基于二维水动力模型的取水口对航道水流条件影响分析

余文忠，陆洪亚，孙传文，朱京德

（连云港市水利规划设计院有限公司，江苏 连云港 222000）

船舶航行时，对水流速度有一定要求，较大的流速，可以增加航行速度，但过大的流速，使船舶操纵困难。船舶水上行驶时，纵向流速一般以不超过3m/s 为宜。船舶航行，除对纵向流速有一定要求外，对横向流速也有一些限制。航道内的横向流速，一般应不超过0.3m/s，否则，侧向推力过大，容易发生事故。

航道内取水口作业时，会改变水流条件，对航道通航造成一定的不利影响。本文采用二维水动力模型对取水口位置处流场进行了数值模拟，进而直观了解流速大小、流向等通航水力要素。

1 基本情况

1.1 航道概况

东门河航道位于连云港市灌云县，起点为盐河口，终点为燕尾港闸，全长54.9km，规划为五级航道。本项目取水口位于燕尾港闸上游约2.4km 处航道左岸，现状已满足五级航道标准要求。工程位置处航道较为顺直，规划航道中心线为现状航道深槽中心线。项目区航道现状河底高程约-4.77m，河底宽约130m，航道两岸现状均为土坡。

1.2 取水口建设方案

江苏远征化工有限公司位于灌云县临港产业区精细化工园区，生产用水取自东门河。取水口采用2 台水泵机组及取水管，每台套取水流量120m/h（0.033m/s），合计240 m/h（0.067m/s）。泵池为钢筋混凝土结构，尺寸为5.0m×8.0m，采用挖入式布置型式，泵池前沿与现状河口齐平。取水管道、人行踏板及支撑基础均为钢结构，伸入东门河河道中，其最外缘取水口头部伸入河道距现状河口23.2m。支撑基础共4跨，平均跨径5.0m，每跨设4 根钢管，管径10cm，其上搭设取水管道及人行踏板，人行踏板顶面高程2.94m，取水管道顶面高程3.62m。取水管道共2 根，管径DN150，取水口头部为下探式，管口高程-0.08m。取水口头部搭设排架及横向人行踏板，排架尺寸为3.2×3.5m（宽×高）。

图1 取水口现状图

图2 航道现状图

2 对航道水流条件影响分析

2.1 模型计算范围及网格划分

计算范围：远征化工有限公司取水口上、下游各1km 范围的东门河航道，全长约2.0km。模型范围除了包含上下游两个边界外，还包含本工程取水口、本工程上游约875m 处河道左岸取水口、本工程下游约600m处河道左岸灌云县临港产业区燃煤热电联产项目取水口，共5 个边界。

网格划分：采用无结构三角形网格剖分，边长一般为5～50m，取水口处加密为1～2m，网格数为17383 个，节点数为5894 个。

2.2 模型计算工况

图3 模型计算范围地形图

营运期航道通航水流条件影响包括洪水期、平水期和枯水期三种工况。

2.2.1 洪水期

该工况下，远征化工取水口引水流量为0.067m/s，上游取水口引水流量为0.4m/s，下游取水口引水流量为0.158m/s。模型上游边界东门河行洪流量835m/s（东门河10年一遇设计流量），模型下游边界东门河水位2.26m。

2.2.2 平水期

各取水口流量同洪水期。模型上游边界东门河流量100m/s（根据东门河下游挡潮闸日常排水流量求得），模型下游边界东门河水位1.30m（东门河常水位）。

2.2.3 枯水期

各取水口流量同洪水期。模型上游边界东门河流量10m/s（枯水期东门河上游回归水量），模型下游边界东门河水位0.97m。

2.3 计算结果

2.3.1 洪水期

根据模型计算成果可见，洪水期工况下，本工程取水口处东门河航道以纵向流速为主，河道中心处纵向流速最大，最大值0.86m/s；取水口处最大纵向流速为0.46m/s，支撑基础附近最大纵向流速为0.51m/s；取水口处最大横向流速为0.06m/s，支撑基础最大横向流速位于取水口最外侧上游附近，最大值0.23m/s。

图4 洪水期取水口处纵向流速图

图5 洪水期取水口处横向流速图

2.3.2 平水期

根据模型计算成果可见，平水期工况下，取水口处东门河航道以纵向流速为主，河道中心处纵向流速最大，最大值为0.17m/s；取水口处最大纵向流速为0.12m/s，支撑基础附近最大纵向流速为0.14m/s；取水口处基本无横向流速，支撑基础附近最大横向流速为0.06m/s。

图6 平水期取水口处纵向流速图

图7 平水期取水口处横向流速图

2.3.3 枯水期

根据模型计算成果可见，枯水期工况下，取水口处东门河航道以纵向流速为主，河道中心处纵向流速最大，最大值为0.012m/s；取水口处基本无纵向流速，支撑基础附近最大纵向流速为0.14m/s；取水口处基本无横向流速，支撑基础附近最大横向流速为0.01m/s。

图8 枯水期取水口处纵向流速图

2.4 结果分析

图9 枯水期取水口处横向流速图

由以上计算结果可知，远征化工取水口工程在洪水期、平水期、枯水期工况下，最大纵向流速均未超过3m/s，最大横向流速均未超过0.3m/s，对东门河航道水流条件及通航安全影响较小。

3 结论

本文采用二维水动力模型对远征化工东门河航道取水口位置处流场进行数值模拟，计算结果表明，模型能够较好地反映水流流速、流向等通航水力要素变化情况，该方法可作为航道主管部门审批类似工程的技术支撑。