基于二維水動力模型的取水口對航道水流條件影響分析

余文忠，陸洪亞，孫傳文，朱京德

（連云港市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 連云港 222000）

船舶航行時(shí)，對水流速度有一定要求，較大的流速，可以增加航行速度，但過大的流速，使船舶操縱困難。船舶水上行駛時(shí)，縱向流速一般以不超過3m/s 為宜。船舶航行，除對縱向流速有一定要求外，對橫向流速也有一些限制。航道內(nèi)的橫向流速，一般應(yīng)不超過0.3m/s，否則，側(cè)向推力過大，容易發(fā)生事故。

航道內(nèi)取水口作業(yè)時(shí)，會改變水流條件，對航道通航造成一定的不利影響。本文采用二維水動力模型對取水口位置處流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，進(jìn)而直觀了解流速大小、流向等通航水力要素。

1 基本情況

1.1 航道概況

東門河航道位于連云港市灌云縣，起點(diǎn)為鹽河口，終點(diǎn)為燕尾港閘，全長54.9km，規(guī)劃為五級航道。本項(xiàng)目取水口位于燕尾港閘上游約2.4km 處航道左岸，現(xiàn)狀已滿足五級航道標(biāo)準(zhǔn)要求。工程位置處航道較為順直，規(guī)劃航道中心線為現(xiàn)狀航道深槽中心線。項(xiàng)目區(qū)航道現(xiàn)狀河底高程約-4.77m，河底寬約130m，航道兩岸現(xiàn)狀均為土坡。

1.2 取水口建設(shè)方案

江蘇遠(yuǎn)征化工有限公司位于灌云縣臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)精細(xì)化工園區(qū)，生產(chǎn)用水取自東門河。取水口采用2 臺水泵機(jī)組及取水管，每臺套取水流量120m/h（0.033m/s），合計(jì)240 m/h（0.067m/s）。泵池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為5.0m×8.0m，采用挖入式布置型式，泵池前沿與現(xiàn)狀河口齊平。取水管道、人行踏板及支撐基礎(chǔ)均為鋼結(jié)構(gòu)，伸入東門河河道中，其最外緣取水口頭部伸入河道距現(xiàn)狀河口23.2m。支撐基礎(chǔ)共4跨，平均跨徑5.0m，每跨設(shè)4 根鋼管，管徑10cm，其上搭設(shè)取水管道及人行踏板，人行踏板頂面高程2.94m，取水管道頂面高程3.62m。取水管道共2 根，管徑DN150，取水口頭部為下探式，管口高程-0.08m。取水口頭部搭設(shè)排架及橫向人行踏板，排架尺寸為3.2×3.5m（寬×高）。

圖1 取水口現(xiàn)狀圖

圖2 航道現(xiàn)狀圖

2 對航道水流條件影響分析

2.1 模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分

計(jì)算范圍：遠(yuǎn)征化工有限公司取水口上、下游各1km 范圍的東門河航道，全長約2.0km。模型范圍除了包含上下游兩個邊界外，還包含本工程取水口、本工程上游約875m 處河道左岸取水口、本工程下游約600m處河道左岸灌云縣臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目取水口，共5 個邊界。

網(wǎng)格劃分：采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格剖分，邊長一般為5～50m，取水口處加密為1～2m，網(wǎng)格數(shù)為17383 個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為5894 個。

2.2 模型計(jì)算工況

圖3 模型計(jì)算范圍地形圖

營運(yùn)期航道通航水流條件影響包括洪水期、平水期和枯水期三種工況。

2.2.1 洪水期

該工況下，遠(yuǎn)征化工取水口引水流量為0.067m/s，上游取水口引水流量為0.4m/s，下游取水口引水流量為0.158m/s。模型上游邊界東門河行洪流量835m/s（東門河10年一遇設(shè)計(jì)流量），模型下游邊界東門河水位2.26m。

2.2.2 平水期

各取水口流量同洪水期。模型上游邊界東門河流量100m/s（根據(jù)東門河下游擋潮閘日常排水流量求得），模型下游邊界東門河水位1.30m（東門河常水位）。

2.2.3 枯水期

各取水口流量同洪水期。模型上游邊界東門河流量10m/s（枯水期東門河上游回歸水量），模型下游邊界東門河水位0.97m。

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1 洪水期

根據(jù)模型計(jì)算成果可見，洪水期工況下，本工程取水口處東門河航道以縱向流速為主，河道中心處縱向流速最大，最大值0.86m/s；取水口處最大縱向流速為0.46m/s，支撐基礎(chǔ)附近最大縱向流速為0.51m/s；取水口處最大橫向流速為0.06m/s，支撐基礎(chǔ)最大橫向流速位于取水口最外側(cè)上游附近，最大值0.23m/s。

圖4 洪水期取水口處縱向流速圖

圖5 洪水期取水口處橫向流速圖

2.3.2 平水期

根據(jù)模型計(jì)算成果可見，平水期工況下，取水口處東門河航道以縱向流速為主，河道中心處縱向流速最大，最大值為0.17m/s；取水口處最大縱向流速為0.12m/s，支撐基礎(chǔ)附近最大縱向流速為0.14m/s；取水口處基本無橫向流速，支撐基礎(chǔ)附近最大橫向流速為0.06m/s。

圖6 平水期取水口處縱向流速圖

圖7 平水期取水口處橫向流速圖

2.3.3 枯水期

根據(jù)模型計(jì)算成果可見，枯水期工況下，取水口處東門河航道以縱向流速為主，河道中心處縱向流速最大，最大值為0.012m/s；取水口處基本無縱向流速，支撐基礎(chǔ)附近最大縱向流速為0.14m/s；取水口處基本無橫向流速，支撐基礎(chǔ)附近最大橫向流速為0.01m/s。

圖8 枯水期取水口處縱向流速圖

2.4 結(jié)果分析

圖9 枯水期取水口處橫向流速圖

由以上計(jì)算結(jié)果可知，遠(yuǎn)征化工取水口工程在洪水期、平水期、枯水期工況下，最大縱向流速均未超過3m/s，最大橫向流速均未超過0.3m/s，對東門河航道水流條件及通航安全影響較小。

3 結(jié)論

本文采用二維水動力模型對遠(yuǎn)征化工東門河航道取水口位置處流場進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果表明，模型能夠較好地反映水流流速、流向等通航水力要素變化情況，該方法可作為航道主管部門審批類似工程的技術(shù)支撐。