牛栏江—滇池补水工程出水口水位及流速变化分析

　　摘要：采用平面二维水流数学模型对牛栏江—滇池补水工程龙泉渠道出水口兴建前后，工程所在的盘龙江河段的水位、流速变化情况进行模拟计算。结果表明工程兴建会引起盘龙江局部河段水位壅高，但壅高值和影响范围有限，不会对盘龙江的防洪安全造成明显不利影响；同时会造成龙泉渠道出水口汇入盘龙江下游80m的河道流速增加，建议对两岸进行防护处理。
　　关键词：牛栏江—滇池补水工程；出水口；水位；流速；变化
　　1概述
　　牛栏江—滇池补水工程是一项水资源综合利用工程，是经国家相关部委批准的滇中调水近期重点工程。该工程的任务为近期重点向滇池补充生态水量，改善滇池水环境，并具备向昆明应急供水的能力；远期主要任务为曲靖市生产、生活供水，其次与金沙江调水工程共同向滇池补水，并作为昆明市的后备水源提供供水安全保障。本工程由总库容4.41亿m3的德泽水库水源枢纽工程、水泵装机容量4×22MW的提水工程及线路总长度115.72km的输水工程组成。德泽水库库水经干河泵站提水后过糟家湾、于昆明大五山隧洞出口接龙泉渠道自流至盘龙江，设计汛期引水流量23m3/s，枯季20m3/s。
　　牛栏江—滇池补水工程兴建后，工程引水将通过龙泉渠道于松华坝水库下游2.2km处进入盘龙江干流，最终流入滇池。本补水工程的兴建加大了河道流量，改变了盘龙江现有水文情势，故可能将会对出水口所在的盘龙江河段上下游一定范围内的水位、流速等产生一定的影响。
　　2出水口洪水分析
　　龙泉渠道出口所在位置的盘龙江防洪标准为百年一遇，因此研究出水口河段工程兴建前后发生百年一遇洪水时水位及流速的变化情况。
　　2.1松华坝水库泄流
　　松华坝上游有小河水文站和中和水文站的实测洪水资料，将中和站洪水系列订正到小河站，得到小河站1954～2005年洪水系列，加上调查或插补的洪水资料，组成不连序洪水样本系列，进行经验频率分析。
　　采用矩法初估统计参数，以皮尔逊Ⅲ型曲线型为概率模型，适线法确定洪峰流量及各时段洪量统计参数，得到小河站的设计洪水；然后，将小河站设计洪水进行订正得到松华坝坝址设计洪水；最后，从小河站实测洪水资料中挑选典型过程，以洪峰流量及1、3、7、15d洪量控制，按同频率法放大推求坝址设计洪水过程。
　　根据松华坝水库的入库设计洪水过程，按水量平衡原理，采用试算法逐时段进行调节计算，求得松华坝水库百年一遇最大下泄洪峰流量为93.3m3/s。
　　2.2工程出水口洪峰流量
　　本补水工程出水口上距松华坝水库2.2km，沿程河道经过整治后，弯曲系数较小，断面呈规则形，河床调蓄作用有限。松华坝水库洪水下泄后，洪峰沿程坦化较小，且松华坝～出水口区间面积较小，区间洪水可以忽略不计，故可以认为引水工程出水口处的洪峰值等于松华坝水库下泄洪峰值，即百年一遇洪峰流量为93.3m3/s。
　　假定松华坝水库下泄洪峰流量70.3m3/s，工程实施后拟建的龙泉渠道汇合口引水流量为23m3/s，两者组合使出水口发生百年一遇洪水93.3m3/s。下游计算出口位置水位以百年一遇洪水位控制，为1897.96m
　　3引水出口水位及流速分析
　　3.1分析方法
　　结合工程所在河段河势情况，采用平面二维水流数学模型对龙泉渠道出水口兴建前后，工程所在的盘龙江河段的水位、流速变化情况进行模拟计算，并根据数学模型计算成果，对龙泉渠道出水口的兴建引起工程所在的盘龙江河段的壅水和流速场变化情况进行分析。
　　3.2基本方程
　　水流连续方程
　　(3-1)
　　水流运动方程
　　(3-2)
　　(3-3)
　　式中：x，y，t分别为空间坐标x，y和时间坐标t；z为水位（m）；h为水深（m）；u、v分别为垂线平均流速在x,y方向的分量（m/s）；M、N分别为单宽流量在x,y方向的分量（m3/（m•s）），M=hu,N=hv；n为曼宁糙率系数；C为谢才系数，；为水流紊动粘性系数；g为重力加速度。
　　3.3模型计算中有关问题的处理
　　3.3.1地形数据和计算网格
　　数学模型计算的地形数据采用2009年8月实测的河道地形图资料。
　　综合考虑拟建工程可能影响范围、河段河势及水文站点等因素，计算河段范围为龙泉渠道汇合口上游2.2km处的松华坝水文站至汇合口下游约4.0km的处霖雨桥位置。计算范围内已修建的桥梁、闸坝等工程均作为初始地形加入计算网格中。
　　工程所在的盘龙江河段，断面较规则，河宽约30m，因此在整个计算区域中，均采用5m×5m的网格。
　　3.3.2进口断面各网格流量分配 
　　假定进口断面各网格点的纵比降一致，即可构造出特征流量：
　　(3-4)
　　式中：为流量系数，n为糙率，假定各网格的和n均相等，则由Q*建立的进口断面流量分配的加权系数为：
　　(3-5)
　　式中：k为进口断面网格编号，Lk为网格宽度，N为有入流的进口网格总数。进口断面各网格的单宽流量为：
　　(3-6)
　　式中：Qm为进口断面总流量。
　　3.3.3陆地边界处理
　　陆地边界的处理方法是令闭边界的法向流速为0，而沿切线方向的流速为非0值。随着水位的变化，陆地边界位置不断变化，解决这一问题本模型采用“冻结法”，根据水位和河底高程判断网格单元是否露出水面，即定义临界水深h=0.005～0.01m，当水深h>h时，糙率取正常值，反之糙率取一大值（1010量级）。
　　3.3.4拟建工程处理
　　为使数学模型能更真实的反映龙泉渠道出水口的修建对所在盘龙江河道水流的影响，除了在网格划分时尽可能反映工程局部情况，还应对龙泉渠道出水口进行概化处理，主要是根据龙泉渠道出水口的设计资料进行地形修正。
　　龙泉渠道出水口工程末点与盘龙江交汇处的底板高程为1903.00m，渠道河底坡降为0.5‰，龙泉渠道出水口为矩形明渠断面，断面尺寸为6m×3m（宽×高）（正常水深2.16m），明渠末端为尾水池，尾水池与盘龙江的衔接处为渐渐展宽的渐变段。
　　3.3.5糙率拟定与验证计算
　　工程所在的盘龙江河道为较规则的渠道，河道中小沙洲较多。断面呈规则梯形，两岸基本为土堤，岸坡植被护坡良好，因此盘龙江河道的糙率采用经验值，范围为0.025～0.030，拟建的龙泉渠道为规则钢筋混凝土的矩形明渠，糙率采用0.025。[!--empirenews.page--]
　　3.4数值解法
　　模型采用的数值方法是在矩形交错网格上的ADI法，具体离散用半隐式，求解用追赶法，交错网格示意图见图3-1。
　　
　　图3-1交错网格示意图
　　用追赶法通过2个步骤（4个小步）完成一整步交替方向的求解过程，即可以推进一个时间步（）。在适当的定解条件下，通过此过程可解出所有节点上的水位和流速值，完成平面二维非恒定流的流速计算。相应地，即可以求出各网格内节点上的x、y方向上的单宽流量值M=hu,N=hv。
　　计算时所需的初始条件资料包括：河床高程，水深和流速。所需的边界条件资料为：上边界采用进口断面流量，下边界采用出口断面水位。上述模型为非恒定流模型，对恒定流同样可用上述方程计算，只需让上边界的来水过程、下游边界的水位保持不变，计算至稳定即可。
　　3.5结论
　　龙泉渠道出水口兴建前后与盘龙江汇合口水位变化平面分布情况见图3-2，流速变化平面分布情况见图3-3。
　　
　　图3-2工程兴建前后河段水位变化示意图
　　
　　
　　图3-3工程兴建前后流速变化示意图
　　3.5.1对出水口所在河段的水位影响
　　龙泉渠道出水口工程兴建会引起工程所在的盘龙江局部河段水位壅高，但壅高值和影响范围有限，不会对盘龙江的防洪安全造成明显不利影响，具体表现为：
　　⑴龙泉渠道汇合口上游洪水位降低，这是由于工程实施后汇合口上游位置的流量小于工程实施前的流量，因此洪水位降低，不会超过盘龙江堤防的防洪水位。
　　⑵龙泉渠道出水段汇入盘龙江后，汇合口处局部位置洪水位壅高，水位壅高最大值为6.75cm，位于龙泉渠道汇合口前10m处的P1点（如图3-2所示），水位壅高的范围主要集中于龙泉渠道汇入盘龙江位置约60m长的盘龙江干流河道，该区域盘龙江近岸水位壅高值最大为5.20cm，小于盘龙江堤防的安全超高。
　　⑶其他河段水位变化值较小，小于1cm，不会超过盘龙江堤防的防洪水位。
　　3.5.2流速影响
　　工程兴建造成河道流速增加的区域主要集中于龙泉渠道出水口汇入盘龙江位置处下游长80m区域，流速变化平面分布情况见图3-3，具体表现为：
　　⑴龙泉渠道汇合口上游流速减小，这是由于假定汇合口上游位置的松华坝水库下泄流量减小，导致工程后的流量小于工程前的流量，因此流速减小，不会对盘龙江堤防造成冲刷等不利影响。
　　⑵龙泉渠道出水段汇入盘龙江后，汇合口位置局部流量由70.3m3/s骤增至93.3m3/s，，因此汇合口下游流速增大，流速增大最大值为13.26cm/s，位于龙泉渠道汇合口近左岸处的T1点（如图3-3所示），流速增大的范围主要集中于龙泉渠道汇入盘龙江位置下游80m长的盘龙江河道，该区域盘龙江左右岸的近岸流速增加值最大为8.35cm/s，建议对盘龙江汇入口下游长80m的左右两岸进行防护处理。
　　⑶盘龙江下游其他位置流速变化值较小，小于1cm/s，不会对盘龙江堤防造成冲刷等不利影响。
　　参考文献
　　[1]中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院等，《牛栏江—滇池补水工程初步设计报告》，2009.
　　[2]张耀先、丁新求主编，《水力学》,黄河水利出版社，2008.

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