丁坝和引水渠对济南市田山引黄电灌站取水口影响的数值模拟研究

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田山引黄电灌站位于济南市平阴县境内黄河右岸,自黄河调水调沙以来,主河槽下切,取水水位下降。同时,其泵站上游右岸有控导建筑物(丁坝组合),改变了黄河右侧水流流向。黄河主槽下切及主流的偏移,导致泵站比以往引水能力降低。因此,为了使田山引黄电灌工程发挥其正常供水作用,有必要研究泵站取水闸前的引水渠进水口改造及丁坝布置对取水口的影响。本文结合国内外丁坝以及河流取水口数值模拟研究现状,以济南市田山引黄电灌站取水口为例,利用Mike21水动力模型对黄河田山取水口所处河段进行了数值模拟。通过各情景的模拟结果归纳和总结了取水口水流流态和流量的变化规律,为研究引水渠进水口改造和丁坝对取水口的影响提供科学依据。本文的主要研究成果如下:(1)对电灌站取水口所处河段现状模拟。按照200 m3/s、260 m3/s、300 m3/s、400 m3/s、500 m3/s黄河流量分别对河段现状进行水动力模拟,模拟结果如下:1)黄河主河槽流速较大且向两岸递减,随着黄河流量的增加,主河槽水流流速提高;2)取水口流量随着黄河流量的增加而增加,且增幅越来越大;3)当黄河流量小于400 m3/s时,取水口来水量无法满足泵站取水需求。(2)引水渠进水口改造对来水量影响。按照引水渠进水口不同的开挖宽度和深度制定模拟情景,模拟结果如下:1)开挖深度对主河道的流态整体影响不大,主河道水流流速随着开挖深度的增加而下降;2)渠底开挖宽度较小时,取水口上游流速随开挖深度的增加而增加明显;但随着渠底开挖宽度逐渐增大,取水口上游流速受开挖深度的影响变小;3)取水口流量随上游引水渠进水口开挖宽度和深度的增加而增加,且开挖深度越大,取水口流量的增幅越大。(3)丁坝对泵站取水口来水量影响。按照不同的坝长和坝轴与流水夹角来设定模拟情景,模拟结果如下:1)当坝长增加小于20m时,增加丁坝的坝长会增强丁坝的挑流效果,坝后的挑流区流速增大最为明显,最大流速出现坝首附近,丁坝下游主河槽中心区流速整体增快,流速较大的区域变窄并向取水口附近偏转,取水口流量有所增大;2)当丁坝继续增长到20m~40m时,随着丁坝的增长,丁坝的挑流更加明显,挑流区流速继续增大。但坝后回流区由于受到丁坝增长的影响,回流空间被压缩,回流区流速明显减小,这使得其对挑流区高速水流的阻碍作用明显减小,从而减小挑流效果,下游河道水流流线没有发生明显的变化,故取水口流量没有明显变化;3)当丁坝增长20m时,坝后回流对主流产生的挑流效果最佳;4)当丁坝逆时针转动增大与水流的夹角时,挑流区及丁坝坝首冲刷区域水流流速明显增大;5)当丁坝顺时针转动减小与水流的夹角时,挑流区及丁坝坝首冲刷区域水流流速明显减小;6)由于此次模拟丁坝与泵站取水口距离较远,调整丁坝主轴线与水流的夹角对取水口流量没有显著影响。
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