盘龙江滇池入口设置导流墙对滇池水质影响分析

桂 重 段 波

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

盘龙江滇池入口设置导流墙对滇池水质影响分析

桂 重 段 波

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

以盘龙江滇池入口设置导流墙方案为例，采用水力学理论与数值模拟相结合的方法，研究了设置导流墙对滇池水体水质的影响，并对工程后的水体流场、密度及温度进行了计算分析，得出了一些有价值的结论，以供参考。

导流墙，水动力学，水质，密度，温度

1 盘龙江滇池入口设置导流墙方案概述

1.1 方案的由来[1]

2013年6月18日，昆明市人民政府参事室以“参事员建议第4期关于尽快实施清水入滇池导流墙建设的建议”提出，原滇池入口方案没有考虑引水清水和滇池污水水体密度差和温度差对水动力学特性差别，以至于引水水体进入滇池后形成清水通道，以潜流、股流的形式从滇池水体表面下中直进直出，不能进行大面积、多方向的水体置换，因此不能达到设计预期改善滇池水质效果。需在滇池入口处距离海埂500 m的地方设置长约8 000 m的导流墙，在水下0.6 m，以水平间距0.5 m，直接穿墙设置约1.6万个直径

15 mm的导流短管，布置和结构简图见图1。

1.2 采用的分析方法

滇池入口设置导流墙的必要性和可行性分析研究涉及到汇流、自由表面流、分流墩绕流、导流墙有压短管出流、过堰水流等复杂的水力学问题，故只采取理论分析方法很难得到过流能力的精确解。采用数值模拟研究的研究方法是适宜的选择。同样因为滇池入口方案导流墙尺寸与导流短管尺寸量级比较悬殊(8 000 m与0.015 m)，单独采用一种数学模型研究导流墙的效果比较困难，很难保证模拟效果和精度，所以采用水力学理论计算分析、局部区域水流精细模拟与大尺度水流数值模拟相结合的方法进行研究。

2 设置导流墙对滇池水动力学特性影响

盘龙江入流流量23.00 m3/s，资料表明，入流口水面宽约25.00 m，面积约54.00 m2。由此可确定入流口平均流速约为0.426 m/s。

2.1 设导流墙且水流不漫顶时的淹没管流方案

将导流墙置于入流口500.00 m处时，若墙体较高则入滇池主流受导流墙阻滞后将分成两股并顺墙体方向流出，类似于平板射流。由于导流墙的阻滞作用，墙体内侧水流略有壅高，为便于计算，假定壅高为0.20 m。

由图2可知，设置导流墙后，若墙体高度较高，使得水流无法漫顶，将形成淹没管流，此方案下水体置换效果并不明显，导流墙内侧回流区以及导流墙外侧短管出口附近的回流区均对水体置换产生不利影响，甚至导致该区域形成死水，恶化滇池生态环境。

2.2 设导流墙且水流漫顶时的堰流方案

根据《建议》，导流墙墙体高度基本与水面持平，因而墙体的阻滞作用引起的其内侧的水位壅高将可能导致水流漫顶，形成堰流。采用VOF自由表面追踪法，通过网格内流体体积输运函数求解满足连续和动量方程的水面附近网格内水体所占体积，从而确定水面线形状。

由图3可知，堰顶末端处水体掺混现象较明显，水流能量耗散严重，其余区域流场几乎不受影响。统计计算结果后发现导流墙外侧65 m处水流流速仅为0.08 m/s，说明该处往外的流体已不受堰流影响，导流墙外侧水深大于0.60 m范围内水体几乎不流动，导流短管过流量很小仅为0.000 1 m3/s，说明主流几乎都从堰顶流出，导流管基本无过流作用。

3 密度和温度的差异

在计算中取盘龙江流量23.0 m3/s为入流口流量。根据德泽泵站取水水温与天然水温的最大差值为5 ℃，假设盘龙江入湖水温为10 ℃，滇池水温为15 ℃。

3.1 工程后的流场计算分析

由图4可知，入湖水流进入滇池后流速逐渐减小，表层流速约为0.05 m/s，中层流速范围为0.03 m/s～ 0.05 m/s，底层流速为0 m/s～0.03 m/s。由于导流墙作用，入湖水流的发展受到抑制；水流在导流墙的作用下而沿岸流动，且流速逐渐减小；影响区域面积相对未设导流墙时减小。设置导流墙后，从平面上来看，在导流墙与湖岸之间入湖水流呈射流状与滇池水体发生混掺，其流速逐渐减小；受到导流墙的作用，水流沿着导流墙向两侧流动。从表层、中层与底层的流速分布来看，表层水体与底层水体混合速度较慢，中层水体混合较快。此时水体混合主要发生在入湖口附近与沿岸导流墙与湖岸之间的水体。

由导流墙1号，2号，3号观测断面的立面流速分布(见图5)，可以发现建设导流墙后，在导流墙与湖岸之间的水体的流速变化较大，入湖水流的影响范围在沿岸方向有所扩大，影响范围从无导流墙前的入湖水流中心为对称轴的500 m增大到2 000 m。在沿入流方向上入湖水流的影响有所减弱，自导流墙至湖中心的流速非常小。

设置导流墙后，由于来流受到导流墙作用，运动轨迹发生改变，在导流墙与湖岸之间水体受到来流影响，水流沿岸向两侧流动。表层水体与底层水体混掺速度较慢，中层水体混掺较快。建设导流墙没有改变水体垂向方向上的混合(见图6)。

从建设导流墙后，计算区域的表层、中层与底层流速分布，以及不同观测断面的立面流速分布图可以得到：在垂向上，建设导流墙没有改变水流在垂向方向上的混合；在平面上，建设导流墙后，在导流墙与湖岸之间水体的流速改变较大，影响到距入湖水流中心沿岸两侧2 000 m以内的范围。在此范围内湖水的流速有所增加，同时自导流墙至湖泊中心，其流速较未建时减小。

3.2 工程后的密度计算分析

由导流墙后的密度分布(见图7)，可见由于来流受到导流墙的作用，密度流的影响范围由建设前的入湖口附近，沿岸近4 000 m的范围，在垂直湖岸方向上的影响范围为1 500 m左右，变为导流墙与湖岸之间500 m，沿岸方向近8 000 m的范围。因此建设导流墙后，密度流的影响范围变为导流墙与湖岸之间沿岸近8 000 m左右的范围，此长度约等于导流墙的长度8 000 m。

由导流墙建设后1号、2号、3号观测断面的立面密度分布可知(见图8)，建设导流墙后，在导流墙与湖岸之间的水体密度改变较大，沿湖岸方向上的影响范围由4 000 m增加到8 000 m，在此区域水体的密度较工程前有所增加。因此建设导流墙后，密度的影响范围变为导流墙与湖岸之间沿岸近8 000 m的范围，此长度等于导流墙的长度8 000 m。

工程前后来流一定的情况下，都会引起滇池水域一定范围的水体发生密度变化；密度由表层至底层随着水深的增加而增加；表层水体的密度变化较小，底层密度变化较大。入湖水流均由底部进入湖体，均形成一定的分层流动。工程建设前后，密度变化的区域发生了改变；工程前变化区域较大，而工程建设后主要位于导流墙与湖岸之间的水体，见图9。

密度流的影响范围为入湖口8 000 m的范围。来流变化范围也由未设导流墙前的自由运动，限制为修建导流墙后来水一侧。导流墙后水体受来流影响小，密度未显著发生变化。

3.3 工程后的温度计算分析

在来流10 ℃，滇池初始水体温度15 ℃情况下，温度沿入流方向及沿岸方向增大，温度变化范围10 ℃～15 ℃之间。底层水温最低，中层其次，表层最高(见图10)。温度影响范围为入湖水流中心为对称轴的3 000 m以内的范围。

设置导流墙后入湖水流进入滇池后，水体同样在垂向发生混合。由于导流墙作用致使在来流方向一定范围内使水温减小放缓，来流方向水温变化减小。1号及2号断面水温保持在11 ℃左右；由于受到导流墙作用，3号断面受到来水影响较小，水温保持在15 ℃(见图11)。

水温变化改为沿导流墙向两侧变化，沿岸方向变化范围增大至以来流位置为对称轴的8 000 m范围内。

由导流墙建设后的温度分布图可知(见图12)，导流墙建设前后垂向温度分布变化不大，主要是平面上温度的变化较为显著。导流墙建设后温度影响范围以来流中心为对称轴，左右各约4 000 m，沿岸方向影响范围较未设导流墙时扩大，入流方向的影响范围为导流墙至湖岸垂直长度500 m。

4 结语

1)设置导流墙后，若墙体高度较低，水流将漫顶形成宽顶堰流，此情况下过导流短管的流量几乎为0，且水流漫顶后对于墙体外侧水体影响范围仅约65.0 m，水深方向上的影响范围仅约1.0 m，不仅范围过小无法满足水体置换的要求，而且导流短管失去效用。

2)从密度与温度差异对引水效果影响计算结果可知：导流墙内导流短管微弱的过流能力也无法实现水体置换的目的。导流墙的建设将在一定程度上对沿岸局部的水体交换有一定影响。密度流与温度流的影响微乎其微。

3)从流体力学及工程水力学角度分析，设置导流墙并于墙体上开导流短管以期增加水体置换效果的方案的效果并未显现，相反工程实施可能对滇池水环境和湖区风景带来不利的影响。因此，不建议采用导流墙方案。

[1] 昆明市政府参事室.关于尽快实施清水入滇池导流墙建设的建议[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，工程师； 段 波(1987- )，男，工程师

TU991.21

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