基于空間視角的不同剖面水流運動速度變化研究

仲金龍

(江西省水投華東設計有限公司，南昌 330000)

0 引 言

無壩引水工程是引水工程的重要組成部分，在我國有著非常悠久的建設歷史，四川著名的引水工程都江堰就是無壩引水工程的典型示范。缺點在于枯水期，由于河流的總體水量較汛期有著較大程度的降低，無壩引水工程的飲水保證率較低，上游水流帶動的河床淤泥由于缺少壩體的攔截而流入到下游的渠道內，但是隨著下游地區水流速度的減緩，水流帶動淤泥的能力大大降低，渠道中會產生一定程度的泥沙淤積問題，導致引水防沙困難等諸多問題，需要額外消耗大量的人力物力成本進行渠道清淤工作，也不利于渠道的正常輸水[1-2]。因此，加強對無壩引水工程中飲水明渠水流運動速度與泥沙淤積問題進行深入研究，探究懸移質泥沙的運動規律，可以有效緩解河道中下游渠道的泥沙淤積問題[3]。

1 模型設計與試驗布置

本次試驗以江西省某新建的大型無壩引水工程為研究對象，按照實物真實的尺寸進行同比縮小，將同比縮小的室外模型用于本次三維流場模擬，研究實際水工建筑物的水流運動特性，進而以此為基礎探究明渠不同的河道剖面中水流運動速度以及其他水流運動特征的變化情況。該大型無壩引水工程是一類泵站取水工程，其工程結構組成主要包括泵站、輸水管線、飲水明渠與河道取水口等，泵站用于從主河道中抽取河水，經由輸水管線與取水口將抽取的河水傳輸到飲水明渠中，據野外實地監測與水文站歷年監測結果，取水口的年徑流總量6.46×1011m3，年平均水位為2.9m。本大型無壩引水工程所在的河段中，河流中的泥沙粒徑D50值域大小為0.03-0.06mm。文章采用室外同比縮小模型用于更為逼真地模擬實際河道情況，以保證河道水流運動規律模擬的科學性與真實性，在本次試驗中室外模型與實際河道的水平比尺為45，室外模型與實際河道的流速比尺為4.73，室外模型與實際河道的流量比尺為4367，室外模型與實際河道的糙率比尺為1.45，以上比尺設置通過綜合考慮河道的實際尺寸大小與水流流動狀況以及室外模型制作的復雜程度與可行性，在以上尺寸方針的指導下，本次試驗所依賴的室外同比縮小模型得以成功建立。接著需要對實際河道的泥沙與水流流動情況進行逼真地模擬，文章基于重力相似原則選用煤粉代替作為泥沙，本次實驗所使用的煤粉密度為1.37g/cm3，本次對室外模型的水流流速測定采用三維流速儀進行精準測定，三維流速儀能夠從空間視角上相互垂直的三個方向對水流流動速度進行度量，流速的測定除了有大小，還有方向，若是水流的流向與試驗標定的流向相背而行，則三維流速儀所測的的流速為負值，否則則為正值。在室外模型中然后通過輸水管道將水池中的水引入到明渠中，經過攪拌機攪動水使得水體發生擾動現象，干擾的水體不斷對外擴張，進而擾動主河道中的水流，以逼真地模擬明渠中實際的水流運動。本次對室外模型的泥沙預計重量采用電子天平稱進行測定。本次實驗選擇不同的河流剖面作為本次實驗的研究關注點，整個研究對象包括取水的主河道、明渠的進水口以及引水明渠本身，總長度約為560m，河流剖面的選擇則是在總長度為560m的河道與渠道中每間隔大小20m設置一個河流剖面，作為水流運動特征的研究區位，用于研究主河道、明渠進水口、明渠自身不同河道剖面下的水流運動特征差異。需要注意的是，在進行水流流速大小測定時，采用三維流速儀對流速進行精確測定，在測定時應當選擇穩定的水流運動狀態，即若是水流擾動現象明顯，則需要等到河道中的水流運動趨于穩定后再進行測量，三維流速儀測量時根據實驗要求應當測定500個瞬時流速值，通過多次測量求平均值使得三維流速儀測量的斷面流速結果更為貼合實際情況，明渠引水試驗系統平面布置圖如圖1所示。

圖1 明渠引水試驗系統平面布置圖

2 復式分叉明渠進水口流場變化分析

復式分叉明渠進口處作為主渠道與引水明渠的交接處，水流方向會發生一定程度的轉折，水體流動穩定狀態會產生一定擾動，水體流速相應也會發生變化，是水體紊流現象出現較為頻繁的區域，在復式交叉明渠的進水口處由于水流運動特征發生劇烈變化，水流帶動下的泥沙也會因此受到阻礙而產生滯留，久而久之就會在明渠進水口處形成泥沙淤積現象[7]，因此在復式分叉明渠進水口處的水流運動相對來說最為復雜，也是本次試驗的重點觀測區域與流場實驗的重要布點區域。區域流暢特征的定量化描述指標主要包括布置測點所測量的水體流速大小、水流方向以及其空間分布狀況。首先需要對復式分叉明渠的進水口進行流場測點標定工作，如圖2所示為復式分叉明渠進水口的測點空間分布，測點在空間分布上，其斷面間隔為20m，測點與測點間的間隔設置為4m，一個斷面在某一方向上約有5個測點，接著使用三維流速儀從空間上的三個垂直方向對測點所在位置的水體流速進行測量。

圖2 流場測點平面布置圖

本次試驗中，復式分叉明渠進水口近區與主河道區的測點布置方向是平行關系，復式分叉明渠的進水口在空間上的坐標系指向如圖3所示，由圖3可知，本次試驗將明渠進水口(主河道與明渠的交接處)作為復式分叉明渠進水口區域的坐標原點O，X軸正方向為向上，Y軸正方向為向左，通過平面直角坐標系的建立可以有效實現進水口區域的空間定位，三維流速儀所測定的流速方向分別為x方向、y方向以及與x、y均垂直的z方向，為方便對流速方向的識別，將x方向的流速定義為U，y方向的流速定義為V，z方向的流速定義為W。

以Y軸方向的水體流速為例，分析復式交叉明渠進水口的垂向流速變化情況，如圖4所示，復式較差明渠進水口中心位置的垂向流速較小，在水體垂直方向上越接近水面的位置，其監測到的水體流速要大于下層，以x=18斷面為例，上游水體的流速大于下游水體，同一軸線位置的流速差值為0.02-0.05m/s。

圖3 復式分叉明渠進水口平面直角坐標系

圖4 明渠進口平均流速垂向分布

3 主河道上下游流場變化分析

通常來說，由于主河道的流線較長，水體流動過程中所遇到的阻礙要遠遠大于人工構建的明渠，因此主河道的泥沙淤積現象雖然不及明渠進水口的泥沙淤積嚴重程度，但是其泥沙淤積現象卻遠遠重于人工挖掘的明渠，因此也需要對主河道上下流的流場變化進行深入研究，探究主河道的水流運動規律與不同主河道剖面的泥沙淤積狀況，可以為主河道泥沙淤積位置的確定提供參考。文章采用室外模型模擬主河道的水流運動狀況，在主河道上設置不同的剖面，并在剖面位置標定一定數量的測點，通過三維流速儀測定測點位置不同方向的流速大小，圖5所示為主河道不同剖面的流速變化統計折線圖，由圖5可以看出，主河道上游的泥沙淤積現象也遠遠不及主河道下游的泥沙淤積嚴重。這主要是因為河流上游的地形較為陡峭，水體流速相對于平坦的下游地區而言也更快。

圖5 主河道上下游流速變化

4 結 論

無壩引水工程是一項關系到國計民生的重大工程建設項目，其可以通過簡潔的設計與短周期的施工實現河水的引流與取水，但是由于無攔沙壩攔截水體攜帶的泥沙，在主河道、主河道與明渠交接的進水口、明渠等區域都會產生或重或輕的泥沙堆積問題，導致河流水位上升，威脅河流下游的生態環境與人民生命財產安全。文章按照同比縮小的尺度建立與實際無壩引水工程水流運動狀況類似的室外模型，通過室外模型的模擬可以直觀地表達實際水流運動規律。文章在主河道、復式分叉進水口、明渠等不同河道的不同剖面布設流場測點監測水體的流速，通過實際監測與分析表明，復式分叉明渠進水口的流速受到較大的干擾，導致泥沙淤積現象最為嚴重，主河道次之，人工明渠由于工程建設，其流速較快且穩定，泥沙淤積現象較少。

[1]楊紀偉, 李靜, 王志國,等.無壩引水工程閘前泥沙淤積分析[J].科學技術與工程, 2015,15(02):290-293.

[2]徐永年,梁志勇,劉峽，等.引水工程對河流河床演變的影響[J].泥沙研究,2000(02):23-27.

[3]呂彬, 魏文禮, 劉玉玲.復式斷面明渠水流三維數值模擬[J].水資源與水工程學報, 2012, 23(05):71-73.