张 强

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

输水渠道输水效率与渠内水力特征密切相关，确保输水效率势必需要考虑渠道内水力特征影响因素[1-2]，故研究输水灌渠水力特征影响特性具有重要意义。傅晓松等[3]、宋先锋[4]、魏杨等[5]认为渠道水力特征与渠坡、上游来水含沙量以及渠底防渗结构有关联性，因而采用渗流仿真计算平台建立输水灌渠计算模型，分析在不同工况、不同设计方案下渠道内水力特性，为推动输水灌渠标准设计提供计算佐证。不可忽视，渠道内乃是一个水生态系统，分布繁衍的微生物对灌渠水力特征同样具有影响[6]，一方面影响输水水质状态，增大渠道内水质富营养化；另一方面，微生物分布增大了水流摩擦效应，输水耗散率提高，因而研究微生物分布对输水灌渠水力特性研究很有必要。钟砥宁等[7]、他金城等[8]、沈卫[9]根据模型试验理论，设计开展了溢洪道、消能池等水工建筑的模型试验，对比了不同设计方案下模型试验结果差异，为工程评价最优设计方案提供了依据。因而，本文亦借助模型试验理论，设计开展渠道输水试验，并模拟出微生物分布状态，以此研究渠道内菌藻类微生物分布繁衍对灌渠输水水力特性影响，为输水工程的建设、运营提供参考。

1 模型试验概况

1.1 工程背景

针对辽宁西北地区水资源时空分布不均现状，拟对该地区的输水灌渠工程进行加固升级，确保输水效率与当前农业生产水平、经济人口相匹配，满足水资源配置要求灌区内，地区来水保证率50%、90%下年降水量分别为850、610、380mm。该输水渠道全长为125.5km，渠首与引水枢纽工程相连通，设计流量为0.67m3/s，全灌区内分布有10多个水利控制枢纽设施，包括10余座水闸、抽水泵站、蓄水池等水工建筑，乃是灌渠有效稳定运营的重要保障。经调查得知，过闸流量设计最高值为北部新区闸，最大流量为85m3/s，经多次除险加固后，该水闸静、动力稳定性均较佳，检测表明北部新区水闸过闸流量常年稳定在75～80m3/s，闸前泥沙含量较低，经排沙闸有效降淤，监测得到最大含沙量不超过4kg/m3，闸室底板厚度为0.8m，铺设有防渗垫层，降低输水消耗，其下游设计为阶梯式渠道断面，乃是为下一水闸提能降冲提供铺垫。全渠道内抽水泵站的作用乃是为下一支线灌渠提供渠首水力势能，灌区南部泵站高度为123.5m，以结构墩支撑体系作为承载结构，泵站整体最大沉降位移不超过12mm，且位移量值最大时乃是泵站动力振动作用下出现的。全渠道上蓄水池分布有8个，每个蓄水池均标配有沉砂池、消能池及过水闸门，池内深度为1.2～5.4m不等，消能池采用消能坎与水工挡墙联合式防冲刷，最大消能率可达54.5%，各蓄水池内闸门尺寸分布在1.2～2.6m，大都以弧型钢闸门为主，少量为一体式平面闸门，多孔式水流设计有多孔过流闸门，开度与闸门工作性能相适应，降低闸门受动水冲击作用。根据对辽宁西北输水灌渠现状调查得知，目前水闸、蓄水池及泵站等工作稳定性均较好，输水耗散受水工建筑影响较低，但渠道内侧壁上发育繁衍有藻类、菌类等微生物，其有效限制了渠道河床高度，且较多微生物繁衍在阶梯式渠道断面上，对水能影响较严重，增大了输水摩擦，降低了流动性，导致局部水能不充分，无法为下游顺势输能。灌渠工程管理部门考虑认为，虽灌渠内大部分水工建筑运营稳定性均较好，但不可忽视菌藻类微生物的存在对渠道输水稳定性影响，因重点研究微生物的分布与渠道水力特征关系。

1.2 模型试验

为有效研究微生物分布对输水渠道水力特征影响，本文设计有输水渠道的模型试验，特别以微生物分布最严重的阶梯式渠道断面作为研究对象，其水工模型如图1所示。该渠道模型全长为2.5m，共有10个阶梯式渠道断面，各断面间距控制在0.25m，渠底及部分侧壁采用与输水工程渠道原型光滑材料[10-11]。输水试验过程中控制下游闸门开度作为流量模拟，本试验中控制下游闸门开度分别为0°、8°、15°、18°、22°，其中开度8°时对应的流量为5L/s，而开度15°、18°、22°相应的流量值为6～8L/s，每个试验工况下闸门流量均采用调节阀门控制，以下游闸门后的尾堰量测流量值。

图1 输水渠道水工模型

另一方面，针对微生物分布采用粗糙体模拟布设在侧壁与渠底，但由于不同分布状态的菌藻类对水力特性影响具有差异性，故本文以粗糙体布设的间距参数作为模拟微生物的分布差异，设定粗糙体向心状的分布形态，但横、纵向间距参数具有差异性，本文假定横、纵向间距为相同，试验参数设定为25mm和50mm，如图2所示。为与无微生物分布状态下水力特征对比，试验设定有无加糙壁面。

图2 粗糙体布设横、纵向间距示意图

本文试验中阶梯式断面水位特征采用水位测针传感器，最小精度可达0.1mm，测针布设在渠坡坡脚内10cm处。渠道流速采用水流测速仪测定，每个断面上共布置有3个测速探头，各探头间距为20cm，确保测速精准。试验过程主要以开启控制阀门来模拟输水流量，待水流稳定后，测定不同方案中阶梯式渠道断面上的水位、流速等特征，进而评价微生物分布对水力特征影响。

2 断面水位特征

2.1 不同流量下水位特征

根据输水渠道模型试验结果获得各流量工况下不同间距试验方案中断面上水位变化特征，如图3所示。从图中可知，粗糙体间距相同时，各流量工况下断面上水位变化趋势特征具有一致性，粗糙体间距25mm试验方案中，各工况中水位随断面距离为“U”型变化特征，在阶梯式渠道中间断面中水位最低，位于断面1～1.5m，在流量5L/s和8L/s工况中该区间断面水位平均值为0.029m和0.103m，而在该两工况中断面2.25m上水位较前者分别增长了29.4%和23.7%，表明渠道中部断面处受粗糙体摩擦、阻流较严重，渠道断面设计时应重点考虑该区域受菌藻微生物分布的影响，而在阶梯式渠道断面首、尾侧水流受摩擦作用较弱，无显著水深抑制影响[12]。同样在粗糙体间距50mm方案中，各流量工况的水位变化趋势均为一致，不过在该试验方案中，水位变化特征曲线无显著“U”型特征，即在渠道断面1～1.5m处并未出现显著较低水位，而是在各断面上水位均较平稳，变幅较小，在流量6L/s工况中其各断面上水位分布在0.032～0.037m，各断面间水位最大变幅不超过6.5%，表明粗糙体间距增大后，断面上水位区域一致性，微生物菌藻分布使断面上泥沙淤积、水流摩擦等均减弱至一致性，即微生物分布面愈分散，则渠道内水位受之影响愈小。

图3 不同流量下各断面水位特征

对比两不同粗糙体间距试验方案中水位特征可知，在间距25mm方案中流量5L/s工况下的水位分布在0.027～0.047m，渠道各断面上平均水位为0.035m，而流量6、7、8L/s工况中各断面上水位较前者分别平均增长77.1%、1.8倍、2.26倍。当粗糙体间距增大至50mm后，各流量工况中水位均递减，在流量5L/s中渠道平均水位较间距25mm方案下降低了59.7%；同样的在流量6、7、8L/s工况中平均水位较前者方案下同类流量工况分别下降了46.8%、46.9%、34.3%，表明粗糙体间距增大，即微生物菌藻种类对水流摩擦、阻流效应减弱，此时渠道内水位流通性增强，故而水位下降。在间距50mm方案中，流量6、7、8L/s下平均水位较流量5L/s下增长了1.36、2.71、4.35倍，该方案中流量每增长1L/s，断面上水位平均增长79.2%；而在间距25mm方案中该平均增幅为48.3%。由此可知，粗糙体间距增大后，渠道来水流量增大，渠道内水位受之影响愈显著[13]；当微生物分布面愈广、离散性愈大，则流量对水位影响远超微生物阻流影响。

2.2 不同微生物分布状态下水位特征

粗糙体间距对渠道水位具有显著影响，故本文给出典型流量工况下无粗糙体、粗糙体间距25mm和50mm下断面上水位变化特征，如图4所示。从图中可知，两流量工况中渠道断面水位均以无粗糙体下为最大，在流量5L/s工况中无粗糙体方案下断面平均水位为0.054m，而粗糙体间距25mm和50mm方案中平均水位较前者分别减少了33%、74.1%。另一方面，在低流量工况中，有粗糙体方案下各断面上水位变幅波动显著高于无粗糙体方案，流量5L/s中无粗糙体方案下各断面上水位平均变幅为3%，而粗糙体间距25mm和50mm方案中平均变幅分别达12.8%和6.4%，表明低流量工况下，渠道各断面上水位受粗糙体阻流、摩擦影响导致的差异性显著，即微生物分布在低输水流量工况下具有显著性影响。在高流量8L/s中，仍以无粗糙体方案下的平均水位最高，粗糙体间距25mm和50mm方案断面平均水位相比无粗糙体方案下分别减少了21.5%、52.6%；3个粗糙体方案的断面水位均变幅较小，无粗糙体方案中各断面上水位差幅最大仅为0.8%，而即使布设有粗糙体，其断面上水位变幅亦较小，两个粗糙体方案中水位变幅最大仅为6.4%、1.3%，粗糙体间距较大时最大变幅与无粗糙体方案下相当。分析表明，高流量工况下粗糙体对各断面上水位扰动影响较小，但总体上会抑制渠道断面上平均水位。

图4 不同粗糙体布设方案下各断面水位特征

3 断面流速特征

3.1 不同流量下流速特征

根据输水渠道模型试验不仅可得到渠道水位特征，亦可得到渠道内断面流速特征，图5为两个粗糙体间距方案下不同流量工况中断面流速变化特征。从图中可看出，在相同粗糙体间距方案中，流量愈大，则流速愈低，在间距25mm方案中，流量5L/s工况下断面平均流速为0.246m/s，而在流量6L/s、8L/s工况下断面平均流速较前者分别减少了28.1%和52.4%，随流量增大，断面流速平均降幅为25.7%。在4个流量工况中，除低流量5L/s下，其他3个流量工况中断面平均流速变幅较小，而低流量5L/s中断面流速以中部断面为最高，在间距25mm方案中最大流速可达0.25m/s；同样的情形在间距50mm中亦是如此，其在低流量5L/s工况中断面上最大、最小流速差幅可达9.7%。另一方面，在间距50mm方案中，4个流量工况下断面上平均流速的降幅为19.4%，即粗糙体间距增大后，断面流速受流量影响减弱。分析表明，渠道内低输水流量，会导致渠道断面上水位出现较大波动，易使渠道内出现局部涡流、紊流现象，降低输水效率[14-15]。

图5 不同流量下各断面流速特征

3.2 不同微生物分布状态下流速特征

基于不同粗糙体间距模拟微生物分布状态，获得粗糙体间距影响下渠道断面流速变化关系，如图6所示。从图中可知，在相同流量工况中，粗糙体间距愈大，则流速愈大，且无粗糙体方案下流速最高，流量5L/s工况中无粗糙体方案下断面平均流速为0.449m/s，而粗糙体间距25mm和50mm方案下平均流速较前者分别降低了45.1%、14.2%。在该流量工况中，无粗糙体方案下断面流速分布较均匀，而粗糙体间距25mm和50mm方案下断面测点间流速变幅最大分别为4.6%和5.1%。当流量增大至8L/s后，各微生物分布状态模拟方案中流速均有降低，而在该流量工况中，糙体间距25mm和50mm方案下平均流速较无粗糙体方案下分别降低了52.5%和26.6%，降幅增大，表明输水流量增大后，渠道内流速受微生物分布状态影响增强。

图6 不同粗糙体布设方案下各断面流速特征

4 结语

(1)粗糙体间距25mm时水位在断面上为“U”型特征，以断面1～1.5m水位最低；间距50mm方案中各断面上水位变幅较小；流量增大，水位递增。

(2)无粗糙体下断面水位最大，粗糙体间距愈大，水位愈低；微生物分布在低输水流量工况下具有显著性影响；高流量工况下粗糙体对各断面上水位扰动影响较小。

(3)相同粗糙体方案中，流量愈大，流速愈低，且各断面间流速变幅愈小，随流量增大1L/s，各流量工况流速随之平均降幅为25.7%；粗糙体间距增大后，断面流速受流量影响减弱。

(4)相同流量下，粗糙体间距愈大，则流速愈大，以无粗糙体方案下流速最高。