改善流态，较为紊乱的水流经过底坎，在其前方形成角涡，并在其后方产生回流，经过底坎后水流流态大幅度改善，水流渐渐平稳，流速大幅度降低。庙泾河泵站底坎下游河道底层流速为0.2m/s。

3.2 玉山圩涵养中心泵站流场分析

计算结果选取终了时刻较为典型的断面进行分析。分别截取t=120s时刻，Z=-0.2m、1.5m、3.4m(底层、中层、表层)的水平面，绘制该平面的流速云图及流速等值线图(见图7)。

图7 涵养中心特征断面流速云图及等值线

涵养中心泵站出水管处，由于泵站出水水流的影响，水流流态部分紊乱，在出水池内形成漩涡以及偏流等不良流态，若不采取措施，不良流态会延续到下游河道，危害下游河道护岸工程安全。因此本工程在出水池末端加入底坎来改善流态，较为紊乱的水流经过底坎，在其前方形成角涡，并在其后方产生回流，经过底坎的消能后，水流流态大幅度改善，水流渐渐平稳，流速大幅度降低。涵养中心泵站底坎下游河道底层流速为0.1m/s。

4 结 语

引水泵站对改善城市水环境质量具有重要意义，但下游河床易受泵站出水口流速影响出现冲於变化。本文通过建立庙泾河泵站和玉山圩涵养中心引水泵站下游河道三维水动力模型，对泵站出水流道及其下游河道水动力进行模拟。结果表明：泵站出水管大流速导致其下游河道出现较大流速，但底坎可起到较好的消能及改善流态的作用，底坎下游河道底层流速可分别降低至0.2m/s和0.1m/s。泵站下游的河道可适当修建底坎等设施减小出水管水流对河床的冲刷作用。