卞新盛，成 立 ，尚 穎，梁文清，張衛(wèi)東

（1.南水北調(diào)江蘇水源有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210029；2.揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009）

為更好實現(xiàn)南水北調(diào)東線省際調(diào)水計量，在江蘇省與山東省交界處江蘇省轄區(qū)內(nèi)的中運河梁王城水文自動采集站上設(shè)置省界測流斷面，測流斷面的河道規(guī)整，水位變化較小，測流條件良好[1]。但由于該斷面屬于淺寬型航道，船舶運行影響較大，如何確定合適的測流方法和提高在線測流精度是迫切需要解決的問題。本文采用現(xiàn)場試驗和CFD相結(jié)合的方案，對擬采用的HADCP進行了研究。

1 測流斷面情況

中運河梁王城水文自動采集站位于中運河泇口閘上游約2.5 km處，此處設(shè)站目的是監(jiān)測通過中運河輸水線路向山東省輸送水量。站址上游約500 m長河道為直線段，再接圓弧段河道。下游約700 m長河道為直線段，再接S型河道。此處測驗河段上下游順直，河床平整，水流平穩(wěn)，河床底質(zhì)為粉質(zhì)壤土，斷面年際變化不大，水文站選址可行。省界斷面就位于該站上，為蘇魯省界重要的計量斷面。經(jīng)過勘測，測量斷面選擇在徐州韓莊山頭，蘇魯省界處。該斷面2000年曾經(jīng)進行過斷面整治，兩岸為漿砌塊石護坡，河道規(guī)整，測流條件良好。該斷面最高通航水位26.98 m，最低通航水位20 m，供水最高水位21.33 m，河底高程16.4 m。在最低通航水位20 m時水深為3.6 m，河寬近80 m，設(shè)計流量為150 m3/s，流速約為0.4 m/s 。

2 測流方法的選擇

現(xiàn)有的測流方法主要有6種：纜道自動測流、聲學(xué)多普勒流速（ADCP）、超聲波時差法測流、水工建筑物（涵閘）推算流量、水位比降法推算流量、雷達水表面波流速測量再推算流量。

（1）纜道自動測流的測量精度較高，且不需要率定，主要適用于不規(guī)則斷面的流量測量，實現(xiàn)對主要測流斷面的流量控制。但由于需要架設(shè)過橋纜道，投資高，工程量大，測量周期長[2]，故不適用于省界斷面。

（2）超聲波時差法測流適用于斷面較穩(wěn)定，有一定水深的河道，可以在線連續(xù)測量，但不適用于斷面較寬、水淺和含沙量較高的情況[3]。而省界斷面河寬近80 m，最低水深只有3.6 m，故該方法不適用。

（3）水工建筑物（涵閘）測流計算簡單方便，通過人工標定來確定經(jīng)驗公式的相關(guān)系數(shù)，但流量系數(shù)不易確定，需要通過人工測量來確定流量關(guān)系曲線，所以測量精度并不高，對于南水北調(diào)工程而言，精度要求較高，故該方法不適用。

（4）比降法測流方法精度不高，當測流河道的水流不是自由流，水位受上下游水工建筑物的影響較大時就無法推算流量[4]，故不適用于一般河道的測流。

（5）雷達水表面波流速測量再推算流量法測量精度不高，易受外界影響，而且雷達測速儀在水表面流速低于0.5 m時無法測量[5]，所以用雷達測速儀做在線實時測量很難實現(xiàn)。

（6）聲學(xué)多普勒流速測流是利用聲學(xué)多普勒原理進行研制的，精度較高，可以用于淺寬型河道[6]。該方法又分為走航式聲學(xué)多普勒流速法和水平聲學(xué)多普勒流速法[7]。該方法的測流儀器采用最新的聲學(xué)多普勒技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，可靠性高，價格低廉等優(yōu)點，故比較適合河道測流[8]。工作示意圖如圖1所示。

圖1 水平聲學(xué)多普勒流速法工作示意圖

根據(jù)以上各方法的優(yōu)劣比較，結(jié)合南水北調(diào)東線工程江蘇段的情況，綜合分析，初步選用聲學(xué)多普勒流速測流方法。

3 測流斷面流場計算

本文采用商用ANSYS軟件，以現(xiàn)場測試段河道為研究對象，建立三維模型，對河道進行研究。其中通過現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)設(shè)置河道典型流量為112 m3/s，通過計算得出典型流量，河道現(xiàn)有設(shè)置斷面的流速云圖、流速矢量圖，分析該斷面流速分布。

3.1 控制方程

本文采用三維雷諾時均N-S方程來描述河道內(nèi)不可壓縮流體的湍流流動。湍流模型采用標準k-ε模型。

3.2 網(wǎng)格劃分

將河道分為5部分劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分采用ANSYS軟件中的mesh軟件進行劃分，采用六面體網(wǎng)格。圖2為其中第一部分的網(wǎng)格模型，總體網(wǎng)格數(shù)670萬。

圖2 網(wǎng)格模型圖

3.3 計算參數(shù)及邊界條件

圖3為計算實體造型圖，圖4為計算前處理設(shè)置界面，包括進口、出口及自由水面。其中斷面3為現(xiàn)場ADCP測流斷面，邊界條件設(shè)置為進口采用質(zhì)量流（112000 kg/s），出口采用靜壓流（1.0 atm）。

圖3 計算實體造型圖

圖4 前處理設(shè)置圖

3.4 定常計算結(jié)果

圖5為流量112 m3/s時河道的流線圖。由圖可知，河道內(nèi)水流流態(tài)平順，水流收縮和轉(zhuǎn)向較好，無旋渦、脫流等不良流態(tài)。圖6為不同斷面流速云圖，由圖可知，靠近出水口斷面的流速較大，且變化不均勻，中間斷面流速分布較為均勻，總體流速呈現(xiàn)邊壁小，中間大的趨勢。計算表明：測試段河道整體的流態(tài)較好，流速變化較為均勻，有利于數(shù)據(jù)的采集以及HADCP斷面的流速分析。

圖5 河道流線圖

4 HADCP方案

圖6 設(shè)計流量斷面流速云圖

本文在設(shè)計流量112 m3/s和流量為80 m3/s 50 m3/s、20 m3/s的工況下，通過對HADCP斷面流速分布的分析，進一步判斷聲學(xué)多普勒流速測流方法的可行性，從而確定南水北調(diào)東線工程省界斷面的測流方式。

圖7為流量112 m3/s工況下HADCP斷面流速矢量圖，圖8中的（a）、（b）、（c）、（d）分別為流量112 m3/s、80 m3/s、50 m3/s、20 m3/s工況下HADCP斷面流速云圖。由圖中所示的數(shù)值模擬計算結(jié)果表明，HADCP斷面流速變化較均勻，流速呈現(xiàn)出邊壁小，中間大，表層小，下層大的趨勢。隨著流量的減小，流速也變化較明顯，故在流量較大時所采集的流速參考性更大。測流斷面整體流態(tài)平順穩(wěn)定，符合聲學(xué)多普勒流速測流環(huán)境。

圖7 HADCP斷面流速矢量圖

通過在圖8上不同水深處均勻取點，采集數(shù)據(jù)繪制流速曲線圖，如圖9中的（a）、（b）、（c）、（d）所示。從圖中可以看出，1.5～3.5之間的流速均勻，流態(tài)穩(wěn)定，水深為0.5 m的表層和邊壁流速很小，在流量120 m3/s和80 m3/s的工況下，流速變化較穩(wěn)定，而在低流量工況下，流速較不穩(wěn)定，波動較明顯。在岸邊距0～40 m和120 m以外范圍內(nèi)，流速變化很不均勻，起伏變化較大，故可以選擇60～80 m范圍內(nèi)的流速作為指標流速。在水深較淺和較深的情況下，流速數(shù)據(jù)較不理想，受地形和外界因素影響較大，故選擇水面下2～3 m的水位放置聲學(xué)多普勒測速儀較為合適[9]。

圖8 HADCP斷面流速云圖

圖9 同一斷面不同水深流速變化曲線

5 結(jié)論

本文通過分析與數(shù)值模擬計算分析，取得主要結(jié)論如下：

（1）通過對各種測流方法的優(yōu)劣比較，結(jié)合南水北調(diào)東線工程江蘇段省界斷面現(xiàn)場實際情況，初步選定聲學(xué)多普勒流速測流；

（2）測流斷面數(shù)值模擬結(jié)果表明，河道水流流態(tài)平順，流速均勻，無漩渦、脫流等不良流態(tài)，利于數(shù)據(jù)的采集以及HADCP斷面的流速分析；

（3）HADCP斷面數(shù)值模擬結(jié)果表明，HADCP斷面流速呈現(xiàn)邊壁小，中間大，表層小，下層大的趨勢，流速變化均勻，水位變幅不大，符合聲學(xué)多普勒流速測流環(huán)境。通過流速曲線圖可以看出，在大流量工況下，流速變化更具有代表性，可以作為流速采集的標準，60～80m范圍內(nèi)的流速可以作為指標流速，水位在水面下2～3m范圍內(nèi)可以放置聲學(xué)多普勒測速儀。

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