盤龍江滇池入口設置導流墻對滇池水質(zhì)影響分析

桂 重 段 波

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

盤龍江滇池入口設置導流墻對滇池水質(zhì)影響分析

桂 重 段 波

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

以盤龍江滇池入口設置導流墻方案為例，采用水力學理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了設置導流墻對滇池水體水質(zhì)的影響，并對工程后的水體流場、密度及溫度進行了計算分析，得出了一些有價值的結(jié)論，以供參考。

導流墻，水動力學，水質(zhì)，密度，溫度

1 盤龍江滇池入口設置導流墻方案概述

1.1 方案的由來[1]

2013年6月18日，昆明市人民政府參事室以“參事員建議第4期關于盡快實施清水入滇池導流墻建設的建議”提出，原滇池入口方案沒有考慮引水清水和滇池污水水體密度差和溫度差對水動力學特性差別，以至于引水水體進入滇池后形成清水通道，以潛流、股流的形式從滇池水體表面下中直進直出，不能進行大面積、多方向的水體置換，因此不能達到設計預期改善滇池水質(zhì)效果。需在滇池入口處距離海埂500 m的地方設置長約8 000 m的導流墻，在水下0.6 m，以水平間距0.5 m，直接穿墻設置約1.6萬個直徑

15 mm的導流短管，布置和結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

1.2 采用的分析方法

滇池入口設置導流墻的必要性和可行性分析研究涉及到匯流、自由表面流、分流墩繞流、導流墻有壓短管出流、過堰水流等復雜的水力學問題，故只采取理論分析方法很難得到過流能力的精確解。采用數(shù)值模擬研究的研究方法是適宜的選擇。同樣因為滇池入口方案導流墻尺寸與導流短管尺寸量級比較懸殊(8 000 m與0.015 m)，單獨采用一種數(shù)學模型研究導流墻的效果比較困難，很難保證模擬效果和精度，所以采用水力學理論計算分析、局部區(qū)域水流精細模擬與大尺度水流數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進行研究。

2 設置導流墻對滇池水動力學特性影響

盤龍江入流流量23.00 m3/s，資料表明，入流口水面寬約25.00 m，面積約54.00 m2。由此可確定入流口平均流速約為0.426 m/s。

2.1 設導流墻且水流不漫頂時的淹沒管流方案

將導流墻置于入流口500.00 m處時，若墻體較高則入滇池主流受導流墻阻滯后將分成兩股并順墻體方向流出，類似于平板射流。由于導流墻的阻滯作用，墻體內(nèi)側(cè)水流略有壅高，為便于計算，假定壅高為0.20 m。

由圖2可知，設置導流墻后，若墻體高度較高，使得水流無法漫頂，將形成淹沒管流，此方案下水體置換效果并不明顯，導流墻內(nèi)側(cè)回流區(qū)以及導流墻外側(cè)短管出口附近的回流區(qū)均對水體置換產(chǎn)生不利影響，甚至導致該區(qū)域形成死水，惡化滇池生態(tài)環(huán)境。

2.2 設導流墻且水流漫頂時的堰流方案

根據(jù)《建議》，導流墻墻體高度基本與水面持平，因而墻體的阻滯作用引起的其內(nèi)側(cè)的水位壅高將可能導致水流漫頂，形成堰流。采用VOF自由表面追蹤法，通過網(wǎng)格內(nèi)流體體積輸運函數(shù)求解滿足連續(xù)和動量方程的水面附近網(wǎng)格內(nèi)水體所占體積，從而確定水面線形狀。

由圖3可知，堰頂末端處水體摻混現(xiàn)象較明顯，水流能量耗散嚴重，其余區(qū)域流場幾乎不受影響。統(tǒng)計計算結(jié)果后發(fā)現(xiàn)導流墻外側(cè)65 m處水流流速僅為0.08 m/s，說明該處往外的流體已不受堰流影響，導流墻外側(cè)水深大于0.60 m范圍內(nèi)水體幾乎不流動，導流短管過流量很小僅為0.000 1 m3/s，說明主流幾乎都從堰頂流出，導流管基本無過流作用。

3 密度和溫度的差異

在計算中取盤龍江流量23.0 m3/s為入流口流量。根據(jù)德澤泵站取水水溫與天然水溫的最大差值為5 ℃，假設盤龍江入湖水溫為10 ℃，滇池水溫為15 ℃。

3.1 工程后的流場計算分析

由圖4可知，入湖水流進入滇池后流速逐漸減小，表層流速約為0.05 m/s，中層流速范圍為0.03 m/s～ 0.05 m/s，底層流速為0 m/s～0.03 m/s。由于導流墻作用，入湖水流的發(fā)展受到抑制；水流在導流墻的作用下而沿岸流動，且流速逐漸減小；影響區(qū)域面積相對未設導流墻時減小。設置導流墻后，從平面上來看，在導流墻與湖岸之間入湖水流呈射流狀與滇池水體發(fā)生混摻，其流速逐漸減??；受到導流墻的作用，水流沿著導流墻向兩側(cè)流動。從表層、中層與底層的流速分布來看，表層水體與底層水體混合速度較慢，中層水體混合較快。此時水體混合主要發(fā)生在入湖口附近與沿岸導流墻與湖岸之間的水體。

由導流墻1號，2號，3號觀測斷面的立面流速分布(見圖5)，可以發(fā)現(xiàn)建設導流墻后，在導流墻與湖岸之間的水體的流速變化較大，入湖水流的影響范圍在沿岸方向有所擴大，影響范圍從無導流墻前的入湖水流中心為對稱軸的500 m增大到2 000 m。在沿入流方向上入湖水流的影響有所減弱，自導流墻至湖中心的流速非常小。

設置導流墻后，由于來流受到導流墻作用，運動軌跡發(fā)生改變，在導流墻與湖岸之間水體受到來流影響，水流沿岸向兩側(cè)流動。表層水體與底層水體混摻速度較慢，中層水體混摻較快。建設導流墻沒有改變水體垂向方向上的混合(見圖6)。

從建設導流墻后，計算區(qū)域的表層、中層與底層流速分布，以及不同觀測斷面的立面流速分布圖可以得到：在垂向上，建設導流墻沒有改變水流在垂向方向上的混合；在平面上，建設導流墻后，在導流墻與湖岸之間水體的流速改變較大，影響到距入湖水流中心沿岸兩側(cè)2 000 m以內(nèi)的范圍。在此范圍內(nèi)湖水的流速有所增加，同時自導流墻至湖泊中心，其流速較未建時減小。

3.2 工程后的密度計算分析

由導流墻后的密度分布(見圖7)，可見由于來流受到導流墻的作用，密度流的影響范圍由建設前的入湖口附近，沿岸近4 000 m的范圍，在垂直湖岸方向上的影響范圍為1 500 m左右，變?yōu)閷Я鲏εc湖岸之間500 m，沿岸方向近8 000 m的范圍。因此建設導流墻后，密度流的影響范圍變?yōu)閷Я鲏εc湖岸之間沿岸近8 000 m左右的范圍，此長度約等于導流墻的長度8 000 m。

由導流墻建設后1號、2號、3號觀測斷面的立面密度分布可知(見圖8)，建設導流墻后，在導流墻與湖岸之間的水體密度改變較大，沿湖岸方向上的影響范圍由4 000 m增加到8 000 m，在此區(qū)域水體的密度較工程前有所增加。因此建設導流墻后，密度的影響范圍變?yōu)閷Я鲏εc湖岸之間沿岸近8 000 m的范圍，此長度等于導流墻的長度8 000 m。

工程前后來流一定的情況下，都會引起滇池水域一定范圍的水體發(fā)生密度變化；密度由表層至底層隨著水深的增加而增加；表層水體的密度變化較小，底層密度變化較大。入湖水流均由底部進入湖體，均形成一定的分層流動。工程建設前后，密度變化的區(qū)域發(fā)生了改變；工程前變化區(qū)域較大，而工程建設后主要位于導流墻與湖岸之間的水體，見圖9。

密度流的影響范圍為入湖口8 000 m的范圍。來流變化范圍也由未設導流墻前的自由運動，限制為修建導流墻后來水一側(cè)。導流墻后水體受來流影響小，密度未顯著發(fā)生變化。

3.3 工程后的溫度計算分析

在來流10 ℃，滇池初始水體溫度15 ℃情況下，溫度沿入流方向及沿岸方向增大，溫度變化范圍10 ℃～15 ℃之間。底層水溫最低，中層其次，表層最高(見圖10)。溫度影響范圍為入湖水流中心為對稱軸的3 000 m以內(nèi)的范圍。

設置導流墻后入湖水流進入滇池后，水體同樣在垂向發(fā)生混合。由于導流墻作用致使在來流方向一定范圍內(nèi)使水溫減小放緩，來流方向水溫變化減小。1號及2號斷面水溫保持在11 ℃左右；由于受到導流墻作用，3號斷面受到來水影響較小，水溫保持在15 ℃(見圖11)。

水溫變化改為沿導流墻向兩側(cè)變化，沿岸方向變化范圍增大至以來流位置為對稱軸的8 000 m范圍內(nèi)。

由導流墻建設后的溫度分布圖可知(見圖12)，導流墻建設前后垂向溫度分布變化不大，主要是平面上溫度的變化較為顯著。導流墻建設后溫度影響范圍以來流中心為對稱軸，左右各約4 000 m，沿岸方向影響范圍較未設導流墻時擴大，入流方向的影響范圍為導流墻至湖岸垂直長度500 m。

4 結(jié)語

1)設置導流墻后，若墻體高度較低，水流將漫頂形成寬頂堰流，此情況下過導流短管的流量幾乎為0，且水流漫頂后對于墻體外側(cè)水體影響范圍僅約65.0 m，水深方向上的影響范圍僅約1.0 m，不僅范圍過小無法滿足水體置換的要求，而且導流短管失去效用。

2)從密度與溫度差異對引水效果影響計算結(jié)果可知：導流墻內(nèi)導流短管微弱的過流能力也無法實現(xiàn)水體置換的目的。導流墻的建設將在一定程度上對沿岸局部的水體交換有一定影響。密度流與溫度流的影響微乎其微。

3)從流體力學及工程水力學角度分析，設置導流墻并于墻體上開導流短管以期增加水體置換效果的方案的效果并未顯現(xiàn)，相反工程實施可能對滇池水環(huán)境和湖區(qū)風景帶來不利的影響。因此，不建議采用導流墻方案。

[1] 昆明市政府參事室.關于盡快實施清水入滇池導流墻建設的建議[Z].2013.

Influential analysis of setting guide wall at Panlongjiang Dianchi entrance upon Dianchi water quality

Gui Zhong Duan Bo

(KunmingEngineeringCorporationLimited,PowerChinaGroup,Kunming650051,China)

Taking guide wall setting at Panlongjiang Dianchi entrance as an example, applying hydrodynamics integrating numerical simulation, the paper studies the impact of guide wall setting upon Dianchi water quality, calculates and analyzes water flow field, density and temperature, and finally draws some valuable conclusions, with a view to provide some guidance.

guide wall, hydrodynamics, water quality, density, temperature

1009-6825(2015)32-0212-04

2015-09-02

桂 重(1982- )，女，工程師； 段 波(1987- )，男，工程師

TU991.21

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