張 強

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

輸水渠道輸水效率與渠內(nèi)水力特征密切相關(guān)，確保輸水效率勢必需要考慮渠道內(nèi)水力特征影響因素[1-2]，故研究輸水灌渠水力特征影響特性具有重要意義。傅曉松等[3]、宋先鋒[4]、魏楊等[5]認為渠道水力特征與渠坡、上游來水含沙量以及渠底防滲結(jié)構(gòu)有關(guān)聯(lián)性，因而采用滲流仿真計算平臺建立輸水灌渠計算模型，分析在不同工況、不同設(shè)計方案下渠道內(nèi)水力特性，為推動輸水灌渠標(biāo)準設(shè)計提供計算佐證。不可忽視，渠道內(nèi)乃是一個水生態(tài)系統(tǒng)，分布繁衍的微生物對灌渠水力特征同樣具有影響[6]，一方面影響輸水水質(zhì)狀態(tài)，增大渠道內(nèi)水質(zhì)富營養(yǎng)化；另一方面，微生物分布增大了水流摩擦效應(yīng)，輸水耗散率提高，因而研究微生物分布對輸水灌渠水力特性研究很有必要。鐘砥寧等[7]、他金城等[8]、沈衛(wèi)[9]根據(jù)模型試驗理論，設(shè)計開展了溢洪道、消能池等水工建筑的模型試驗，對比了不同設(shè)計方案下模型試驗結(jié)果差異，為工程評價最優(yōu)設(shè)計方案提供了依據(jù)。因而，本文亦借助模型試驗理論，設(shè)計開展渠道輸水試驗，并模擬出微生物分布狀態(tài)，以此研究渠道內(nèi)菌藻類微生物分布繁衍對灌渠輸水水力特性影響，為輸水工程的建設(shè)、運營提供參考。

1 模型試驗概況

1.1 工程背景

針對遼寧西北地區(qū)水資源時空分布不均現(xiàn)狀，擬對該地區(qū)的輸水灌渠工程進行加固升級，確保輸水效率與當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平、經(jīng)濟人口相匹配，滿足水資源配置要求灌區(qū)內(nèi)，地區(qū)來水保證率50%、90%下年降水量分別為850、610、380mm。該輸水渠道全長為125.5km，渠首與引水樞紐工程相連通，設(shè)計流量為0.67m3/s，全灌區(qū)內(nèi)分布有10多個水利控制樞紐設(shè)施，包括10余座水閘、抽水泵站、蓄水池等水工建筑，乃是灌渠有效穩(wěn)定運營的重要保障。經(jīng)調(diào)查得知，過閘流量設(shè)計最高值為北部新區(qū)閘，最大流量為85m3/s，經(jīng)多次除險加固后，該水閘靜、動力穩(wěn)定性均較佳，檢測表明北部新區(qū)水閘過閘流量常年穩(wěn)定在75～80m3/s，閘前泥沙含量較低，經(jīng)排沙閘有效降淤，監(jiān)測得到最大含沙量不超過4kg/m3，閘室底板厚度為0.8m，鋪設(shè)有防滲墊層，降低輸水消耗，其下游設(shè)計為階梯式渠道斷面，乃是為下一水閘提能降沖提供鋪墊。全渠道內(nèi)抽水泵站的作用乃是為下一支線灌渠提供渠首水力勢能，灌區(qū)南部泵站高度為123.5m，以結(jié)構(gòu)墩支撐體系作為承載結(jié)構(gòu)，泵站整體最大沉降位移不超過12mm，且位移量值最大時乃是泵站動力振動作用下出現(xiàn)的。全渠道上蓄水池分布有8個，每個蓄水池均標(biāo)配有沉砂池、消能池及過水閘門，池內(nèi)深度為1.2～5.4m不等，消能池采用消能坎與水工擋墻聯(lián)合式防沖刷，最大消能率可達54.5%，各蓄水池內(nèi)閘門尺寸分布在1.2～2.6m，大都以弧型鋼閘門為主，少量為一體式平面閘門，多孔式水流設(shè)計有多孔過流閘門，開度與閘門工作性能相適應(yīng)，降低閘門受動水沖擊作用。根據(jù)對遼寧西北輸水灌渠現(xiàn)狀調(diào)查得知，目前水閘、蓄水池及泵站等工作穩(wěn)定性均較好，輸水耗散受水工建筑影響較低，但渠道內(nèi)側(cè)壁上發(fā)育繁衍有藻類、菌類等微生物，其有效限制了渠道河床高度，且較多微生物繁衍在階梯式渠道斷面上，對水能影響較嚴重，增大了輸水摩擦，降低了流動性，導(dǎo)致局部水能不充分，無法為下游順勢輸能。灌渠工程管理部門考慮認為，雖灌渠內(nèi)大部分水工建筑運營穩(wěn)定性均較好，但不可忽視菌藻類微生物的存在對渠道輸水穩(wěn)定性影響，因重點研究微生物的分布與渠道水力特征關(guān)系。

1.2 模型試驗

為有效研究微生物分布對輸水渠道水力特征影響，本文設(shè)計有輸水渠道的模型試驗，特別以微生物分布最嚴重的階梯式渠道斷面作為研究對象，其水工模型如圖1所示。該渠道模型全長為2.5m，共有10個階梯式渠道斷面，各斷面間距控制在0.25m，渠底及部分側(cè)壁采用與輸水工程渠道原型光滑材料[10-11]。輸水試驗過程中控制下游閘門開度作為流量模擬，本試驗中控制下游閘門開度分別為0°、8°、15°、18°、22°，其中開度8°時對應(yīng)的流量為5L/s，而開度15°、18°、22°相應(yīng)的流量值為6～8L/s，每個試驗工況下閘門流量均采用調(diào)節(jié)閥門控制，以下游閘門后的尾堰量測流量值。

圖1 輸水渠道水工模型

另一方面，針對微生物分布采用粗糙體模擬布設(shè)在側(cè)壁與渠底，但由于不同分布狀態(tài)的菌藻類對水力特性影響具有差異性，故本文以粗糙體布設(shè)的間距參數(shù)作為模擬微生物的分布差異，設(shè)定粗糙體向心狀的分布形態(tài)，但橫、縱向間距參數(shù)具有差異性，本文假定橫、縱向間距為相同，試驗參數(shù)設(shè)定為25mm和50mm，如圖2所示。為與無微生物分布狀態(tài)下水力特征對比，試驗設(shè)定有無加糙壁面。

圖2 粗糙體布設(shè)橫、縱向間距示意圖

本文試驗中階梯式斷面水位特征采用水位測針傳感器，最小精度可達0.1mm，測針布設(shè)在渠坡坡腳內(nèi)10cm處。渠道流速采用水流測速儀測定，每個斷面上共布置有3個測速探頭，各探頭間距為20cm，確保測速精準。試驗過程主要以開啟控制閥門來模擬輸水流量，待水流穩(wěn)定后，測定不同方案中階梯式渠道斷面上的水位、流速等特征，進而評價微生物分布對水力特征影響。

2 斷面水位特征

2.1 不同流量下水位特征

根據(jù)輸水渠道模型試驗結(jié)果獲得各流量工況下不同間距試驗方案中斷面上水位變化特征，如圖3所示。從圖中可知，粗糙體間距相同時，各流量工況下斷面上水位變化趨勢特征具有一致性，粗糙體間距25mm試驗方案中，各工況中水位隨斷面距離為“U”型變化特征，在階梯式渠道中間斷面中水位最低，位于斷面1～1.5m，在流量5L/s和8L/s工況中該區(qū)間斷面水位平均值為0.029m和0.103m，而在該兩工況中斷面2.25m上水位較前者分別增長了29.4%和23.7%，表明渠道中部斷面處受粗糙體摩擦、阻流較嚴重，渠道斷面設(shè)計時應(yīng)重點考慮該區(qū)域受菌藻微生物分布的影響，而在階梯式渠道斷面首、尾側(cè)水流受摩擦作用較弱，無顯著水深抑制影響[12]。同樣在粗糙體間距50mm方案中，各流量工況的水位變化趨勢均為一致，不過在該試驗方案中，水位變化特征曲線無顯著“U”型特征，即在渠道斷面1～1.5m處并未出現(xiàn)顯著較低水位，而是在各斷面上水位均較平穩(wěn)，變幅較小，在流量6L/s工況中其各斷面上水位分布在0.032～0.037m，各斷面間水位最大變幅不超過6.5%，表明粗糙體間距增大后，斷面上水位區(qū)域一致性，微生物菌藻分布使斷面上泥沙淤積、水流摩擦等均減弱至一致性，即微生物分布面愈分散，則渠道內(nèi)水位受之影響愈小。

圖3 不同流量下各斷面水位特征

對比兩不同粗糙體間距試驗方案中水位特征可知，在間距25mm方案中流量5L/s工況下的水位分布在0.027～0.047m，渠道各斷面上平均水位為0.035m，而流量6、7、8L/s工況中各斷面上水位較前者分別平均增長77.1%、1.8倍、2.26倍。當(dāng)粗糙體間距增大至50mm后，各流量工況中水位均遞減，在流量5L/s中渠道平均水位較間距25mm方案下降低了59.7%；同樣的在流量6、7、8L/s工況中平均水位較前者方案下同類流量工況分別下降了46.8%、46.9%、34.3%，表明粗糙體間距增大，即微生物菌藻種類對水流摩擦、阻流效應(yīng)減弱，此時渠道內(nèi)水位流通性增強，故而水位下降。在間距50mm方案中，流量6、7、8L/s下平均水位較流量5L/s下增長了1.36、2.71、4.35倍，該方案中流量每增長1L/s，斷面上水位平均增長79.2%；而在間距25mm方案中該平均增幅為48.3%。由此可知，粗糙體間距增大后，渠道來水流量增大，渠道內(nèi)水位受之影響愈顯著[13]；當(dāng)微生物分布面愈廣、離散性愈大，則流量對水位影響遠超微生物阻流影響。

2.2 不同微生物分布狀態(tài)下水位特征

粗糙體間距對渠道水位具有顯著影響，故本文給出典型流量工況下無粗糙體、粗糙體間距25mm和50mm下斷面上水位變化特征，如圖4所示。從圖中可知，兩流量工況中渠道斷面水位均以無粗糙體下為最大，在流量5L/s工況中無粗糙體方案下斷面平均水位為0.054m，而粗糙體間距25mm和50mm方案中平均水位較前者分別減少了33%、74.1%。另一方面，在低流量工況中，有粗糙體方案下各斷面上水位變幅波動顯著高于無粗糙體方案，流量5L/s中無粗糙體方案下各斷面上水位平均變幅為3%，而粗糙體間距25mm和50mm方案中平均變幅分別達12.8%和6.4%，表明低流量工況下，渠道各斷面上水位受粗糙體阻流、摩擦影響導(dǎo)致的差異性顯著，即微生物分布在低輸水流量工況下具有顯著性影響。在高流量8L/s中，仍以無粗糙體方案下的平均水位最高，粗糙體間距25mm和50mm方案斷面平均水位相比無粗糙體方案下分別減少了21.5%、52.6%；3個粗糙體方案的斷面水位均變幅較小，無粗糙體方案中各斷面上水位差幅最大僅為0.8%，而即使布設(shè)有粗糙體，其斷面上水位變幅亦較小，兩個粗糙體方案中水位變幅最大僅為6.4%、1.3%，粗糙體間距較大時最大變幅與無粗糙體方案下相當(dāng)。分析表明，高流量工況下粗糙體對各斷面上水位擾動影響較小，但總體上會抑制渠道斷面上平均水位。

圖4 不同粗糙體布設(shè)方案下各斷面水位特征

3 斷面流速特征

3.1 不同流量下流速特征

根據(jù)輸水渠道模型試驗不僅可得到渠道水位特征，亦可得到渠道內(nèi)斷面流速特征，圖5為兩個粗糙體間距方案下不同流量工況中斷面流速變化特征。從圖中可看出，在相同粗糙體間距方案中，流量愈大，則流速愈低，在間距25mm方案中，流量5L/s工況下斷面平均流速為0.246m/s，而在流量6L/s、8L/s工況下斷面平均流速較前者分別減少了28.1%和52.4%，隨流量增大，斷面流速平均降幅為25.7%。在4個流量工況中，除低流量5L/s下，其他3個流量工況中斷面平均流速變幅較小，而低流量5L/s中斷面流速以中部斷面為最高，在間距25mm方案中最大流速可達0.25m/s；同樣的情形在間距50mm中亦是如此，其在低流量5L/s工況中斷面上最大、最小流速差幅可達9.7%。另一方面，在間距50mm方案中，4個流量工況下斷面上平均流速的降幅為19.4%，即粗糙體間距增大后，斷面流速受流量影響減弱。分析表明，渠道內(nèi)低輸水流量，會導(dǎo)致渠道斷面上水位出現(xiàn)較大波動，易使渠道內(nèi)出現(xiàn)局部渦流、紊流現(xiàn)象，降低輸水效率[14-15]。

圖5 不同流量下各斷面流速特征

3.2 不同微生物分布狀態(tài)下流速特征

基于不同粗糙體間距模擬微生物分布狀態(tài)，獲得粗糙體間距影響下渠道斷面流速變化關(guān)系，如圖6所示。從圖中可知，在相同流量工況中，粗糙體間距愈大，則流速愈大，且無粗糙體方案下流速最高，流量5L/s工況中無粗糙體方案下斷面平均流速為0.449m/s，而粗糙體間距25mm和50mm方案下平均流速較前者分別降低了45.1%、14.2%。在該流量工況中，無粗糙體方案下斷面流速分布較均勻，而粗糙體間距25mm和50mm方案下斷面測點間流速變幅最大分別為4.6%和5.1%。當(dāng)流量增大至8L/s后，各微生物分布狀態(tài)模擬方案中流速均有降低，而在該流量工況中，糙體間距25mm和50mm方案下平均流速較無粗糙體方案下分別降低了52.5%和26.6%，降幅增大，表明輸水流量增大后，渠道內(nèi)流速受微生物分布狀態(tài)影響增強。

圖6 不同粗糙體布設(shè)方案下各斷面流速特征

4 結(jié)語

(1)粗糙體間距25mm時水位在斷面上為“U”型特征，以斷面1～1.5m水位最低；間距50mm方案中各斷面上水位變幅較?。涣髁吭龃?，水位遞增。

(2)無粗糙體下斷面水位最大，粗糙體間距愈大，水位愈低；微生物分布在低輸水流量工況下具有顯著性影響；高流量工況下粗糙體對各斷面上水位擾動影響較小。

(3)相同粗糙體方案中，流量愈大，流速愈低，且各斷面間流速變幅愈小，隨流量增大1L/s，各流量工況流速隨之平均降幅為25.7%；粗糙體間距增大后，斷面流速受流量影響減弱。

(4)相同流量下，粗糙體間距愈大，則流速愈大，以無粗糙體方案下流速最高。